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摘要：本文结合重庆市万开周家坝至浦里快速通道隧道工程实例，详细介绍了隧道在穿越煤层采空区时的设计处理对策及施工过程中的安全管理，为其他类似工程提供借鉴作用。
关键词：隧道；采空区；煤层 ；瓦斯；安全管理
前言
随着城市道路和高速公路的迅速发展，隧道工程的建设也日益增多。由于地形地貌、线路走向、勘察资料不准确等众多因素的制约，线路经过煤层采空区的情况经常是不可避免的。
隧道穿越煤层采空区时由于原有的应力场被破坏，稳定性欠佳，隧道开挖过程中容易对土体产生扰动，造成冒落带、裂隙带和整体移动带，导致隧道开挖体变形过大，对建筑物的安全和稳定性构成威胁，影响隧道安全施工及使用。另外由于煤层通常都是富含瓦斯的，在瓦斯地层中施工具有较高的危险性，特别是瓦斯地层和采空区融合在一起时，各种风险叠加，会大大增加工程的设计和施工难度。
目前，已经有许多行业内的专家和学者针对隧道穿越采空区和含瓦斯的煤层做了大施工等方面提出了很多宝贵的意见和经验。本文在已有的研究成果的基础上，结合实际项目工程对隧道在穿越瓦斯煤层的采空区时处理方案进行研究，为今后类似的隧道工程提供参考和借鉴。
1、工程概况
万开周家坝至浦里快速通道隧道工程线路总长11.594km，为重庆市的城市快速通道工程，设计速度80km/h，其中隧道长约9.23km，为双向双洞两车道设计。根据整个项目的线路走向，该隧道工程需在左线K8+094.10及K8+285.60、右线在YK8+100及YK8+279.44处穿越某煤矿的K3和K5煤线。
该煤矿于1999年投产，主要开采三叠系上统须家河组三段的K3煤层和三叠系上统须家河组五段的K5煤层，2015年停产。
根据收集的资料发现，目前K3煤线开采至+506高程，其竖向分布有+675运输大巷，+583m运输大巷、+506m运输大巷，其中+506m运输大巷位于隧道正上方。K5煤线在隧道范围内已开采至+400高程，其竖向分布有+639.15水井湾井，+512m运输大巷、+425m运输大巷，其中+425大巷位于隧道正下方，其上均为采空区。隧道与K3、K5煤线平面关系和纵断面关系如图1、2所示。
根据勘察资料，隧道穿越煤矿采空区段时，采空区水位高于隧道顶拱，采空区段施工时可能产生突水突泥或集中涌水现象。隧道在该段穿越K3、K5煤层，会有瓦斯涌出，浓度要根据现场实测。
2、隧道穿越采空区设计方案
2.1采空区处理原则
煤层采空区相对隧道所处位置分为：采空区位于隧道断面之上；采空区位于隧道断面内顶部或中部；采空区位于隧道断面底部或之下。针对这三种情况处理原则如下：
（1）采空区位于隧道断面之上的：当采空区位于隧道断面之上，特别是近水平、缓倾斜的采空区，且距隧顶较近时，必须采用加强支护，在隧道顶部设置管棚等超前支护，管棚采用钢架支撑。
（2）采空区位于隧道断面内顶部或中部：当采空区贯穿隧道并位于隧道断面顶部或中部时，先施工长管棚，在开挖至采空区时，设置2m厚C15混凝土护拱，护拱两端嵌入基岩不小于0.5m，同时，对一定范围内洞壁采用锚网喷防护。
（3）采空区位于隧道断面底部或之下：当采空区贯穿隧道并位于隧道断面底部，对于仰拱以下规模较小的采空区可采用洞渣和C15混凝土回填，采空区规模较大时，可采用桩基托梁、扩大基础等方式跨越。采空区位于隧道之下时，采用“探灌结合”的原则处理，在仰拱初期支护封闭成环后，在工字钢钢架之间布置150mm钻孔，钻孔布置顺隧道纵向间距5m，横向2.5m，压注M10水泥砂浆，注浆压力0.5～1.0MPa，如注浆时浆液消耗量大而压力无法上升时，应采用帷幕注浆。
