沪昆铁路瓦斯隧道塌方处理技术

俞冬晓

(中铁二十局集团第一工程有限公司, 江苏苏州 215000)

沪昆铁路瓦斯隧道塌方处理技术

俞冬晓

(中铁二十局集团第一工程有限公司, 江苏苏州 215000)

以新建沪昆客专贵州段CKGZTJ-11标大茶山隧道斜井高瓦斯及瓦斯突出工区施工为例，结合大茶山隧道高瓦斯洞段围岩极破碎且易造成塌方的实际情况提出了“先封闭释放、再加强支护、后塌腔回填”的总体方案以及相应塌方处理施工瓦斯控制原则。实践证明，此项技术可安全通过塌方洞段，较好控制软弱煤层围岩的变形收敛，防止煤与瓦斯突出事故的发生并确保安全有效推进瓦斯隧道施工作业，为今后类似工程提供了有益的借鉴和指导。

铁路隧道； 瓦斯； 塌方； 施工技术

新建沪昆客专贵州段CKGZTJ-11标大茶山隧道位于关岭～普安区间，双线隧道，左右线线间距为5.0 m，纵坡为人字坡，全长9 956 m。大茶山隧道斜井(XDK0+000=D1K909+000)，全长1 816 m，位于线路左侧，与线路小里程方向夹角为31.5°，采用无轨双车道运输。其中斜井XDK0+795～XDK0+000(795 m)，正洞D1K908+250～D1K909+677(1427 m)，穿越二叠系上统龙潭组煤系地层，属于高瓦斯隧道，工程地质条件复杂，不同程度的存在煤与瓦斯突出、岩溶及岩溶水、顺层偏压、地应力及岩爆等不良地质，特殊岩土为石膏。综合评价本隧工程地质条件较差，因此为全线重点、难点及控制工期工程，施工中遵循“科学、合理、动态”施工极为重要。斜井XDKO+488～475段坡度为6 %的下坡，施工方法为上下台阶法，掌子面围岩极为破碎，拱顶有大量粉末状煤，在施工过程中已出现严重塌方，给施工带来了极大的困难。因此，必须对瓦斯塌方处理方法及参数进行研究，提出切实可行的对策以保证工程顺利进行。

1 塌方及其原因分析

瓦斯隧道在揭煤过程中特别是穿越断层破碎带时很容易发生塌方事故，应迅速探明塌方情况及基本特征。主要了解塌方发生时间、里程、塌方范围、塌方体特征、地质条件及围岩变形、瓦斯浓度、支护变形等情况。

(1)地质原因。由于地质条件的复杂多变，地下工程难免会通过褶皱构造、断层、节理裂隙发育地带产生塌方；由于围岩本身不稳定和已切割成碎片而强度低而导致结构松散，节理面有泥质物及岩屑充填；由于支护的不及时而暴露时间过长，会导致围岩风化严重；或因通过断层，突然遇到较高水压富水洞段，地下水向洞室内漏出，淘空了断层构造带中破碎岩体和充填物时；或由于岩层产状不利或因岩爆等诸多地质原因而产生不同程度的塌方。

(2)人为因素。在施工过程中，一些施工人员对地下工程所通过的地质情况不了解，忽视围岩细微变形，对围岩自稳能力作过高的估计，对不良地质洞段没有采取合理的开挖方法；或支护不及时，在开挖时，爆破对围岩的扰动过大，开挖后令围岩暴露时间过长，风化程度加剧；或由于设计不当，中途进行二次扩挖和更换支撑，造成应力再次重分布，使得原来不应塌方洞段，因岩体的失稳而产生塌方。

为了进一步了解塌方体基本特征，还可以采用地质预报的手段对塌方体进行检测。隧道塌方断面如图1所示。

(a)塌腔体横断面

(b)塌腔体纵断面

2 塌方处理及加固方案

瓦斯隧道在揭煤过程中一旦发生塌方事故，应该立即启动应急预案进行抢险救护，防治事态扩大。参考隧道工程技术[1-3]，塌方处理的总体指导思想是先封闭释放控制瓦斯溢出，排出塌腔内积聚瓦斯；再加强支护稳定围岩，加固塌方影响段；后塌腔回填固结塌方体。稳步推进，安全施工。塌方处理流程见图2所示。

