摘要：根据新建铁路沪昆客运专线玉屏至昆明段大茶山瓦斯隧道斜井施工的实践经验，详细介绍了瓦斯隧道穿越煤层段塌方处理的施工措施及控制重点，总结了瓦斯隧道过煤层段塌方处理综合技术。
关 键 词：瓦斯隧道 塌方 处理 综合技术
1.概述
瓦斯是指从底层中涌出的以甲烷为主的各种有害气体的统称。瓦斯爆炸时，最初着火（爆炸）产生以一定速度运行的火焰锋面，其后面的混合气体具有高温，同时产生压力的冲击，它们互相叠加，形成压力很高的正向冲击波。因而，在瓦斯爆炸时会产生3个有害的因素：火焰锋面、冲击波、隧道大气成分变化，这三个因素可导致人死亡、隧道和设备毁坏等恶果。
新建铁路沪昆客运专线长沙至昆明段贵州段CKGZTJ-11标大茶山隧道，起点里程为D1K906+323，终点里程为D1K916+279，全长9956m，；双线隧道，左右线间距为5.0m，纵坡为人字坡，进口至D1K912+100段设计为25.0‰的上坡，D1K912+100至出口段设计为3.0‰的下坡。斜井（XDK0+000=D1K909+000），全长1816m，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，纵坡为5%的下坡，开挖尺寸为9.0m（宽）×7.22m（高）。其中斜井XDK0+795～XDK0+000（795m），正洞D1K908+ 250～D1K909+677（1427m）穿越二叠系上统龙潭组煤系地层，岩性为灰～深灰色粉砂岩、细砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩及煤层等组成。其中长兴-大隆组含煤线及透镜状煤；龙潭组有五个煤组，含煤层及煤线5-30层，普遍有三至五层可采。属于高瓦斯隧道，工程地质条件复杂，不同程度的存在有岩溶及岩溶水、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、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。根据地表调查、大茶山斜井开挖揭示及专题研究资料：大茶山斜井工区含煤地层为二叠系上统龙潭组（P[2]l），厚约430m，岩性以灰、深灰、灰黑色泥岩、砂质泥岩、粉砂岩、细砂岩、灰岩为主，含煤（线）20余层；勘探揭示出隧道洞身主要穿越6层煤，编号分别为M1、M3、M4、M12、M15、M17煤层。
2.施工技术方案简介
大茶山高瓦斯隧道斜井XDKO+488～475段掌子面围岩极为破碎，拱顶有大量粉末状煤，在过煤层施工中形成塌方，塌方体较大，给施工带来极大的困难，施工方法为上下台阶法。经检查瓦斯浓度在可控范围内，掌子面进行出渣，有粉状煤大量涌出。只要一出渣就有大量粉状煤不断往下滑，立即停止出渣，撤出人员，加强通风。经进一步超前探测，分析研究之后，确定拱顶已经坍塌，由于拱顶上方全是粉状煤，没有稳定性。塌方段具体情况如图1所示。
图1 塌方段纵断面示意图
塌方处理措施：排放瓦斯→封闭塌腔及掌子面→加固塌方影响段→施做中管棚加强支护塌方体→开挖支护→塌腔体回填→塌方段监控量测→二次衬砌钢筋混凝土。
具体施工步骤如下：（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气密性混凝土将塌腔体及掌子面封闭，避免瓦斯涌出，影响进一步加固施工。（3）在距掌子面5m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，以便进行下步施工。（4）为防止拱顶继续往下塌，在掌子面打设双排超前小导管，小导管上仰10～15度，并注浆，进一步控制塌方。（5）为下步的施工，将掌子面前方处理平整，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）在拱架顶部施作上仰5～10度的中管棚，并注水泥浆液，中管棚末端一定要穿过全部煤层进入岩石方可凑效。因塌腔较大，里面瓦斯积聚，为防止塌腔内瓦斯涌出，所以在掌子面后50cm拱顶处，上仰30～45度打设4根Φ100足够长的钢管作为瓦斯抽排孔，在打管棚孔时，准确掌握钻孔里的瓦斯浓度，一旦掌子面瓦斯浓度超出1.0%时，撤出人员加强通风。（8）开挖支护采用上下台阶法，注意开挖进尺不能过大，每次开挖后都要进行初喷，然后安装间距为0.6m的I18钢拱架。（9）当塌方段顺利通过后，在拱顶预埋混凝土泵送管并泵送C20气密性混凝土，回填密实。（10）为确保施工的安全，当该段与掌子面有足够距离时，施作40cm厚钢筋混凝土二次衬砌。
3.塌方处理施工技术
3.1排放瓦斯
由于瓦斯比重比空气轻，且塌腔体内通风效果不良，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5m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，至将瓦斯压力降至1Mpa以下，瓦斯浓度不大于1.0%时，进入下一工序。
3.2封闭塌腔体及掌子面
由于本段之前受到较大的冲击，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，只要一出渣就有大量的粉状煤和碎石往下滑，掌子面拱顶现已形成较大的塌腔（如图2所示）。对塌腔顶部喷射C20气密性混凝土10cm，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（如图3所示）。
图2 XDK0+488掌子面 图3 XDK0+488塌腔体及掌子面封闭
3.3加固塌方影响段