2.2采空区充填状态分析
由于采空区对隧道施工及运营安全有较大影响，且存在集中突水可能，根据采空区内的充填状态，可分为以下几种情况。
工况一：采空区内无充填物，即隧道开挖到采空区时，地下水位位于隧道底板下，且采空区内无其他松散堆积物，如图3。
2.3采空区处理对策
2.3.1 超前地质预报
隧道在穿越煤层采空区的施工中，应严密注意围岩开挖情况，通过有效的超前地质预报手段（超前地质预报的主要方法包括地质调查法、超前水平钻探法、TSP超前地质预报、瞬变电磁仪法等），预测开挖工作面前方几米至几十米的围岩工程地质和水文地质条件，结合掘进中地质条件的变化，及时提出预报，以便有准备地做好各种预防和施工措施，保证隧道施工的顺利进行。
在众多超前地质预报的手段中，超前探孔是最为准确有效的预报手段。隧道开挖接近预计采空区位置前100m处开始探测，每循环超前探孔长20米，共布置4个超前探孔。开始探测时，先在掌子面打超前探孔1个（1＃孔），初探采空区位置。如钻孔无水，掘进10m，再进行探水。如钻孔有水，但水量小，无压力，施工2、3、4＃孔，若4个孔均水量小，无压力，掘进10m，再进行探水；若4个孔中任1孔水有压力，应停止掘进，施工排水孔。若1＃孔水量大，且有压力，应停止掘进，施工排水孔。施工单位在施工前应编制详细的施工预案，以确保在超前探水过程中的施工安全。
2.3.2 地下水及瓦斯排放
根据超前预报揭示的情况，若揭示到采空区积水时，应施工排水孔进行排水排泥，由于采空区水压较大，且地下水可能含有有毒有害气体，应做好后方初期支护，并对采空区积水采用钻孔安设孔口管及阀门实行有控状态放水，确保排水施工的安全，并对地下水的水质进行检测，若水质不能达到直接排放的标准，则应进行处理，经检测合格后方能排放。
根据超前探孔的结果，若采空区内有瓦斯气体，则立即停止施工，并施工瓦斯排放孔，按照相关要求施工瓦斯气体排放孔。
3.隧道穿越煤层段施工安全管理
3.1施工安全总则
隧道穿煤及瓦斯处治按照动态设计，动态施工的原则，具体方案为：首先在隧道开挖接近勘查成果及超前预报确定的煤系地层前20m必须通过打超前探孔探测，确定煤层的准确位置，掌握其赋存情况及瓦斯情况。根据煤层赋存情况及瓦斯状况采取相应处理措施，根据超前探孔的结果，若采空区内有瓦斯气体，则立即停止施工，并施工瓦斯排放孔，按照要求施工瓦斯气体排放孔。
3.2结构防瓦斯设计
根据《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB10120-2002)，本项目隧道为低瓦斯工区，衬砌按照三级防护。现场根据揭露煤层情况动态确定瓦斯衬砌支护的里程桩号，隧道穿越煤层及其前后各15m采用沿衬砌外轮廓满铺防水层的全封闭以隔绝瓦斯渗入隧道（瓦斯衬砌段取消环向盲沟，避免瓦斯溢出至纵向排水系统引发安全事故），沉降缝和施工缝采用止水带和膨胀水泥砂浆封堵严密，隧道初支及二次衬砌中需掺加气密剂，气密剂采用YBQK抗腐气密共效气密剂，掺量为4～6%（内掺法，等量替代水泥），喷射砼掺加气密剂后，要求混凝土透气系数不大于10-10cm/s，二次衬砌混凝土透气系数不大于10-11cm/s。
3.3水气分离装置
为了瓦斯气体通过排水系统进入隧道内部，需要在隧道纵向排水盲沟上装置水气分离装置，实现水气分流。将地下水向下排入中心水沟(或路缘边沟)，将瓦斯气体向上排入洞顶纵向瓦斯排放管。水气分离装置设置距离：瓦斯段长度小于50m的，在瓦斯段起终点各设置1处即可，瓦斯段长度大于50m的，除了在瓦斯段起终点各设置1处外，中间每隔50米设置一处。瓦斯突出处适当加密并引出洞外排放瓦斯。水气分离装置采用直弯头、三通管连接。
