隧道穿越煤系地层的施工风险

刘玉贤，谢忠球

(中南林业科技大学 土木工程学院，长沙414004)

在公路隧道建设中，由于条件限制，有时不得已要穿越煤系地层﹒煤系地层作为一种特殊的岩土体，其岩质偏弱、结构破碎、遇水易软化、工程力学性能较差；同时，其中富含瓦斯气体，对隧道施工的安全构成了极大的威胁﹒此外，有开采历史的煤系地层中往往存在着采空区，这也是隧道施工安全的重要隐患﹒由于煤系地层的上述特点，导致穿煤隧道的施工难度大﹒基于此，该问题已然成为隧道施工领域的重要研究方向﹒韩光钦[1]结合贵州盘兴高速中的穿煤隧道，分析了隧道施工过程中潜在的瓦斯突出和采空区坍塌风险，进而提出了相对应的施工措施﹒晏启祥等[2]在分析沪昆高速某煤系地层隧道建设条件的基础上，采用层次分析法对该隧道瓦斯爆炸和采空区失稳的风险因素进行识别﹒叶飞等[3]对郭家川二号穿煤隧道的施工风险进行了综合分析，在此基础上提出了针对性的风险规避措施，同时考虑采空区位置分布情况对隧道结构受力的影响﹒目前，针对煤系地层中的隧道施工研究主要集中在瓦斯和采空区2个方面，对煤层的工程力学性质考虑较少﹒鉴于此，本文结合实际隧道工程，在分析煤层典型特点基础上，对穿煤隧道的潜在施工风险源进行识别，采用层次分析法、专家调查法和模糊综合分析法对该隧道施工风险进行计算分析，并提出风险控制措施，旨在为提高穿越煤系地层隧道施工技术提供理论支撑﹒

1 工程概况

贵州省某高速公路隧道为分离式长隧道，左幅隧道起讫桩号为ZK14+155～ZK15+570，全长为1 415m，最大埋深约235 m；右幅隧道起讫桩号为YK14+170～YK15+565，全长为1 395m，最大埋深约262 m﹒隧道场区露出地层岩性包括第四系残坡积层粉质粘土、三叠系下统夜郎组泥岩、二叠系上统长兴组灰岩及二叠系上统龙潭组粉砂质泥岩夹煤﹒ZK141+550～ZK141+720(YK141+ 516～YK141+718)段隧道穿过煤系地层，见图1﹒

图1 隧道穿煤段平面图

据调查，该区域范围分布有30处煤洞，系当地村民私采滥挖所为，开采年限为1995—2010年，大部分井口已封闭掩埋﹒煤洞宽度为1.2～2.0m，高度大约在1.5～2.5 m，埋深20～50 m不等，整体朝向北侧，沿岩层倾向开采，并形成了平面长约260 m、宽约400 m的煤窑群采空区﹒采空区对地表造成了严重破坏，导致地表有多处塌陷坑，场地稳定性差﹒

采取S-ZK1深孔揭露的代表性煤样，对其进行室内瓦斯含气量测试，测试结果见表1﹒

表1 S-ZK1钻孔瓦斯含量测试结果

对S-ZK1钻孔的煤层瓦斯压力进行测试，得到其瓦斯压力达0.12MPa，测试结果见表2﹒

本次瓦斯压力测试段落为S-ZK1，钻孔深度40.0～40.5 m，隧道穿煤段的埋深在120 m左右，该埋深大于测试段落深度﹒考虑到瓦斯压力随煤层埋深的增加有增高的趋势，在隧道埋深范围内的瓦斯压力应高于S-ZK1的测试结果﹒

2 风险源分析

根据上述分析，该隧道穿煤段的瓦斯具有含量高、压力大的特点，施工中应尤为注意﹒同时，该段煤层为二叠系上统龙潭组粉砂质泥岩夹煤，其岩质偏弱，结构破碎，遇水易软化，工程力学性质差﹒该段隧道施工中存在着诸多潜在的风险，具体分析如下﹒