图2 瓦斯隧道塌方处理流程

施工步骤如下：

(1)加强通风及瓦斯监测，确保在每一步施工过程中瓦斯浓度不高于0.5 %。

(2)采用C20气密性混凝土将掌子面封闭，避免瓦斯涌出，影响进一步加固施工。

(3)在距塌方体边缘5 m范围内已经完成初期支护的边墙及拱顶均打设花钢管，并注水泥浆液，加强该段的稳定性。

(4)为进一步控制塌方及保证下步中管棚施工，在掌子面打设双排超前小导管,并注浆。

(5)将掌子面塌方掉落碴体处理平整，然后将小导管外露部分及拱顶采用C20气密性喷射混凝土喷射密实。

(6)为了中管棚的施作，紧贴掌子面安装两榀并排钢拱架，并采用C20气密性喷射混凝土喷射密实。

(7)在拱架顶部施作中管棚，并注水泥浆液，中管棚末端要打入岩石。因塌腔较大，里面瓦斯积聚，为防止塌腔内瓦斯涌出，打设钢管作为瓦斯排放孔。在打管棚孔时，准确记录钻孔里的瓦斯浓度，一旦掌子面瓦斯浓度超出1.0 %时，撤出人员加强通风。

(8)开挖出碴时注意进尺不能过大，每次开挖后都要进行初喷，然后安装0.6 m/榀钢拱架。

(9)对塌方影响段靠掌子面侧加强支护。当这段塌方顺利通过后，泵送C20气密性混凝土。

(10)为确保施工的安全，当该段与掌子面有足够距离时，施作40 cm厚二次衬砌。

3 塌方现场处理施工工序

依据隧道施工技术[4-6]，确定沪昆铁路瓦斯隧道塌方处理施工工序。

3.1 排放瓦斯

由于瓦斯比重比空气轻，在塌腔体内容易形成通风死角，造成长期释放出的瓦斯在塌腔内严重聚积，浓度极高，在处理掌子面塌方前必须排出塌腔内的瓦斯。将高压风管接入塌腔体内，将通风管接到距离掌子面小于5 m的位置，检查洞内瓦斯自动监控设备，确保处于良好的工作状态，然后同时开启洞外空压机及通风机(高档位)，将塌腔内的瓦斯排出洞外，瓦斯浓度降低到规定值以下方可进入洞内施工。

3.2 初步控制塌方

由于该段围岩极为破碎，煤段已成为粉末状，所以掌子面稳定性极差。对塌腔顶部喷射C20气密性混凝土10 cm，封闭塌腔壁，防止坍塌、掉块及瓦斯释放等。若作业空间过小不方便直接喷射，可先清理一部分渣体之后在喷混凝土封闭。由于塌方段大部分含有煤层，围岩自稳能力极差，要安全通过塌方段，需要预先对塌方段靠洞口方向的影响区域进行加固，防止在施工时塌方范围向洞口方向延伸扩大，在塌腔处靠洞口方向约5 m范围内已经完成初期支护的边墙及拱顶均径向打设φ42×3.5 mm，L=5.0 m，间距为1.0×1.0 m呈梅花型布置的花钢管，径向注水泥浆液，加强该段的稳定性(图3)。在此施工过程中加强通风，密切关注瓦斯浓度，加强瓦斯监控，将瓦斯浓度降在可控范围内，瓦斯浓度一旦超过0.5 %，立即停止施工，将人员安全撤出，启动两台通风机，降低瓦斯浓度。

图3 塌方影响段径向注浆

3.3 进一步加强支护

为防止拱顶继续往下塌，在掌子面打设双排φ42×3.5 mm，L=5.0 m，环向间距为0.3 m超前小导管，小导管外插角10°～15°,并注水泥浆液，水泥浆液按1∶1调配(图4)。在注浆前将掌子面再次封闭，避免注的水泥浆从掌子面流出，起不到固结的效果。在打设小导管时瓦斯探头安装在靠近掌子面的拱顶上，专项观测人员要随时掌握瓦斯监控数据，人工检测要24 h不间断检测，有情况及时上报解决。

(a)设计位置布置

(b)实际位置布置

3.4 中管棚超前支护预加固施做

3.4.1 中管棚施做准备工作

为了支撑中管棚端头，施做管棚孔时容易施做，紧贴掌子面安装两榀I18型并排钢拱架，安装牢固，定位准确，安装φ6、间距25×25 cm的钢筋网片，网片与钢拱架绑扎牢固。打设4 m双层锁脚锚管，加强该拱架的稳定性，最后采用C20气密性喷射混凝土喷射密实。

3.4.2 中管棚施做工艺

采用外径76 mm、壁厚6 mm的热轧无缝钢花管，间距按30 cm设置，外插角一般为10°～15°，可根据实际情况调整。采用水泥浆液，按1∶1配制，浆液强度等级不低于M10。管棚长度为8 m(可按实际情况调整)。钻进地层易于成孔时，宜采用引孔顶入法；不宜成孔时，可采用跟管钻进工艺，灵活掌握施做工艺。管棚节间用丝扣连接。管棚单、双序孔的连接丝扣宜错开半个节长。管棚安装后，管口应封堵钢管与孔壁间空隙，连接压浆管。管棚注浆前，宜将开挖工作面用气密性喷射混凝土封闭(图5)。

