煤层瓦斯地段隧道施工中存在的问题及对策

郭奉波

（贵州省公路工程集团有限公司，贵州 贵阳 550001）

在特殊围岩中，要达到隧道施工中煤层瓦斯地段的安全可靠目标，需要同时解决两方面的问题：一方面要摸清特殊围岩在隧道周边的分布及其水文地质与工程地质条件，对可能出现的地质灾害严重程度、灾害类型及性质进行预测；另一方面要进行有针对性的结构与施工设计，制订切实有效的施工方案与技术措施，对建设过程加以控制，使其向有利于建设目标的方向发展，两者缺一不可。然而，要做到以上两点，还有许多需要研究与解决的问题，如超深埋隧道围岩变形破坏机理的研究，特殊围岩分级方法与标准研究，高压富水地层防排水设计的研究，围岩与支护间时空力学效应与监测技术的研究，特殊围岩加固与改良技术的研究，地质灾害预报评价技术与标准研究，瓦斯回收利用技术研究等。以下将结合草堤I号隧道施工工程具体阐述在煤层瓦斯地段隧道施工存在的问题及对策。

1 工程概况

草堤I号隧道地处贵州高原西北部高原地带，位于毕节市十八村，有省道通往场区，交通方便。隧址区地势起伏大，附件海拔1472.3～1618.5m，相对高差146.2m，地表植被较发育，隧道进口位于斜坡地段，坡度较缓，自然坡度5°～20°，地表植被较发育，为旱地及居民住地；出口位于坡谷交叉侧斜坡处，纵坡较陡，自然坡度30°～45°，地表植被较发育。隧道场区地貌类型属侵蚀－剥蚀型低中山地貌型。场区属长江水系的乌江水系中的六冲河支流流域，区内地表水发育，隧道出口有一小河，河流流向为西北向，常年径流，通常水位1462.5m。场区属亚热带至温带云贵高原湿润季风气候区，因此，严寒酷暑时间比较短，雨量充沛，根据毕节市气象站1961～1990年气象资料，年无霜期250d，年均气温13℃，极端最高30℃，极端最低－9℃。年均降水量为1086.70mm，多集中在5～9月，平均相对湿度82%，灾害性天气有春早、冰雹、倒春寒等。25年一遇最大风速19m／s，年平均风速8m／s。隧道区位于扬子准地台黔北台隆遵义断拱毕节北，东向构造变形区毕节向斜北西翼，岩层倾向南东，呈单斜产出；岩层综合产状135°，∠42°、岩体节理裂隙发育。根据《中国地震动参数区划图》（GB18306－2001），测区地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35s，隧道区地震基本烈度为Ⅵ度。

右幅隧道进口段岩土主要成分为泥质粉砂岩、炭质泥岩及煤层，粒径20～80mm，含量约52%～68%，稍湿、土层厚约1～9m，分布在煤系的地层范围内，施工中预防煤层瓦斯影响。

2 瓦斯地层及瓦斯释放的方式

2.1 瓦斯的性质

1）瓦斯（沼气）为无色、无臭、无味的气体，与碳化氢或硫化氢混合在一起，发出类似苹果的香味，由于空气中瓦斯浓度增加，氧气相应减少，很容易使人窒息或发生死亡事故。

2）瓦斯比重为0.544，仅为空气的一半，所以，瓦斯容易积聚在隧道顶部，其扩散速度比空气大1.6倍，很容易透过裂隙发育、结构松散的岩层。

3）瓦斯不能自燃，但极易燃烧，其燃烧的火焰颜色随瓦斯浓度的增大而变淡，空气中含有少量瓦斯时火焰呈蓝色，浓度达5%左右时，火焰呈淡青色。

4）瓦斯的燃烧和爆炸性。当隧道中的瓦斯浓度小于5%遇到火源时，瓦斯只是在火源附近燃烧而不会爆炸。瓦斯浓度在5%～6%到14%～16%时，遇到火源具有爆炸性。瓦斯浓度大于14%～16%时，一般不爆炸，但遇火能平静地燃烧。瓦斯燃烧时，一旦遇到障碍而受压缩，就会形成爆炸。瓦斯爆炸时，爆轰波运动造成暴风在前，火焰在后，暴风遇到积存瓦斯，使它先受到压力，然后火焰点燃发生爆炸。

2.2 瓦斯释放的方式

1）施工阶段。瓦斯的渗出：它是缓慢地、均匀地、不停地从煤层或岩层的暴露面的空隙中渗出，延续时间很久，有时带有一种嘶音。瓦斯的喷出：比上述渗出强烈，从煤层或岩层裂缝或孔洞中放出，喷出的时间有长有短，通常有较大的响声和压力。瓦斯的突出：在短时间内，从煤层或岩层中，突然猛烈地喷出大量瓦斯，喷出的时间能从几分钟到几小时，喷出时常有巨大轰响，并夹有煤块或岩石。以上3种瓦斯释放形式，往往以第1种放出的瓦斯量为最大，但其最不易被人所发觉。

2）运营阶段。地层中的瓦斯主要通过衬砌本体的细微裂隙和施工缝等通道渗入隧道内。瓦斯渗入量不仅与煤层（或地层）中瓦斯含量、压差（即瓦斯压力和隧道内空气压力之差）有关，而且与衬砌材料、接缝材料的渗透性质有关，同时，也与隧道内空气的流动速度等因素有关。

