浅析隧道穿越煤系地层施工技术及注意事项

程广

中煤科工集团重庆研究院有限公司 重庆 400037

引言

在铁路、公路等工程建设过程中，需要穿越各种各样的区域，面对的施工环境和条件十分复杂。如果在西南片区修建，穿越山体过程中很容易遇到煤系地层，进而出现很多瓦斯隧道。在隧道施工的过程中，为了避免出现瓦斯中毒、燃烧、爆炸、甚至突出等危险隐患，必须要采取有效的防治措施，加强施工防控工作。为此，必须要做好勘探工作，掌握煤系地层的特点，分析潜在的安全隐患，然后采取针对性的防治措施，避免隧道建设的过程中出现危险事故，确保隧道建设的质量和效率。

1 工程概况

本文所述工程位于贵州省福泉市，建设的隧道类型为分离式，左幅隧道长度为1087m，桩号为ZK57+600～ZK58+687；右幅隧道长度为1115m，桩号为YK57+590～YK58+705。该工程所在位置为高原到丘陵的过渡区域，呈现为北西高、南东低的地势特点。区域中大部分为溶蚀型中低山貌，地表侵蚀的情况比较明显，有较大的地势起伏，相对高度差达到176.4m。

2 隧道穿越煤系地层施工技术

2.1 衬砌设计

本文所述隧道工程采用复合式衬砌的洞身设计，初期支护采用系统锚杆、钢筋网或格栅拱架等支护方式，根据围岩级别的差距，可以选择大管棚等辅助支护措施。采用模筑混凝土进行二衬衬砌，一般段采用的混凝土强度为C30，通过煤系地层的段落则采用强度更大的混凝土，强度要达到C40且具有防腐蚀气密性，透气系数在10～11cm/s以下[1]。需要在支护和衬砌之间敷设防水层，选择厚度为1.5mm的EVA蜂窝式防水板，同时配合350g/m2无纺土工布。可以采用工程类比法确定衬砌类型、结构尺寸等，明确具体的构造要求，根据围岩级别、埋深条件确定施工措施以及具体的支护参数。

2.2 超前地质综合预报

在超前预报方面，采用综合预报的方式，根据地质分析的内容，辅助使用物探措施，最后采用超前钻探、瓦斯检测的方式进行验证。对煤层位置、产状、厚度等参数进行预测。同时也要预报是否在采空区、采空区规模等内容。根据开发揭示地层岩性、产状等内容进行预测，不仅要采用敏感指标预测工作面，还要根据实际条件对各类辅助指标进行测定，包括瓦斯含量、声发射、钻屑温度等等。

2.3 煤层突出危险性预测

在超前地质综合预报中显示前方存在煤层的情况下，正洞掌子面与推测煤层距离20m的垂直距离中，采用5个探测孔，直径为89mm，初步探测煤层地质。确定了煤层位置之后，继续开挖到与煤层相距10m的垂直位置，采用直径为89mm的5个地质取芯钻孔，精探煤层地质。对瓦斯压力、含量、初散速度等进行预测，如果各个指标都在临时界限值之上，则将其判断为突出煤层，需要采取相应的防突措施，反之则没有突出危险。

2.4 防突措施

如果煤层存在突出性危险，则在与煤层距离7m的位置设置预抽孔，抽放钻孔直径为108mm，孔底间距在3m以内。预抽钻孔与工法结合，分别对上下台阶进行施工。上台阶在与煤层距离7m的位置施工，将范围控制在开挖轮廓线外上12m的范围内，左右不能低于12m。正洞预抽钻孔施工完成之后，及时进行抽放，根据规定进行瓦斯抽采量的计算，对预抽的瓦斯抽采量进行统计，然后实施消突评估。在预测煤层存在突出危险的情况下，需要采用工字钢构筑网格骨架封闭工作面。采用瓦斯预抽排放的防突方式，根据煤层瓦斯地质变化情况、透气性、抽放时间等因素对抽放半径进行调节，确保抽放的效率，保障治灾效果。

图1 隧道穿越煤层揭煤流程图

2.5 揭煤和防突施工原则和流程

在煤系地层施工中，揭煤和防突是十分重要的施工内容。在施工的过程中，要坚持以下原则：首先，应该采用台阶法的施工方式，通过二次揭煤减少落煤量，同时也能降低瓦斯突出的风险，也可以为通风工作提供便利；第二，在实际施工的过程中，要严格遵守各项技术规范要求，包括《煤矿安全规程》（2016 版）、《公路瓦斯隧道设计与施工技术规范》（JTG/T 3374-2020）、《铁路瓦斯隧道技术规范》（TB1020-2019）、《防治煤与瓦斯突出细则》（2019版）等。根据这些规范要求采取合理的施工方案，全面有效地降低施工风险；第三，在实际施工的过程中，首先要做好物探工作，设置超前探孔，探测前方是否会遇到煤层。如果没有煤层则正常开挖；如果遇到煤层，则在法向距离20m的位置进行初步探测，掌握煤层的赋存情况，施工到法向距离10m的位置时进行煤层突出危险性预测。如果预测存在危险，则施工到法向距离7m的位置，采用实施性防突设计，落实有效的防突措施；之后，需检验区域防突措施的效果，如果没有效果则需要采取相应的补救措施。如果防突措施有效，则施工到法向距离5m的位置，并进行区域验证，如果存在危险，则需采取工作面防突措施，直到效果检验有效为止。如果验证没有突出危险，则直接施工到法向距离2m的位置，继续进行最后验证。如果验证到煤层存在突出危险，则继续补充防突措施，直到有效。第四，在揭煤时，上断面采用石门纵向的方式进行瓦斯的排放，下面则利用扇形分布口进行瓦·斯排放[2]。隧道穿越煤层揭煤流程如图1所示。

3 隧道穿越煤系地层施工注意事项

在穿越煤系地层施工的过程中，尤其要注意瓦斯风险。瓦斯是易燃易爆的危险性气体，瓦斯在空气中的爆炸上限为15%～16%；下限为5%～6%。在施工的过程中，如果出现瓦斯爆炸事故，不仅为影响施工进度，还会造成大量人员伤亡。所以，一定要做好监测、预防等工作，采取有效的通风措施，确保空气中的瓦斯浓度符合安全标准。如果隧道中瓦斯浓度达到限值，则根据监测结果采用超前钻孔排放的方式。在钻孔的过程中，应该注意孔口需要穿越煤层，确认排放孔施工的过程中是否出现喷孔、夹顶钻等情况，如果出现异常情况要及时进行分析和处理。在瓦斯工区钻孔、爆破施工的过程中，需要坚持“一炮三检”的原则，在装药前和放炮前后都需要进行检查，应该安排专业的放炮员、瓦检员、安全员，对检测结果进行详细的记录，杜绝反向装药等危险情况的发生。在施工的过程中，可以减少掌子面暴露时间，加快成洞速度，并且做好初期支护工作，通过超前小导管、锚管注浆等方式减少瓦斯溢出量[3]。含瓦斯地段的施工缝、伸缩缝和沉降缝都需要进行防渗处理。与此同时，防水板也要做好防渗施工，既要保障防水效果，也要发挥瓦斯突出的防治效果。

4 结束语

综上所述，在隧道穿越煤系地层施工的过程中，要采取合理有效的施工技术，对瓦斯保障等风险进行合理有效的预防。为了保障施工质量和安全，需要采取各种防护措施，同时注意多个事项，包括瓦斯监测、瓦斯排放、支护施工、钻探施工，等等。