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5m范围内已经完成初期支护的边墙及拱顶均径向打设Φ42*3.5mm，L=5.0m，间距为：1.0*1.0m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，以便进行下步施工，防止掌子面下滑对该段造成破坏，影响进一步的加固施工。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1.0%，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。
3.4小导管超前支护
为防止拱顶继续往下塌，在掌子面打设双排Φ42*3.5mm，L=7.0m，环向间距为0.3m超前小导管，小导管上仰10～15度，并注水泥浆液，水泥浆液按1：1调配。进一步控制塌方（如图6、图7所示）。在注浆时将掌子面再次封闭，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24h不间断检测，有情况及时向上级汇报，迅速解决。
3.5中管棚超前支护施做
3.5.1中管棚施做准备工作
为了支撑中管棚端头，打管棚孔时容易施做，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*25cm的钢筋网片，网片与钢拱架绑扎牢固。打设4m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。
3.5.2中管棚施做工艺
中管棚技术参数：（1）规格：热轧无缝钢花管，外径76mm，壁厚6mm。（2）管距：根据现场实际情况管距按30cm设置。（3）倾角：外插角一般为10°～15°，可根据实际情况调整。（4）注浆材料：水泥浆液，按1：1配制，浆液强度等级不低于M10。（5）管棚长度为8m（可按实际情况调整），两组中管棚间搭接不小于1.5m。中管棚采用热轧无缝钢管制成，管壁须钻注浆孔，孔径8～10mm，孔间距10～20cm，成梅花型布置，前端加工成锥形，锥长20cm，尾部长度不小于30cm，实际可按80cm加工，作为不钻孔的止浆段。注浆压力一般为0.5～1.0Mpa，具体浆液配合比为1：1，注浆压力为1.01.0Mpa。
3.6清理洞渣，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，然后清理下台阶洞渣，每循环进尺0.6m，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。每循环出渣完成后立即进行5cm喷射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0.6m；挂Ф6钢筋网，@25×25cm；喷射C20气密性混凝土20cm；上台阶每榀钢架每侧打设2根Ф42×3.5mm，L=3.5m锁脚锚管，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Ф100孔，2个作为回填混凝土用，距离塌腔顶面20cm，另外2个作为排放瓦斯用，距离塌腔顶面10cm。
3.7塌腔回填
在塌方段处理完成之后，为了稳定围岩，抑制塌方发展，防止瓦斯积聚，确保拱顶以上混凝土厚度，需对塌腔回填密实。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。
3.8二次衬砌
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，防水板兼做瓦斯隔离板，全环施做。
二次衬砌施工工艺：将初支面处理平整。铺设闭孔型泡沫塑料垫层，厚度不小于4mm，再铺设防水板，采用冷焊，搭接宽度不小于15cm；二衬钢筋主筋采用双层Φ18螺纹筋，@25cm，在洞外焊接合格后方可在洞内绑扎；模板使用钢模板，模板要安装牢固，定位准确，防止跑模，涨模；检查合格后浇筑40cm厚的C20气密性混凝土，浇筑过程中要振捣密实，不能出现空洞和麻面。要求其透气系数不得大于10（-11）cm/s，气密性砼配合比应根据现场采用的胶凝材料、骨料特性及气密性砼的技术要求进行调整配置，并取样检验。定期对其进行养护。
4.监控量测
在塌方段处理完成之后，作为施工通道放置时间长；围岩在应力重分布和应力释放的过程中，会引起支护结构产生位移、变形，甚至支护结构破坏，危及隧道安全。因此，在施工中建立严密的监控量测是保证安全的主要手段，同时也是调整支护参数的信息来源。应按要求布设拱顶下沉、净空收敛点，按规范要求做好量测工作。
加强该段的测量工作，保证高程、坐标以及开挖支护净空的准确性，及时记录所测数据，对监测成果进行分析，根据监控结论指导施工。
5.结语
（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）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，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。
（5）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。
【参考文献】
[1]铁路瓦斯隧道技术规范（TB10120-2002/J160-2002）【S】.北京：中国铁道出版社，2002
[2]瓦斯隧道施工技术与管理 雷升祥 吉林人民出版社，2010