摘要：煤系地层隧道施工常常导致开挖过程中的局部坍塌，初步支护后的掉块、开裂、变形、失稳等现象，严重阻碍隧道安全快速的施工。新余绕城公路花鼓山隧道处于复杂煤系地层，存在偏压、破碎带、涌水等不良地质现象，围岩稳定性和自稳能力极差，隧道口成洞难，施工难度大。目前国内外在煤系地层中修建隧道的设计和施工经验均较少，为了提高软弱煤系地层隧道施工水平，预防围岩变形和坍方，确保施工安全，本文在充分调研和测试基础上开展复杂煤系地层公路隧道安全高效施工关键技术研究，有效保证隧道安全快速施工。
关键词：煤系地层；公路隧道；施工技术
1.引言
煤系地层是指含煤的地层，煤层成形后又经过了长期的构造变化，其中由软弱岩体形成的层间滑移构造则是导致煤层结构多变的重要原因，而根据煤的含量、煤性、层数、层厚、倾角、走向不同，煤层的力学性态也随之改变，其对隧道掘进期间的围岩稳定性影响也具有差异。煤系岩层属于软弱岩层，不仅给隧道建设带来了巨大的不便，而且直接危及人员的生命安全和机械设备的安全。尤其是在隧道开挖过程中，由于围岩应力重分布，使一部分岩体处于加载状态，一部分处于卸载状态，而煤系岩层往往会出现较大的塑性区，从而引起随时间而增长的大变形，挤压破坏，而在这个过程中，如遇地下水侵泡，隧道拱顶往往更易于坍塌，拱腰出现较大的水平变形，底板出现底臌等现象，给隧道建设带来极大的安全隐患[1-2]。
新余绕城公路花鼓山隧道处于构造剥蚀低丘地区，山体连绵起伏，山体植被发育，地下水较丰富；该隧道区为三叠系下统安源组（T3an）砂岩、页岩夹煤层，局部为二叠系茅口组角砾状灰岩、灰岩、炭质灰岩，砂岩、页岩夹煤层和炭质灰岩构造及风化裂隙发育至较发育，岩体破碎至较破碎，属复杂煤系地层。隧道成洞性差，围岩稳定性差，在隧道施工过程中容易产生掉块等现象。受区域构造的影响，构造裂隙深切岩体，也降低了围岩稳定性。同时该地层构造裂隙水较发育，存在涌水突泥等不良地质灾害，尤其煤层层数多，厚度不等，倾角陡缓不一，煤层强度低，坚固性系数较小，富水软弱的煤系地层隧道结构初期支护变形大，开挖易塌方，对施工非常不利。我国隧道建设起步较晚，在煤系地层中修建隧道，揭煤技术的设计和施工经验均较少[3-4]，煤系地层围岩稳定与变形、安全处治和施工技术与设备配套这三项的经验缺乏，相应的研究还处于探索阶段，较晚的起步和较落后的施工工艺严重了我国穿煤隧道的施工质量和安全。综合研究找到一套高效安全的施工防止手段和管理方案，从而减少安全事故的频发机率，提高生产效率，因此针对新余绕城公路花鼓山隧道进行复杂煤系地层公路隧道安全高效施工技术研究，具有重要的时代背景和研究价值。
2.隧道施工关键技术研究
图1 花鼓山隧道总体施工工艺流程图
花鼓山隧道是一座上下分离的四车道高速公路中隧道。花鼓山隧道的起讫里程桩号为：左洞ZK22+590～ZK23+367，长777米，右洞YK22+574～YK23+360，长786米，左右洞相距约20米。按照重要部位划分，可分为洞口施工、主洞施工、人行横道施工及明洞施工。严格按照“管超前、短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤测量”的原则组织施工，以“安全生产”为核心，强化配置“超前地质预报”、“开挖钻爆”、“通风排烟”、“装碴运输”、“锚喷支护”、“防水衬砌”几条机械化作业线。以先进的大型机械设备配套和技术手段为基础；以科学管理、合理组织为手段，在Ⅲ级围岩地段突出一个“快”字，在Ⅳ、Ⅴ级围岩及断层、岩爆、软岩大变形、浅埋等不良地质情况施工地段，做到一个“稳”字，确保工期、质量、安全、效率各项目标的实现。总体施工工艺流程图如图1所示。