3.4瓦斯检测
接近突出煤层前，必须对设计标示的各突出煤层位置进行超前探测，标定各突出煤层准确位置，掌握其赋存情况及瓦斯状况。接近突出煤层前，应在距设计煤层位置20m出的开挖工作面打超前探孔一个，初探煤层位置，在局里初探煤层位置10m处的开挖工作面上打3个超前探孔，并取岩芯，分别探测开挖工作面前方上部及左右部位煤层位置，按各孔见煤、出煤点计算煤层厚度、倾角、走向及与隧道的关系，并分析煤层顶、底板岩性；在瓦斯突出工区施工时，应在距煤层垂直距离5m处的开挖工作面打瓦斯测压孔，或在距煤层垂直距离不小于3m处测开挖工作面进行突出危险性监测。
3.5瓦斯浓度管理及超限处理措施
（1）瓦斯浓度管理
按三级管理实施，即隧道内任一处瓦斯浓度低于0.3%时可正常施工，当达到0.4%时应报警，当达到0.5%时应停工检查并加强通风。
（2）瓦斯浓度超限处理措施（2）瓦斯浓度超限处理措施
3.6煤层施工要求
（1）施工工艺
隧道穿越煤层段5米前必须采取控制爆破，在穿越煤层及两侧各5m范围内可采用水力冲孔法或微震动爆破法施工。采用爆破施工时，必须采用湿式钻孔，炮眼深度不小于0.6m，确保开挖工作面附近20m风流中瓦斯浓度必须小于1.5%，爆破地点20m内，风流中瓦斯浓度必须小于 1.0%，瓦斯工区的爆破作业必须采用采用电力起爆，并使用煤矿许用电雷管，严禁使用秒或半秒级电雷管。在瓦斯工区进行爆破作业时，爆破15min后，后应巡视爆破地点，检查通风、瓦斯、煤尘、瞎炮、残炮等情况，遇有危险必须立即处理。在瓦斯浓度小于1%，二氧化碳浓度小于1.5%，解除警戒后，工作人员方可进人开挖工作面工作。
（2）施工通风
瓦斯隧道施工应采用机械通风。瓦斯工区施工中风速不宜小于1m/s，全隧道最低风速不小于0.5m/s。同时必须加强对隧道拱顶、横通道、台车内部等瓦斯易积聚处的通风工作。瓦斯突出工区应采用防爆设备，瓦斯工区内爆破作业必须使用煤矿许用炸药，采用电力起爆，并使用煤矿许用电雷管。瓦斯隧道在施工期间，应实施连续通风。
（3）电气作业与机械设备
瓦斯工区内应采用双电源线路，其电源线上不得分接隧道以外的任何负荷。瓦斯工区内固定敷设的照明、通信、信号和控制用的电缆应采用矿用一般型电缆、恺装电缆、不延燃橡套电缆或矿用塑料电缆。
（4）加强瓦斯检测
低瓦斯工区瓦斯检测可采用人工检测，隧道施工时必须按照有关规定，配足瓦斯监测员，瓦斯监测员必须佩带便携式光学瓦斯检定器；瓦斯监测员必须经过专门培训，并且经考核合格取得安全资格证和上岗操作资格证，并持证上岗。必须严格执行“一炮三检”制度和“三人连锁”放炮制度。“一炮三检”、“三人连锁”由瓦斯监测员、班组长和放炮员共同执行，瓦斯监测员必须做好记录。
4、结语
以实际工程为例，对隧道穿越采空区的设计方案和穿越瓦斯的施工安全进行了系统总结，本工程目前已经顺利通过了采空区，因此该隧道的设计方案和安全施工措施具有借鉴意义，可为后续类似工程提供参考。
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论文作者:曾志凯
论文发表刊物:《基层建设》2017年6期
论文发表时间:2017/6/14
标签：采空区论文; 瓦斯论文; 隧道论文; 煤层论文; 超前论文; 工区论文; 断面论文; 《基层建设》2017年6期论文;