煤系地层高瓦斯隧道处治方法研究

杨 光

（华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014）

1 工程概况

大山隧道位于大山镇司家寨村中下部，设计桩号为左线起点Z5K35+969，设计标高1785.186m，左线终点桩号Z4K37+179m，设计标高1798.997m，全长1210m；右线起点K35+967m，设计标高1785.160m，右线终点桩号K37+163m，设计标高1799.050m，全长1196m。建筑限界净空（宽×高）10.25m×5.0m，左隧道纵坡1.291%（单向坡），右隧道纵坡1.291%（单向坡）。隧道为弧线型，隧道进口轴线方向182°，出口轴线方向 184°，属长隧道。

2 工程地质条件

2.1 隧址区含煤地层

大山隧道地层主要为二叠系地层。隧道主要穿过的煤系地层为二叠系上统龙潭组，进出口均有煤层出露（图1、图2）。

图1 隧道出口煤层出露

2.2 隧道瓦斯

大山隧道穿越二叠系上统龙潭组，隧址区煤炭地层可生成瓦斯。隧址区分布 8 层煤层，编号为 2、6、8、10、11、17、20、24，厚度分别为 3.0m、4.5m、1.2m、1.5m、2.2m、3.5m、4.0m、4.5m，总厚度为24.40 米。煤层单层厚度1.2-4.5m，瓦斯吸附在煤层中，开挖时瓦斯将逐渐释放出来。隧址区地质以砂岩、泥岩及煤层为主，节理裂隙较少，连通性较差，瓦斯易大量聚集，隧道开挖过程中易造成窒息、中毒、爆炸等危险。

3 瓦斯隧道危害

瓦斯主要吸附在煤层中，为无色、无味但易燃、易爆气体。瓦斯主要危害如下：

图2 隧道出口煤层出露

（1）瓦斯窒息[1]。瓦斯为多种气体混合物，其中甲烷（CH4）为瓦斯的主要成分。甲烷易造成人呼吸不畅，当甲烷浓度较高时，会造成人员窒息死亡。甲烷易扩散，其密度小于空气，易在隧道拱顶聚集，导致隧道拱顶瓦斯浓度增高，含氧量减少。

（2）瓦斯中毒。瓦斯在一定条件下会发生燃烧、爆炸。爆炸会产生大量有毒、有害气体，易导致人员中毒死亡。

（3）瓦斯爆炸。瓦斯主要成分为甲烷，甲烷与空气比例达到一定的值时会发生爆炸。甲烷为易燃气体，当与空气的混合气体达到一定浓度时在稍高的温度下某一个或几个分子分解释放能量并带动周围分子放能，周边气体膨胀形成爆炸，瓦斯爆炸及易造成大面积人员伤亡，危险性极大。

（4）瓦斯突出[2]。在隧道开挖过程中，由于瓦斯的大量聚集，易产生瓦斯大量喷出现象。瓦斯大量喷出导致隧道洞内施工设备、通风设施破坏。隧道洞内充满瓦斯，极易造成瓦斯爆炸，导致隧道施工被迫中断。瓦斯突出是瓦斯隧道最严重的灾害之一。

（5）开裂、塌方[3]。瓦斯隧道开挖易遇到煤系地层，煤系地层自稳性较差，开挖时应注意加强隧道支护，避免开裂、塌方等现象，保证施工时隧道的安全稳定。

4 瓦斯隧道处理方法

大山隧道全线穿越煤系地层，本文主要从揭煤防突、隧道主体结构设计这两方面来介绍隧道穿越煤系地层高瓦斯隧道处理方法。

4.1 揭煤防突设计

大山隧道全线通过煤层,借鉴相关工程经验,在煤系地层中进行隧道开挖时，通常采用超前钻孔措施。超前钻孔为在隧道开挖掌子面设置一定数量及长度的大直径钻孔，防止隧道开挖时瓦斯突出。一般隧道掌子面前方分为卸压带、正常应力带、集中应力带三段。卸压带靠近掌子面，长度一般为3～5m。煤层强度分布相对均匀时，卸压带中瓦斯应力相对较小，瓦斯突出可能性较小；煤层强度分布不均匀时，会大大缩短泄压带的长度，出现高瓦斯应力区域，隧道开挖时如没进行超前钻释放瓦斯应力，会导致瓦斯突出[4]。具体的瓦斯处理设计图如图3、4 所示。

4.2 瓦斯排放设计

为保证隧道施工时人员的安全, 需要对隧道洞内瓦斯压力、含量、氧气浓度、温度、风速和各有害气体浓度等进行检测,检测结果需满足相关要求,如检测结果不能满足相关要求，需继续加强相关瓦斯排放措施[5]，具体处理设计如图5所示。

4.3 主体结构设计

（1）超前支护。大山隧道采用双口掘进，隧道进出口均采用超前大管棚，大管棚采用Φ108，壁厚5mm 的热轧无缝钢管，钢管轴线与衬砌外缘夹角为0.5～2°，单根长1.6～4m，环距40cm，120°角范围内布设，注浆材料采用水泥浆液。

图3 超前钻孔及预测孔布置图（垂距10m）

图4 超前钻孔及预测孔布置图（垂距5m）

图5 瓦斯排放钻控布置图

V 级围岩采用超前小导管注浆，小导管采用Φ42，壁厚4mm 的热轧无缝钢管，每排小导管纵向搭接长度不小于1m，以5～12°外插角打入围岩，单根长4.0m，环距40cm 120°角范围内布设，具体如图6、图7 所示。

IV 级围岩加强段采用超前锚杆，超前锚杆采用Φ25 中空注浆锚杆，每排锚杆纵向搭接长度不小于1m，以5～15°外插角打入围岩，单根长4.0m，环距40cm，120°角范围内布设，具体如图8 所示。

图6 瓦斯排放效果检验钻控布置图

图7 超前大管棚示意图

（2）初期支护。系统锚杆采用Φ25 中空注浆锚杆，V 级围岩单根长3.5m，IV 级围岩单根长3.0m，混凝土均采用C25 气密性密封混凝土来防治瓦斯渗透，钢筋网直径均采用 φ6.5 网格间距均为 20×20（cm），具体如图 9 所示。

（3）二次衬砌。混凝土采用C35 混凝土，混凝土内添加气密剂，具体如图9 所示。

（4）车行横洞。车行横洞全断面设置防水板，防水板搭接处应焊接密实，不得有缝。车行横洞中施工缝、沉降缝采用中埋式+背贴式止水带。车行横洞二衬采用C35 混凝土，并在混凝土内添加气密剂，确保隧道二衬施工完毕后，瓦斯不进入隧道内。

（5）防排水

隧道采用全包防水，防水板搭接处应焊接密实，不得有缝。隧道施工缝、沉降缝采用中埋式+背贴式止水带。隧道边墙铺设纵向排水管，排水管终点设置水器分离装置，将分离出的瓦斯气体在高处排出隧道。

5 结论与建议

图8 超前小导管及超前锚杆示意图

图9 隧道瓦斯段衬砌断面图

瓦斯隧道设计时应注意隧道洞内瓦斯的检测与排放，尽量将隧道洞内瓦斯浓度控制安全范围内。在隧道洞内瓦斯浓度控制在安全范围后，应加强隧道支护强度及在混凝土中添加气密剂，避免隧道建成后，瓦斯进入隧道内，确保隧道运营期的安全稳定。瓦斯隧道施工时，需遵守相关规章制度，施工时应避免相关人为因素引起的事故。