3.揭煤防突技术措施
3.1 防治煤（岩）与瓦斯突出措施
防突措施应在距突出煤层最小法向距离5m前的位置进行。防治煤（岩）与瓦斯突出工程措施包括排放钻孔、预抽瓦斯、超前管棚、煤体注浆加固或其它经试验证明有效的措施。
防治煤（岩）与瓦斯突出措施宜优先采用钻孔排放。钻孔排放瓦斯应对具有煤（岩）与瓦斯突出地层的钻孔排放瓦斯进行设计。设计内容主要包括：煤层赋存状况、煤层参数、预测时的各项指标、排放范围、钻孔排放半径、排放时间、排放孔个数、每孔长度和角度、排放孔施工及排放期间的安全措施等。
3.2揭煤与掘进
揭煤爆破应满足下列要求：1）隧道开挖工作面揭开具有突出危险性煤层时，应在隧道外起爆。2）应采用洞外远距离爆破，人员躲在专设避险洞、横洞或另外一幅隧道内等安全位置。3）揭煤爆破工作面距煤层的最小垂距为急倾斜煤层2m、倾斜和缓倾斜煤层1.5m。
揭开不同倾角、厚度的煤层宜采用下列方法：1）急倾斜和倾斜的薄煤层（厚度小于0.3m），应一次揭穿煤层全厚；2）急倾斜和倾斜的中厚、厚煤层，一次揭煤深度宜为0.5～1.0m；3）缓倾斜煤层，应一次揭开最小保护厚度的岩柱。
在半岩半煤和全煤层中掘进应符合下列要求：1）揭开具有煤（岩）与瓦斯突出的煤层后，应检验开挖工作面前方煤（岩）与瓦斯突出的危险性，应始终保持工作面前方有5m的超前安全距离。检验时任一指标达到或超过突出危险的临界值时，应采取补充防突措施，直至效果检验有效。2）每次循环进尺不宜超过1.5m，在全煤层中爆破掘进时应少钻孔、少装药。3）在半煤半岩中掘进应在岩石炮眼中装药，其总药量应为普通爆破药量的1/3～1/2，煤层中如煤质坚硬，需爆破时可采用松动爆破。4）软弱破碎围岩或过煤层段，应采用超前支护或预注浆，防止坍塌，引发突出。
4.结论
（1）本文围绕隧道施工工艺与合理工程控制措施问题进行研究，尽快有针对性地解决当前煤系隧道建设过程中的软弱地层防塌、揭煤技术等关键技术，规避煤层围岩大变形甚至坊塌等风险，保障工程建设的安全、快速、质量。
（2）尽管众多学者从不同角度对煤系地层软弱隧道围岩的变形特征、大变形问题、围岩稳定性分析计算、围岩支护理论及支护技术进行了大量的研究，并且应用于隧道工程实际，解决了许多具体的工程问题，但是受隧道所赋存工程地质环境差异性大的影响，隧道开挖后围岩的变形特征也不尽相同，导致隧道围岩变形和支护的理论研究和工程应用还存在诸多问题，煤系地层隧道施工技术与安全控制研究还待进一步开展。
参考文献：
[1]齐甦，杨军，张烨等.钟公隧道煤层段围岩变形分析和应对措施[J].人民长江，2010，（03）：81-83.
[2]陈凌云.公路穿煤隧道揭煤施工过程中岩柱稳定性分析.[D].重庆大学，2009.
[3]张金光.大断面富水煤系地层公路隧道开挖施工技术[[J].山西建筑，2010，10：303-304.
[4]高建国.软弱煤系地层下铁路双连拱隧道设计[[J].工程建设与设计，2011，04：149-153.
论文作者:张海波1,刘国伟1,刘晓龙1,潘会君2,朱孜戈2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第26期
论文发表时间:2019/12/17
标签：隧道论文; 煤层论文; 围岩论文; 地层论文; 瓦斯论文; 花鼓论文; 新余论文; 《基层建设》2019年第26期论文;