隧道通过煤矿采空区的施工关键技术

2017-05-13尹明

黑龙江交通科技 2017年3期

关键词：采空区瓦斯断面

尹明

(贵州桥梁建设集团有限责任公司，贵州贵阳 550000)

隧道通过煤矿采空区的施工关键技术

尹明

(贵州桥梁建设集团有限责任公司，贵州贵阳 550000)

针对公路隧道的煤矿采空区施工，结合某隧道实际情况与采空区状况，首先提出有害气体与突水两种危险因素的消除方法，然后对开挖、超前预支护、洞身支护及洞体封闭与回填等隧道穿越煤矿采空区施工关键技术进行深入分析，最后通过实践得出该技术方案切实可行，能很好保障采空区隧道施工安全的结论，为类似隧道工程提供参考。

公路隧道；煤矿采空区；施工关键技术

1 工程概况

某公路隧道为分离式隧道，双向四车道，单洞净宽度为11 m，净高度为5 m。该隧道直接穿越山体，受到地质构造等因素的影响，区域内断裂构造发育明显，以北东和东西方向的断裂最为常见。隧道处在侵蚀基准面之上，地表水相对匮乏，洞顶分布弱风化岩，透水性与富水性均较差，未发现具有良好透水性的断裂构造发育，开挖施工中不产生突水的现象。隧道处在煤系地层中，直接穿越某煤矿，主要煤层通过区域的围岩级别是VI级。结合当地基本材料，该区域煤系地层属于低瓦斯区，但煤层切实存在，有一定几率存在瓦斯富集。

2 煤矿采空区状况

依据路线和矿线综合勘探结果，隧道左线发现一处煤矿采空区，该采空区是一个直径为3 m左右的平硐，长度在50～80 m，采空区直接穿过隧道的轴线，前缘靠近隧道的边缘和隧道保持平行的位置关系，后缘和轴线呈50°夹角，具体见图1。通过初步勘测得知，此煤矿采空区的形成时间很长，无支护体系，部分区段已经出现坍塌现象，加之和隧道之间的距离过近，形成一定长度危险区域，对隧道施工造成了很大的影响，此煤矿采空区的主要特点为：

(1)地质条件相对较差。隧道围岩级别为V级，直接穿越既有煤层，围岩自身不存在自稳能力，而且地下水集中，在开挖施工中容易造成坍塌事故。

(2)针对煤矿采空区，无针对性超前预报。隧道原设计方案并未涉及采空区，工程设计未提供采空区的相关资料，仅依靠图纸和采空区实际分布简图进行对比判断，超前预报工作存在极大的难度。

(3)隧道不排除存在有害气体局部富集与突水等问题的可能。

(4)煤矿采空区影响范围很长，除了直接穿越的部分，还有一段和隧道之间的距离十分接近。

图1 隧道和煤矿采空区相对位置

3 危险因素排除

3.1 有害气体

为预防有害气体突出(本隧道工程主要为瓦斯)，施工过程中，距煤矿采空区前方约10～15 m的位置运用超前钻孔的方法对瓦斯进行排放，瓦斯排放孔为108孔，相邻两个钻孔之间的距离为0.5 m。瓦斯排放时，每个断面都要设置检测孔，同时增设测压孔安装测压装置进行测压，以此完成危险性评测，确保排放安全。若在瓦斯排放以后仍存在危险，则需运用抽放或者是水力冲孔。对于瓦斯浓度，隧道中需要使用混合式的通风系统，在隧道中的凹陷部位，需要安装小风机，以实现移动吹风，避免瓦斯集中聚集。

3.2 突水

为预防煤矿采空区突水，需要设置移动抽水站，施工中借助平板车安装大型抽水机，配置相应配件，同时隧道的边沟实施清理，如果出现涌水的现象，则需立即开启抽水站。

在隧道的上断面开挖到指定位置后，应使用地质钻机钻孔，钻孔位置为拱顶、拱腰与起拱线，同时在孔口的位置采用112 mm钻头进行开孔，洞中安设长度为2 m左右的钢管，将其作为孔口管，管外侧焊接法兰盘。如果孔中的出水量过大，则需设置闸阀对水体进行临时性封堵。

4 隧道穿越煤矿采空区施工关键技术

4.1 开挖施工

本隧道使用台阶法进行施工，断面进尺保持在30 m左右，上断面和下断面同时进行掘进。在隧道上断面开挖到煤矿采空区前方约30 m的位置时，需强化超前预报，准确掌握掌子面的实际情况。在隧道上断面开挖到煤矿采空区前方约10 m的位置时，需对施工方法进行适当的调整，改用短台阶的方法进行施工，上、下断面之间的距离需保持在5～7 m之间，断面掘进的同时还要做好仰拱。对开挖的实际进尺与爆破干扰进行严格控制，单次开挖进尺不得超过1 m。开挖施工结束后立即进行初期支护，对开挖面进行全面封闭，增加监控量测的强度和频率，确保开挖施工安全。

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4.2 超前预支护

针对煤矿采空区及其前、后10 m范围内的洞身可使用双层小管棚实施超前预支护，其中，采空区的支护工作需要在顶端完成回填施工以后，通过后侧预设割空拱架进行打入。管棚体系为：自进式锚杆(长度为1 000 cm，壁厚为8 mm)、小导管(长度为500 cm)、自进式锚杆(长度为1 000 cm，壁厚为8 mm)。锚杆和长管棚之间的搭接长度在3 m左右，每两排锚杆需要分别设置两排小导管，以此形成一个稳固的支护体系，注浆材料为纯水泥浆。

4.3 洞身支护

在隧道上断面开挖到煤矿采空区前方约10 m的位置时，隧道围岩级别按照煤层的通过区进行划定，划定结果为VI级，施作洞身支护，加强支护适用于所有煤矿采空区段。施工中使用I22a工字钢钢支撑支护，钢支撑之间的距离为0.3 m左右，连接使用25纵向筋，纵向筋的换向间距为1.0 m；隧道全断面安装小导管，长度为4 m，以80 cm间距进行布置，布置成梅花型；布置钢筋网，共两层，并喷射强度等级为C30的混凝土，厚度不得超过30 cm。

4.4 洞体封闭与回填

(1)拱顶采空区

(2)两侧采空区

对于隧道洞身两侧的煤矿采空区，首先需要对顶部和周围进行混凝土喷射以实现安全支护，然后通过之前设置的泵管孔进行回填处理。由于煤矿采空区的平硐长度较大，所以回填的混凝土会逐渐向影响区流动，施工时先对两侧的最外边进行喷砂，在砂堆实际高度满足要求以后，再从两边到中间按照规定顺序进行混凝土泵入。

(3)大型采空区

针对较大规模的煤矿采空区，单一的泵送混凝土很难达到理想的密实程度。对此，可在回填到拱顶的一定高度之后，在拱顶上方设置一个双层缓冲层。先堆砌厚度为1 m的砂袋将其作为底层缓冲，然后再设置纵向钢管，钢管之间使用钢筋进行连接，管中灌注水泥浆，以此有效提升其抗弯性能。最上层铺设厚度在0.5～1.0 m之间的铁皮或锯末，以此当作顶层缓冲，至此形成一个双层缓冲层，达到提升密实程度的目的。

对于煤矿采空区的二次衬砌，隧道仰拱处设计采用厚度为60 cm的防水混凝土，强度等级为C30，在其上方施作回填处理，回填材料为C15片石。隧道洞身处设计采用厚度为60 cm的防水混凝土，并在此基础上运用钢混结构。