某市政道路高瓦斯隧道设计与施工

李元明，程 宏，王传波，胡兵华，边洪坡，吕 光

(1.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081；2.中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 6505001)

0 前 言

自新中国建立至1999年，我国共修建了18座瓦斯隧道，占当时全国隧道总数的0.18%。21世纪以来，据不完全统计，我国修建的瓦斯隧道不少于70座，其中长度3 km以上的不少于43座，大大超过了2000年以前修建的瓦斯隧道总数。我国瓦斯隧道主要分布在四川、重庆、贵州、云南等地，这些地区也正是我国煤矿分布较多的地区[7]。近年来，随着基础设施建设的快速发展，穿越煤系地层的瓦斯隧道不断出现。值得注意的是，当空气中的瓦斯浓度在5%～16%时，遇火后能引起爆炸[1];当瓦斯浓度为9.5%时，其爆炸威力最大。瓦斯隧道中的瓦斯容易导致施工中发生许多安全事故，比如人员窒息、中毒，瓦斯突出、瓦斯燃烧与爆炸等。因此，修建瓦斯隧道时存在两个巨大风险：一是瓦斯爆炸的可能，二是瓦斯压力高的地层有瓦斯突出的可能。隧道施工一旦发生瓦斯安全事故往往会导致巨大的人员伤亡和财产损失，造成不良的社会影响。瓦斯隧道的设计与施工与一般隧道有较大差别，本文结合某瓦斯隧道的工程特性，介绍高瓦斯隧道的相关勘察设计情况及关注要点。

1 工程概况

该市政项目近似呈南北走向，为分离式市政隧道，隧道左洞长1 240 m，隧道右洞长1 213 m。隧道坡度从进口至出口为+2.7%，隧道半幅宽度为：12.75 m=2×3.5 m(车行道)+3.0 m(应急车道)+1.5 m(人行道)+1.25 m(检修道)，隧道开挖断面水平最大宽度15.87 m，竖直最大高度11.34 m，开挖断面面积141.6 m3。

工程区地层从新到老依次为：第四系覆盖层(主要为耕植土Qpd、碎石土)；二叠系上统龙潭组(P2l)砂岩；煤层。其中，煤层呈黑色、玻璃光泽，钻探岩芯主要呈碎块状、砂状，煤层在隧道全段零散分布，呈透镜体状。

隧址区含煤地层为二叠系上统龙潭组(P2l)，岩性主要为：泥质粉砂岩含煤7～54层。地层厚度为103～323 m，平行不整合于峨眉山玄武岩之上。根据测区外围煤矿资料、钻孔揭露、地表调研、施工揭煤情况，煤层主要位于二叠系上统龙潭组(P2l)中部和下部，含薄煤3～4层，厚0.50～5.40 m，为中～底灰、特低硫烟煤。从施工揭煤情况来看，其特征为：黑色，玻璃光泽，厚度约1.2～2.5 m，与岩层整合接触。

区内含煤地层属不稳定煤层，煤变质阶段属烟煤阶段，因此煤层及煤系地层有一定的生烃能力，但煤层薄、层数少瓦斯生成总量有限。瓦斯气体以吸附状态和游离状态赋存于煤层、泥质粉砂岩和围岩裂、孔隙中。区内地层平缓，没有厚度较大的泥质岩封闭盖层，隆起构造圈闭，隧道埋深不大，不利于瓦斯的富集储存，但局部构造挤压破碎带，次级小背斜顶部有局部瓦斯聚集的条件。

2 隧道瓦斯及防护等级

隧道勘察阶段预测瓦斯含量一般采用三种方法：一种是在钻孔中采取煤层样品进行煤层瓦斯解吸试验；另一种是实测煤层瓦斯压力、吸附常数、煤质指标的间接计算方法；第三种是类比法，以测区及外围同一含煤地层的矿井瓦斯含量实测或鉴定的矿井吨煤瓦斯含量、相对涌出量类比测区隧道。

相关调查资料显示，隧址周边矿井为麒麟煤矿和宏松煤矿，均属高瓦斯矿区。据《某隧道煤层瓦斯参数测试报告》显示，本隧道右洞进口瓦斯绝对涌出量为3.37 m3/min，瓦斯含量为2.56 m3/t，瓦斯压力0.24 MPa；右洞出口为绝对涌出量为0.86 m3/min，瓦斯含量为1.61 m3/t，瓦斯压力为0.14 MPa。

按《贵州省高速公路瓦斯隧道设计技术指南》[3]规定，隧道右洞出口判定为低瓦斯工区，右洞进口判定为高瓦斯工区，属于无突出危险区。但本次瓦斯参数测定测试长度较短，未测试段瓦斯压力及瓦斯含量无法预测，结合工程区周边项目某隧道的煤层参数，其煤层瓦斯压力为0.85 MPa，瓦斯含量为7.32 m3/t，判断该隧道有一定瓦斯突出的可能性。施工中需加强超前地质预报工作，并以超前地质预报工作中所测瓦斯等级为准进行实时调整。