2.1 揭煤突出风险

揭煤突出是指煤层和瓦斯在隧道开挖过程中突然通过掌子面向隧道空间大量突出的现象，其一般发生在高瓦斯煤系地层中﹒

根据S-ZK1的揭露，本隧道的瓦斯压力为0.12 MPa﹒在隧道钻爆施工过程中，爆破产生的冲击波将破坏掌子面附近围岩的整体结构，使其突然破碎并向掌子面后方抛出﹒此时，若掌子面前方围岩自稳能力较差，无法抵抗煤层的瓦斯压力及地应力的挤压作用，深部煤层可能会跟随掌子面岩土体一同向隧道内喷出，进而引发施工安全事故﹒

2.2 瓦斯爆炸风险

瓦斯爆炸发生的基本条件有：浓度介于5%～16%的瓦斯、温度介于650 ℃～750℃的引火温度以及不低于12%的氧气浓度﹒根据S-ZK1 的揭露，本隧道的瓦斯含量为1.3 cm3·g-1﹒在隧道施工过程中，煤层中的瓦斯必然会沿着围岩内部的节理裂隙向隧道内溢出，如果隧道内施工通风不到位，且对烟火管制不严格，极有可能达到瓦斯爆炸的条件，进而引发重大安全事故﹒

2.3 煤层大变形风险

围岩大变形是指作用在岩体上的外力超过了岩体自身的屈服强度，进而导致围岩发生塑性破坏的过程﹒本隧道穿煤段围岩为粉砂质泥岩夹煤，岩质较软，遇水易软化，抵抗外力的能力相对较差﹒如果隧道施工过程中支护不及时或隧道施工临时排水不到位，发生初支变形侵限的可能性较大，并可能引发隧道施工安全事故﹒

2.4 煤层塌方风险

隧道的开挖即是对周边围岩原始状况的破坏，进而不可避免地将发生围岩应力重分布，此过程可能诱发围岩内部的软弱结构面产生松弛剥离现象，进而导致隧道周边岩土体向隧道空间范围内大量塌落﹒上述现象被称之为隧道塌方，其整个发育过程可简要概括为如下几个阶段：隧道洞身开挖；围岩应力重分布；围岩及支护结构破坏失稳；隧道塌方﹒

本隧道穿煤段围岩为粉砂质泥岩夹煤，节理裂隙较发育，岩体破碎，整体呈碎裂状松散结构，围岩自稳能力差，若没有适当的支护易发生掉块乃至塌方事故﹒同时，该段落存在煤层采空区，其作为围岩内部的临空面，给深部围岩的松动破坏提供了可能﹒如果隧道钻爆开挖对围岩扰动过大，且超前预支护不到位，则很可能引发隧道掌子面塌方﹒同时，若隧道支护结构不当，衬砌背后存在空洞，也可能导致已施作衬砌段发生塌方﹒

2.5 煤层突水涌泥风险

突水涌泥是指当隧道施工揭露了岩溶通道、积水的采空区等富水的地质构造时，或者地下水在自身压力和土压力作用下击穿隧道支护结构，进而出现水流或泥流向隧道内突然涌出的情况﹒本隧道的煤洞位于隧道上方，其下方隧道爆破开挖将对周边围岩产生较大的扰动，并可能导致上部积水老煤窑底板岩层的垂向裂隙、节理与下部隧道连通，进而带来高能涌水的重大安全风险﹒

3 风险等级确定

3.1 风险评估指标体系

该隧道穿越煤层过程中存在的风险事件包括揭煤突出、瓦斯爆炸、大变形、煤层塌方及突水涌泥等，由此构建其风险评估指标体系，见图2﹒

图2 风险评估指标体系

3.2 风险评估指标权重分析

在上述工作的基础上，进行风险评估指标权重分析，具体过程如下﹒

1)建立判断矩阵A﹒在调研分析该隧道穿越煤层情况、采空区分布情况及煤层瓦斯测试结果等基础上，并借鉴以往类似工程施工经验，参与该隧道建设的专家构建判断矩阵，见表3﹒

