大斷面低瓦斯黃土隧道施工安全風險控制技術

魏力立

(中鐵二局第三工程有限公司, 四川成都 610031)

我國的黃土主要分布在甘肅、寧夏、山西、陜西、內蒙古等省市自治區，呈東西走向帶狀分布，約占全國陸地面積的6.6 %，是我國北方工程建設中不可避免遇到的特殊土[1-4]。按照黃土形成年代，黃土可分為老黃土和新黃土；按照黃土遇水特性，黃土又可分為濕陷性黃土和非濕陷性黃土[2]。一般新黃土具有濕陷性，對工程建設極為不利。我國在黃土地區修建了大量的鐵路和公路，修建技術不斷發展，并且建立了相應的黃土隧道襯砌設計理論和標準圖[5]。

瓦斯是隧道工程建設的又一主要安全危害源，主要表現為瓦斯窒息、瓦斯燃燒與爆炸、煤與瓦斯突出三種類型。在國內外隧道建設史上，曾發生過許多重大瓦斯事故，造成了慘重的人員傷亡和巨大的財產損失[6]。

黃土隧道出現瓦斯時，將極大地增加隧道建設風險，尤其是隧道施工的安全風險。本文將結合具體工點研究制定大斷面低瓦斯黃土隧道的施工安全風險控制措施，并在實際工程中驗證措施的有效性。

1 工程概況

綏延高速公路老林山隧道位于陜西省榆林市清澗縣，地處黃土高原東端，為雙車道分離式長隧道：左線長1 108 m，起止里程ZK48+421～ZK49+529，隧道最大埋深約155.4 m；右線長1 288 m，起止里程K48+200～K49+488，隧道最大埋深約138.8 m。

隧道進出口均位于黃土梁沖溝，綏德端洞口位于向陽溝支溝上游接近溝腦，延川端洞口位于馬家溝支溝上游接近溝腦，隧道體呈北東-南西向。洞口V級圍巖加強段設計采用CD法施工。洞口加強段圍巖為Q3eol4-12新黃土與Q3eol5-12老黃土，老黃土土質較致密，軟塑～堅硬，垂直節理較為發育，新黃土具有自重性,自穩能力差，開挖過程時處理不當洞口易出現坍塌。左線進洞口處發育有崩塌體，長約27.5 m，寬約73.2 m，高差14 m，體積約為2 100 m3，為中型黃土質崩塌，結構疏松，為黃土沿其節理崩塌而成，崩塌體對洞口的穩定性影響較大。

隧道進口周家圪嶗村至出口大咀山村沿線ZK48+880左側有一天然氣生產井(洲65-30#)，距離隧道開挖輪廓111 m，根據相關要求，老林山隧道對天然氣井附近200 m范圍的隧道主洞及車、人行橫通道按瓦斯隧道設計施工(圖1)。

圖1 老林山隧道瓦斯地段平面示意

2 主要風險

對隧道地質、設計資料分析及現場施工情況反饋可知本隧道施工主要存在以下幾個重難點：

(1)隧道為雙車道公路隧道，屬大斷面隧道，隧道貫穿黃土梁，埋深4～155 m，具有典型的孔隙架空結構，黃土濕陷性特征較明顯。本隧黃土濕陷厚度為9.5～12.5 m，隧道開挖時，黃土遇水后強度降低，易引發的冒頂、坍塌、崩塌等災害，因此如何避免出現上述災害是本隧道施工的重難點。

(2)隧道穿越層為中更新統風積黃土，具有較大濕陷性，隧道施工期間初期支護沉降變形較大難以控制，施工變形控制是本隧道施工的重難點。

(3)隧道穿越天然氣賦存地層，按低瓦斯隧道設計施工，如何確保低瓦斯黃土隧道施工安全是本工程的重難點。

可見，本隧道施工面臨的主要安全風險包括：圍巖(黃土)坍塌、大變形、瓦斯災害等。

3 應對措施

3.1 黃土隧道坍塌與變形控制技術

(1)超前小導管控制滲水。根據隧道滲水情況及時調整超前小導管密度、深度、注漿量漿液配比。超前小導管尺寸及參數可采用長度4.5 m，外徑50 mm，壁厚4 mm，管壁四周鉆8 mm壓漿孔，環向間距為40 cm，排間距為1.5 m。掌子面及尚未施工仰拱段四周設置環形排水溝匯集滲漏水流入集水坑中，為防止匯水下滲，臨時排水溝及集水坑均采用5 cm厚M10砂漿鋪底、抹壁處理。如注漿滿足不了控制滲水要求，則在滲水量大的區域采取真空井點降水處理。為減少施工用水造成工作面積水，超前小導管施工采用煤炭鉆(麻花鉆)干鉆鉆孔。