根据《贵州省高速公路瓦斯隧道设计技术指南》(JT52/02-2014)的规定，隧道进口段结构设防等级暂定为Ⅱ级，出口段瓦斯隧道结构设防等级暂定为Ⅲ级，施工时应根据瓦斯地层超前预报结果进行动态调整。

3 高瓦斯隧道系统设计

3.1 衬砌结构及瓦斯排放

(1)当结构防护等级为Ⅲ级时：一般隧道的原设计能达到防护要求，按照运营安全需要，设置水气分离装置[5]，从高洞口(高铁站端)排放瓦斯气体。

(2)当结构防护等级为Ⅱ级或Ⅰ级时：①初期支护喷射混凝土应调整为C25气密性喷射混凝土，要求透气系数不应大于10 cm/s。气密剂选用FS-KQ，掺入量为水泥用量的12%，喷射混凝土厚度按原设计不变(不小于15 cm)。②二次衬砌采用C35气密性混凝土，要求透气系数不应大于10～11 cm/s。气密剂选用FS-KQ，掺入量为水泥用量的12%，水泥用量不少于320 kg/m3，衬砌混凝土厚度按原设计不变(不小于40 cm)。③二次衬砌施工缝、沉降缝处增设背贴止水带以防瓦斯逸出。④环向全封闭采用5 mm厚聚乙烯闭孔泡沫板及1.2 mm厚CW-S型橡胶瓦斯隔离板。⑤高瓦斯段仰拱增设5 mm厚聚乙烯闭孔泡沫板、1.2 mm厚CW-S型橡胶瓦斯隔离板及20 cm厚C25气密性喷射混凝土。⑥在穿越煤层地段，每次爆破后采用10 cm厚气密性喷射混凝土封闭掌子面。

(3)为减小瓦斯压力，纵向排水管设置水气分离装置，瓦斯气体通过电缆沟外侧排气管引出洞外，在高处排放。

(4)横向排水管穿瓦斯防水板部位作封闭处理，并经气密性检测。

(5)瓦斯隧道设防等级较高地段的衬砌结构应向等级较低地段延伸，延伸长度不宜小于20 m。

3.2 防止瓦斯喷出及突出措施

3.2.1 影响煤与瓦斯突出的主要地质因素

地应力。隧道区本次没有进行地应力测试，但从隧道埋深来看，埋深不是很大，钻探过程中未见饼化岩芯等动力现象，隧道不处于应力集中地带。

煤层厚度。测区钻孔揭露了数层多为厚度较薄煤及煤线属含煤性差的地区。

煤层结构类型。据钻孔揭露及现场施工开挖情况，煤层岩类型以亮煤、半暗煤为主，性硬脆、结构致密，以块状为主，部分具鳞片状及粉状构造，参差状断口，内生裂隙发育。隧道区煤层多数属原生结构煤(Ⅱ类煤)。

地质构造复杂程度。地层产状中等，褶曲较发育，隧道区左线有F1逆断层通过，平行隧道K14+800 m～K14+980 m间处穿越。F1为逆断层，近南北走向，倾角35°，地质构造中等复杂。

3.2.2 揭煤防突设计

瓦斯隧道揭煤作业是一项专业性很强的工作，要求进行施工的单位具有丰富工程经验，以确保施工安全。瓦斯隧道施工应遵循“管超前、严注浆、早封闭、短进尺、弱爆破、多循环、强支护、紧封闭、勤量测、强通风、预排放、早衬砌”的原则，防止有害气体的逸出。

首先采取超前钻孔、物探等手段的综合超前地质预报，以预测煤层位置、产状、厚度等。然后在掌子面距推测煤层10 m 垂距处，施作探测孔7个(d=108 mm)，探测孔必须穿透煤层并且进入顶(底)板煤层(深度不小于0.5 m)，以进一步掌握煤层基本情况，如煤层方位、厚度、瓦斯赋存等。

在掌子面距煤层5 m垂距处，施作3孔(d=89 mm)预测孔[6]，该钻孔用于进一步测定煤层更加详尽的特性指标，如瓦斯压力、钻屑指标等。瓦斯突出危险性预测应从下列五种方法中选用两种相互验证，即：瓦斯压力法、综合指标法、钻屑指标法、钻孔瓦斯涌出初速度法、“R”指标法。石门揭煤可采用瓦斯压力法、综合指标法或钻屑指标法，突出危险性预测方法中有任何一项指标超过临界指标，该开挖工作面即为有突出危险工作面。

若该煤层无突出危险时，进行揭煤作业；若存在突出危险，则采取防突措施，即揭煤前采取瓦斯抽排放等措施降低瓦斯突出风险。当瓦斯含量小时，可进行自然排放，亦可用风管将瓦斯引到距掌子面20 m以外的范围，以保证掌子面开挖放炮的安全；当瓦斯含量大、喷出强度大、持续时间长时，可暂停开挖，采取以下措施进行排放。