2)计算特征向量W﹒根据构建的判断矩阵A，计算求解其特征向量W﹒

表3 风险判断矩阵

3)判断矩阵的一致性检验﹒在上述计算的基础上，对判断矩阵A的一致性进行分析，具体过程如下：

上述结果表明，判断矩阵A能够反映风险事件的真实性，并进而根据其特征向量W确定出各风险的指标权重，具体如表4所示﹒

表4 总体风险指标权重

3.3 风险等级模糊综合评估

采用专家调查法对该穿煤隧道施工过程中各风险事件的风险等级进行评估，结果见表5﹒

表5 风险事件风险等级专家调查汇总

根据专家调查结果，构建风险等级评判矩阵Ri=[rij]﹒

根据最大隶属度原则，确定该隧道在穿越煤系地层段的总体施工风险等级为Ⅲ级﹒

4 风险控制措施研究

结合本隧道的工程情况，并总结类似隧道的施工经验[4-8]，提出如下针对性的施工措施﹒

1)做好超前地质预报﹒现有的超前地质预报手段全面，实际工程中最常使用的有GPS、TSP、TEM 及超前钻孔4种，通过上述4种预报手段的组合使用，长、中、短距离的相互补充，可实现对前方围岩情况的精准预报，从而准确判断出煤层、采空区及富水区的位置，为后续施工提供详细的地质信息﹒

2)做好超前预支护措施﹒洞身段常规的预支护措施主要是在隧道拱部范围打设超前小导管或超前大管棚，通过管体及其注浆浆液对掌子面前方围岩进行预加固，防止掌子面开挖过程中发生塌方，并有利于后续支护结构的施工﹒

3)做好煤层瓦斯的含量测定工作，并根据测定结果制定相应的瓦斯抽放工作，从而有效降低掌子面前方围岩的瓦斯压力，确保施工安全﹒

4)做好隧道内瓦斯浓度的检测工作，并加强隧道内的施工通风；同时，加强隧道的烟火管理工作，应在隧道洞口处设检查站，对所有进入隧道内的人员和车辆进行烟火检查﹒

5)施工过程中的机械设备均应按瓦斯隧道的要求选用防静电、防爆型，同时施工爆破所用的雷管和炸药也应选用煤矿许用类型﹒

6)隧道应采用机械开挖或控制爆破，以尽量减少对隧道围岩的扰动﹒

7)选择合适的隧道开挖方法﹒一般而言，煤系地层所对应的围岩级别大多为Ⅴ级，故而应采用诸如环形开挖留核心土法、侧壁导坑法等分部开挖法，在保证掌子面稳定的情况下，有序进行开挖施工﹒

8)严格控制开挖步距﹒隧道规范对于开挖步距有严格的要求，实际施工应严格遵守规范要求，尽可能早的封闭围岩，并及时施工仰拱和二衬，防止煤层大变形的出现﹒

9)选择恰当的支护参数﹒针对初期支护，可考虑增大工字钢的型号或加密工字钢的间距，以提供初期支护抵抗围岩变形的能力﹒同时，若围岩的拱顶沉降量较大，可考虑加强工字钢的锁脚锚杆或采用扩大拱脚的措施﹒此外，加强系统锚杆的注浆效果能有效改善围岩条件﹒关于隧道二次衬砌，则可从混凝土标号、二衬厚度及配筋等方面进行结构加强﹒

10)做好隧道监控量测工作﹒通过监测结果判断围岩和初期支护结构的变形情况，进而采用调整预留变形量或加强初支强度等方式控制围岩收敛变形﹒

11)做好洞内临时排水措施，将洞内积水及时排出隧道，严禁洞内积水长时间浸泡拱脚﹒

5 结论

1)该穿煤隧道在施工过程中存在着揭煤突出、瓦斯爆炸、煤层大变形、煤层塌方及突水涌泥等施工风险﹒

2)结合本隧道的建设条件，通过风险评估计算求得该隧道的总体风险等级为Ⅲ级，施工风险较大﹒

3)穿煤隧道在施工过程中要做好超前地质预报、超前预支护、瓦斯检测、烟火管控、控制爆破、监控量测及洞内临时排水等工作，并应根据隧道围岩情况选择合适的开挖方案和支护参数﹒