(2)施工遵循：“一短、兩快、三嚴、四及時”的原則。隧道掘進施工時，針對黃土遇水自穩時間短易引發近掌子面區域坍塌的問題，老林山隧道采用CD法、環形開挖留核心土法等措施防止隧道掌子面坍塌。

(3)采用超前地質鉆探、高頻率隧道監控量測，準確及時掌握反饋隧道掌子面地質情況和開挖后穩定情況。是避免隧道垮塌造成人員傷亡的重要措施。為此隧道工點由專人負責監控量測及超前地質預報工作，監控量測小組由4人組成，負責每天位移觀測及數據統計，一旦出現變形量超標險情預警，則立即通知隧道施工負責人立即停止作業，撤出作業工人，待進一步處理加固，圍巖變形量穩定后再繼續開展作業。

3.2 瓦斯災害防治技術

針對瓦斯災害的特點，本隧道在施工通風、火源控制、設備選用、施工方案等多方面采取措施確保施工安全(圖2)。

圖2 主要施工工序

3.2.1 施工通風優化

瓦斯隧道施工掌子面的需風量，應滿足隧道內最小風速、隧道內人員需氧量、瓦斯排放或稀釋所需空氣等的用風量的要求。

(1)洞內最低允許風速。

按照我國TB 10120-2002《公路瓦斯隧道技術規范》，瓦斯隧道最低風速取1 m/s，最小允許風速計算如下。

Q=V×60×S=1×60×105=6 300 m3/min

式中：V為洞內最小風速，取1 m/s；S為正洞開挖平均斷面面積，取105 m2。

(2)按洞內同一時間最多人數計算風量Q1。

Q1=4KM=4×100×1.2=403 m3/min

式中：4為每人每1 min應供的新鮮空氣標準(m3/min)；K為風量備用系數，本隧道取1.2；M為洞內同一時間最多人數，取100。

(3)按照獨頭工作瓦斯涌出量計算所需風量。

Q2=QCH4×K/(Bg-Bg0)

=0.5×1.6/(0.5%-0)=160 m3/min

式中：QCH4為瓦斯最大涌出量0.5 m3/min；K為瓦斯涌出的不均衡系數，取1.6；Bg為工作面允許的瓦斯濃度，取0.5 %；Bg0為 送入風流中的瓦斯濃度，取0。

(4)最大需風量計算。

取以上計算風量的最大值6 300 m3/min，取風量每100 m損耗率p100=1 %，最大施工長度按700 m計算，則有：

需配置的風機風量為：

Qm=PQ=1.073×6300=6 760 m3/min

(5)風機及風管配置選型。

隧道進出口選用的型號為：SDF(B)-6-NO16型(2×110 kW)軸流式風機，產風量為8 136 m3/min，可滿足隧道需求風量6 760 m3/min要求。

單工作面風速驗算：按取最大風量8 136 m3/min，采用III級斷面S=105 m2驗算，最大風速為8 136÷105÷60=1.29 m/s；因1.29 m/s>1 m/s，滿足施工通風要求。

(6)通風系統總體布局。

瓦斯隧道通風系統布置時須滿足風機位置距洞口外不小于30 m，風管出風口距掌子面不大于5 m。瓦斯隧道各洞口還需配備同等通風能力的備用風機。

(7)通風管理。

對通風設施進行日常和定期相結合的檢修維護，保證通風設施正常運轉供風； 風管布設必須順直、穩定、嚴密，盡量減小風損；每班必須進行檢查，及時補漏，爭取做到風管的百米漏風率不大于2 %；隨掘進工作面的延伸及時接長風管，風管出風口距掘進工作面的距離應小于5 cm。風機房附近20 m范圍內不得有火源；自備電源和備用風機應經常保持良好的使用狀態，一旦需要，應在15 min內接通并啟動風機供風。

3.2.2 瓦斯檢測

(1)通過深孔鉆探技術探查掌子面前方的瓦斯相關參數，根據設計要求，主洞ZK48+725～ZK49+035、靠近左線的車行橫通道72 m和2#人行橫通道33.5 m按瓦斯隧道設計，在施工至該段里程前一個循環過程中，提前進行深孔鉆探檢測瓦斯相關系數。

(2)洞口段末端襯砌采用便攜式瓦斯檢測儀人工檢測；當洞內襯砌施作后，采用便攜式與固定式相結合的方式并配置礦井瓦斯自動報警儀；固定式瓦斯檢測儀設置在距離洞口30 m處，以及掌子面附近和瓦斯易于積聚的襯砌臺車前后。

3.2.3 施工方案優化

(1)采用機械和人工開挖，嚴格控制開挖進尺，每次開挖進尺控制在0.75 m以內，采用臺階法開挖，保證每次開挖面積小，瓦斯溢出量不大，開挖輪廓能夠迅速得到支護。堅持逐榀開挖逐榀防護。