(a)设计位置布置

(b)实际位置布置

3.4.3 中管棚施做注意事项

在管棚施工中施工人员及管理人员均应提高安全防护意识。管棚钻孔时应随时检测孔内瓦斯浓度，洞内瓦斯浓度超过0.5 %时，应立即撤出施工人员停止施工，进行瓦斯排放。如若塌腔内瓦斯浓度过高应采取埋设2根φ100钢管将空腔内瓦斯排出，确保瓦斯浓度在可控范围内。中管棚支护施作完成后，开挖过程中应加强监控量测，其中拱顶下沉和净空变化为必测项目。根据监测反馈信息及时采取相应的措施以保证施工安全和施工质量。

3.5 清理洞碴，进行初期支护

将洞碴分为上、下两个台阶进行清理，先清理上台阶洞碴，然后清理下台阶洞碴，每循环进尺0.6 m，清完碴后及时修整塌腔体面，在出渣过程中喷淋洒水降低煤尘。

每循环出碴完成后立即喷射5 cm C20气密性混凝土，然后开始进行初期支护，支护参数为：I18拱架，纵向间距0.6 m；挂φ6钢筋网，@25×25 cm；喷射C20气密性混凝土20 cm；上台阶每榀钢架每侧打设2根锁脚锚管，采用φ42×3.5钢管，L=3.5 m，注浆密实。上台阶初期支护全部完成后开始清理下台阶洞碴，施工下台阶初期支护。

在拱顶背后预留4个φ100孔，2个作为回填混凝土用，距离塌腔顶面20 cm，另外2个作为排放瓦斯用，距离塌腔顶面10 cm(图6)。

图6 打设瓦斯排放孔

3.6 塌腔回填

在塌方段处理完成之后，为了防止拱顶可能再次坍塌，防止瓦斯聚积，需要对塌腔回填混凝土，通过预埋管向塌腔内泵送C20气密性混凝土，回填过程中另一预留管作为排气及排放瓦斯通道。

3.7 二次衬砌

为了确保施工安全，加强该段的稳定性，在塌方段通过后有足够施做二衬的距离时，及时施作二次衬砌。模板安装合格后浇筑厚度为40 cm的C20气密性混凝土。

现场处理施工结果表明，围岩在应力重分布和应力释放过程中在一定程度上引起了支护结构产生位移和变形，但监控量测数据显示拱顶下沉和净空收敛均能保证在安全范围内。

4 结论

(1)在处理瓦斯隧道塌方段时应注意瓦斯排放，加强通风，将瓦斯浓度稀释至正常值。

(2)中管棚打设末端要顶入岩层中，注浆要密实。

(3)要安装瓦斯排放管，将塌腔内瓦斯排出，不能使其聚集在塌腔内。

(4)加强监控量测工作，及时分析成果，指导洞室支护参数及二衬的施作，有效保证洞室的安全。

(5) 在煤层地质条件发生变化且隧道围岩变形较大或突变时，必须尽快调整闭合时间，否则非常容易引起塌方。

(6)按照给出的塌方处理的先封闭释放控制瓦斯溢出，排出塌腔内积聚瓦斯；再加强支护稳定围岩，加固塌方影响段；后塌腔回填固结塌方体及稳步推进的总体指导思想和塌方处理工序可以保证高瓦斯洞段塌方安全通过。

(7)由于瓦斯及爆破施工条件影响，塌方工艺与安全控制技术应与揭煤防突技术统筹兼顾。

[1] TB 10120-2002 铁路瓦斯隧道技术规范[S].北京：中国铁道出版社，2003.

[2] 铁建设[2010]241号 高速铁路隧道工程施工技术指南[S].北京：中国铁道出版社，2011.

[3] TB 10304-2009 铁路隧道工程施工安全技术工程[S].北京：中国铁道出版社，2009.

[4] 国家安全生产监督管理总局. 煤矿安全规程[S].北京：煤炭工业出版社， 2011.

[5] 国家安全生产监督管理总局. 防治煤与瓦斯突出规定[S].北京：煤炭工业出版社， 2009.

[6] 雷升祥.瓦斯隧道施工技术与管理[M].长春：吉林人民出版社，2010: 137-139.

俞冬晓(1983～)，男，本科，工程师，从事隧道工程施工技术与管理工作。

U458.3

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[定稿日期]2017-08-07