(1)当存在突出风险时，在掌子面前方接近煤层2 m左右，向煤层打若干直径108 mm的超前钻孔排放瓦斯，钻孔周围形成卸压带，使集中应力移向煤体深部，达到防止突出的目的。

(2)水力冲孔。在开挖前，用高压水在突出危险的煤层中冲出若干直径较大的孔洞，使瓦斯吸解和排放，降低煤层瓦斯含量和压力。

(3)深孔松动爆破。在掌子面向煤层深部的应力集中带布置几个长眼进行爆破，其目的在于利用炸药的能量破坏煤层前方的应力集中带，在工作面前方造成较长的卸压带，从而预防突出的发生。

(4)煤层注水。通过钻孔将高压水注入煤层，使煤湿润以改变煤的物理机械性质，减小或消除瓦斯突出的危险性。

(5)严格按《煤矿安全规程》[4]加强瓦斯隧道中煤与瓦斯突出的技术管理。

防突措施实施后必须进行效果检验，以确认防突措施是否有效。防突措施效果检验应在距煤层2.0 m垂距的岩柱以外进行。防突效果检验结果其中任何一项指标超标，或在打检验孔时发生喷孔、顶钻、夹钻等动力现象时，则认为防突措施无效，必须采取补充防突措施。采用一次性排放时，应检验工作面前方上、中、下、左、右各部位的排放效果；当采用分段分部分次排放时，每次只检验排放部位的排放效果。

瓦斯隧道施工期间，应进行瓦斯超前预报和地质复查工作。对于揭露的煤层，应取样复测煤层的瓦斯含量和其他有关参数，必要时应钻孔埋管实测瓦斯压力，或通过通风和瓦斯检测计算全隧道的瓦斯涌出量，根据检测结果核对施工工区和煤系地层的瓦斯等级，必要时进行修正，同时根据隧道结构防护等级进行动态设计。

3.3 施工通风

瓦斯隧道的施工组织设计中，应编制全隧道和各工区的施工通风设计，并考虑各工区贯通后的风流调整和防爆要求。瓦斯隧道施工期间，应建立瓦斯通风监控、检测的组织系统，测定气象参数及瓦斯浓度、风速、风量等参数。低瓦斯工区可用便携式瓦检仪，高瓦斯工区和瓦斯突出工区除便携式瓦检仪外，还应配置高浓度瓦检仪和瓦斯自动检测报警断电装置并配备救护队。按瓦斯绝对涌出量计算风量时，对于低瓦斯工区，应将洞内各处的瓦斯浓度稀释至0.5%以下；对于高瓦斯工区和瓦斯突出工区，其长度较大的独头坑道应将开挖工作面风流中的瓦斯浓度稀释到0.5%以下。瓦斯隧道施工中防止瓦斯积聚的风速不宜小于1 m/s。

3.4 电气设备、照明与作业机械

隧道内非瓦斯工区和低瓦斯工区的电气设备与作业机械可使用非防爆型，其行走机械严禁驶入高瓦斯工区和瓦斯突出工区。隧道内高瓦斯工区和瓦斯突出工区的电气设备与作业机械必须使用防爆型。高瓦斯工区和瓦斯突出工区供电应配置两路电源。工区内采用双电源线路，其电源线上不得分接隧道以外的任何负荷。

3.5 运营期安全防护系统设计

运营通风。对隧道运营通风的预埋件在正常需求的基础上再增设 1～2处，保证隧道服务期间瓦斯进入隧道后具有较强的通风能力。隧道运营中瓦斯浓度在任何时间、任何地点都不得大于0.5%，超限时禁止通行，开启全部风机。

运营照明。隧道运营照明的灯具应使用防爆型隧道专用照明灯具 。

运营消防。隧道消防栓应适当加密 ，以增加隧道防灾能力 。

瓦斯监测系统。瓦斯隧道运营期间，采用自动检测方式进行瓦斯检测，自动检测系统具有瓦斯超限报警等功能，并能将相关监测信号直接反馈到隧道管理部门，以便管理单位采取及时有效的措施。

4 结 语

本文以某市政道路高瓦斯隧道设计为依托，详细介绍了高瓦斯隧道勘察和系统设计施工的主要内容和注意事项，主要包括瓦斯地层勘察、瓦斯等级确定、瓦斯隧道结构设防等级、高瓦斯隧道系统设计等。

瓦斯隧道施工期间应委托具有相关资质的专业机构进行预报与检测，并根据预报结果进行动态设计；瓦斯隧道应设置可靠的瓦斯排放装置将瓦斯气体排出隧道，防止瓦斯逸出；施工期间应加强通风和瓦斯监测，避免发生瓦斯爆炸和瓦斯突出事故。