(2)在施工過程中加強洞內水平收斂、拱頂下沉、地表沉降變形等項目的監控量測，在地表重要構造物附近設置觀測點，及時根據監控量測結果調整施工方案。

(3)將CD法作為油井段的施工預案，根據現場監控量測結果由各方共同決定是否啟用預案，防止隧道塌方或變形過大影響天然氣井的安全。

(4)加強施工通風，采用壓入式通風。每次開挖循環出渣通風后，工人進入掌子面，需先測瓦斯濃度，在其不超標的前提下進行施工作業。若探測到有穩定來源的瓦斯氣體時采用巷道式通風，防止瓦斯積聚的風速不宜小于1 m/s，將洞內各處的瓦斯濃度稀釋到0.5 %以下。瓦斯隧道開挖完成之后，及時進行架設鋼架和噴射混凝土支護，保證開挖段的安全穩定。

3.2.4 火源控制

本瓦斯隧道施工時做到嚴格執行瓦斯隧道動火作業申請制度，執行電焊、氣焊、氣割安全作業規程；專人申請、專人批示、專人動火、專人監督、專人看火、 專人跟蹤監測瓦斯；專門制定隧道動火安全措施。 隧道內動火作業包括電焊、氣焊、噴燈焊接、切割、防水板焊接、止水帶接頭焊接、熱熔墊片焊接等。嚴格根據動作作業等級申請批示作業制度。

3.2.5 設備選用

非瓦斯工區和低瓦斯工區的電氣設備和施工作業機械可采用非防爆型。根據現場瓦斯檢測濃度情況，必要時瓦斯工區內采取采用防爆的施工機械設備、敷設固定的照明，采用鎧裝電纜或礦用塑料電纜等措施。

3.3 坍腔瓦斯災害防治技術

本隧道穿越層為中更新統風積黃土，具有較大濕陷性，易出現坍塌，隧道內形成坍腔。當瓦斯大量積聚于坍腔內時，不僅極易出現瓦斯爆炸等安全事故，而且瓦斯的存在會影響坍腔的處理，形成由于處理不及時的二次坍塌。可見，一方面，瓦斯的存在，增加了坍腔的處理難度。無論是對坍腔進行注漿處理或是回填處理，都需將瓦斯濃度控制在一定范圍內，施工機械設備需進行防爆處理。另一方面，坍腔的不規則性，又容易引起局部瓦斯聚集，增加了瓦斯排放難度。瓦斯積聚坍腔時，瓦斯的威脅最大，因此必須及時采取措施降低坍腔內瓦斯濃度，確保施工安全。結合本隧道特點，在超前地質預報，隧道施工通風，瓦斯監測等方面均采取了相應措施。

(1)地質超前預報。準確預測掌子面前方地質情況，及時發現探明濕陷性黃土分布，以便采取相應措施預防坍塌事故的發生。

(2)建立可靠的供電系統。可靠的工點系統是施工通風的必要條件，施工中應配備備用電源或相應應急供電措施，盡量確保施工通風不斷電。

(3)強化施工通風。為杜絕通風死角和避免循環風還必須在相應的位置安裝局扇，確保隧道通風的效果，把瓦斯濃度降低到爆炸界限以下。在坍腔處及時設置局扇，并保持不間斷通風。

(4)認真做好瓦檢。當黃土隧道出現坍腔時應及時做好坍腔內的瓦斯濃度檢測，確保坍腔處理施工的安全。坍腔內瓦斯檢測可采用人工檢測或自動瓦斯檢測或人工檢測與自動檢測結合的方式進行。

4 實施效果

圖3～圖5分別是老林山隧道低瓦斯段在施工中ZK48+803、ZK48+808和ZK48+813三個監測斷面監測點的變形趨勢。由監測數據可知，隨著隧道開挖的不斷推進，隧道拱頂沉降和周邊收斂變形也逐漸增大，最終三個監測點變形均趨于穩定，累計變形量均在控制范圍內。監測結果表明施工中采取的措施效果良好，滿足設計要求。

圖3 ZK48+803監測斷面變形趨勢

圖4 ZK48+808監測斷面變形趨勢

圖5 ZK48+813監測斷面變形趨勢

5 結論

本文分析了大斷面低瓦斯黃土隧道在施工中面臨的主要安全風險，結合實際工程探討了應對措施，并應用于實際工程，最終得到以下結論：

(1)本文探討的黃土隧道坍塌與變形控制措施能有效控制黃土隧道變形、防止隧道塌方。

(2)低瓦斯隧道可根據現場的實際瓦斯濃度選取相應的防治措施。

(3)穿越濕陷性明顯的大斷面黃土隧道施工難度大，易發生塌方。當瓦斯積聚坍腔時，瓦斯的威脅最大，必須及時采取措施降低坍腔內瓦斯濃度，確保施工安全。