3 煤层瓦斯地段隧道施工中存在的问题

特殊围岩是指在隧道修建过程中在支护结构设计、辅助施工措施、安全保护措施以及自然环境保护等方面需进行特别处理的V、VI级围岩。我国地域辽阔，2／3的国土由山脉、高原组成。国内分布有多条大江大河、湖泊、沼泽、湿地等水体，在约为3.2万km的海岸线分布着多条海峡、港湾及5000多个岛屿。南、北、东、西地区气候差异很大，施工自然环境极不相同。另外，我国地处地球两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间，地震活动频繁，断裂带十分发育。从已建隧道的地质情况看，隧道穿越的特殊围岩主要有瓦斯、高地应力、岩溶及高水压围岩、湿陷性黄土、膨胀岩、断层破碎带及松散岩堆体、流沙、高原冻土等多种围岩，在隧道工程建设过程中需要采取特殊的设计与施工措施。在钻爆法施工中，安全、优质、快速、不留后患地修建地下工程是隧道与地下工程建设追求的目标。特殊地质的隧道施工，必须重点在灾害性地质问题的超前预报以及施工防治技术上加大措施。鉴于目前对隧道掌子面前方进行地质条件探测的手段存在一定的局限性，以及施工过程与地质灾害事件密切相关的特点，在总结以往工程实践经验与理论研究成果基础上认为，隧道施工地质超前预报应采用多手段、多因素的综合预报方法，进行短距离（30～50m）、洞周1～2倍洞径范围内的预报。

4 煤层瓦斯地段隧道施工对策

1）隧道穿过瓦斯溢出地段，应预先确定瓦斯探测方法，并制订瓦斯稀释措施、防爆措施和紧急救援等措施。

2）在选择瓦斯地区的施工方法时，要求各工序间距尽量短，尽快对瓦斯地段进行衬砌封闭，并保证混凝土的密实性，以防瓦斯溢出。当开挖部分较多时，岩层暴露的总面积多，成洞时间长，洞内各工序交错分散，易使瓦斯各处积滞浓度不匀，这对施工是很不利的。因此，应尽量选择分部少的施工方法，只要条件许可，就应尽可能采用全断面开挖，因其工序简单、面积大、通风好，随挖随护，能够很快缩短煤层中瓦斯放出的时间并缩小围岩暴露面，有利于防止瓦斯。

3）加强通风是防止瓦斯爆炸最有效的办法。把空气中的瓦斯浓度吹淡到爆炸浓度以下的1／5～1／10，并将其排出洞外。有瓦斯的隧道，必须采用机械通风。通风设备必须防止漏风，并配置备用的通风机，一旦原有通风机发生故障时，备用风机能立即供风，始终保证工作面空气内的瓦斯浓度在允许限度以内。当通风机发生故障或停止运转时，洞内工作人员应马上撤离到新鲜空气地区，直至通风恢复正常，才能进入工作面继续工作。

4）采取防爆设施：①在瓦斯散发区段，使用防爆安全型的电器设备。洞内运转机械须具有防爆性能，避免运转时发生高温火花。机械施工时，要防止金属与坚石撞击、摩擦而发生火花。②采用非电毫秒爆破，并使用安全炸药，采用毫秒雷管时，最后一段的延迟时间不得超过130ms。③洞内使用防爆灯或蓄电池灯照明，只准用电缆，不准使用皮线。

5）严格执行有关制度。①严格执行瓦斯防爆的技术安全规则与有关制度。指定专人定时或随时测量洞内风流和瓦斯含量。瓦斯检查可采用瓦斯遥测装置、定点报警仪和手持式光波干涉仪。②洞内严禁使用明火，严禁将火柴、打火机、手电筒以及其他易燃品带入洞内。③进洞人员必须经过瓦斯知识和防止瓦斯爆炸的安全教育培训。抢救人员未经过专门培训不准在瓦斯爆炸后进入洞内进行抢救。位于毕节市十八村隧道，全长4980m，其中有1084m是典型的瓦斯隧道，现场实测瓦斯压力为0.2～1.34MPa。采用上述相关措施，位于扬子准地台黔北台隆遵义断拱，毕节北东向构造变形区，毕节向斜北西翼，岩层倾向南东，呈单斜产出，隧道成功地完成了施工任务。该隧道的瓦斯段支护体系采用全封闭（带仰拱）复合式衬砌，在瓦斯隧道施工中，钻眼采用湿钻，严禁采用冲击钻或干钻。炮孔的堵塞质量对提高爆破效率，减少有害气体，防止炸药爆炸时火花包泄漏起到很大作用，因此，装药完毕必须充填符合安全要求长度的炮泥，并捣实。实际用1∶3的泥沙混合炮泥，湿度为18%～20%。这种炮泥既有良好的可塑性，又具有较大的摩擦系数，炮孔深度超过1m时，要求堵塞长度不小于0.3m。对起爆母线、支线、端线和脚线的使用按煤矿爆破的要求进行控制。

5 结束语

瓦斯是地下隧道内有害气体的总称，其成分以沼气（甲烷CH4）为主，一般沼气为瓦斯。当隧道穿过煤层、油页岩或含沥青等岩层时，从其附近围岩破碎、节理发育的地层中穿过时，可能会遇到瓦斯。如果隧道内的空气瓦斯浓度达到爆炸限度，一旦与火源接触，就会引起爆炸，给隧道施工安全带来很大的危害，造成严重的经济损失。因此，在瓦斯地层中修建隧道，必须采取相应措施，才能安全顺利施工。

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