曹 安

（中交路桥南方工程有限公司，北京 101121）

兰海高速复线重庆至遵义段黄家沟隧道全长5.27km，单洞两次穿越煤与瓦斯突出煤层，为煤与瓦斯突出隧道。目前尚未进入瓦斯工区施工，为积累瓦斯隧道施工经验，项目部多次组织技术人员至临近的正在施工中的正习高速公路某瓦斯隧道进行学习、交流。文章以正习高速公路某瓦斯隧道塌方处治案例为依托，对瓦斯隧道塌方处理进行分析总结，以便为黄家沟隧道出现类似状况时提供经验借鉴。

1 瓦斯的基本概念及特点

1.1 瓦斯的基本概念

瓦斯主要存在于矿井及隧道中，而煤层中包含的瓦斯气体包含90%的沼气，因此在该处习惯性地将沼气称为瓦斯。沼气具有无色、无味、难溶于水且没有毒性的特点，重量轻于空气，如遇到明火则极易发生爆炸以及大范围燃烧现象。

公路工程隧道施工工程中遇到的瓦斯地段多为煤系地层，虽然瓦斯本身无色无味，但如该气体与其他芬芳族类其他接触并混合后则会出现苹果气味。瓦斯气体在标准状态下其密度基本为0.716kg/m3，且重量高于空气，因此多数时间会聚集在坑道中。由于其密集性高，且扩散速度相当于空气的2倍，极易从结构松散且裂隙较大的岩石中渗透到其他区域。瓦斯与沼气相比能够微溶于水，且在混入空气并达到一定浓度后，遇到火源极易发生爆炸。瓦斯中含有的乙烷气体能够促使人出现头晕、头痛甚至昏迷等不适，一旦浓度升高，则极易导致人体出现窒息甚至死亡。

1.2 瓦斯的基本特点

（1）爆炸性。瓦斯气体本身不具有自然性能，但在与空气接触并混合后，与空气中的氧气产生充分接触，一旦到达一定浓度，则会在产生或存在火源的状态下产生燃烧甚至爆炸现象，具有较大破坏性和危险性。

（2）渗透性。瓦斯具有较高扩散性和渗透性，其扩散强度是空气的1.6倍，极易通过地下岩层发生渗透，一旦在隧道施工过程中对岩层产生损坏，导致岩层裂隙增大，极易提升瓦斯的渗透性，增加危险性。

（3）不稳定性。瓦斯基本以游离和吸附状态存在，且地下岩层内压强等相对来说较为稳定，因此瓦斯长期处于动平衡状态下，而一旦该地层外界压强、温度等出现变化，则极易打破瓦斯的动平衡，例如当外界压力提升而温度降低时则使部分游离状态下的瓦斯变吸附状态，反之则会导致部分吸附状态的瓦斯变为游离状态，不稳定性极强。

2 塌方现象分析

某公路隧道工程施工里程为K13+385～K17+445，长度为4060m，其隧道位置位于该施工段2.35%～3.00%区域的直线上坡位置，最大埋深为546m，最浅埋深深度为20m。虽然在施工前针对该区域进行了初期支护施工，但由于塌方发生突然且较为严重，其内部设置的钢拱架已经塌陷，且该区域地下含有瓦斯气体，在塌方发生后导致瓦斯出现异常涌出，导致瓦斯爆炸事故发生，进而致使塌方情况出现。

3 塌方区域处理方法

此次针对塌方区域分三个阶段开展综合治理工作。第一阶段主要针对塌方区域开展地质探测工作，通过生成预报对塌方段的具体情况、塌方高度以及围岩结构等进行全面分析；第二阶段则需要该塌方区域的瓦斯泄露情况进行全面治理；第三阶段则需要通过更换支护等对塌方区域进行综合治理，进而解决塌方问题。

3.1 生成超前地质预报内容

塌方区域属于隧道施工区域，且存在高瓦斯情况，因此借助该预报技术可为之后的治理工作提供便利。借助超前地质预报进行勘测后得出结论：K14+850～K14+872段内已经出现严重塌方，该段处隧道拱顶出现的最大塌腔高度为33m，其中该段内存在未坍塌的松动区域，但在该区与内已充入大量瓦斯气体，因此在针对该段进行施工处理时必须加强防护措施。K14+872～K14+894段出现围岩破碎严重的现象，存在节理性裂隙，裂隙中含有水资源。该处围岩为灰黑色泥岩，岩面较为光滑，但破碎严重，且因水分含量较多存在滑腻状态，自稳能力已缺失，如进行开挖则极易导致拱顶出现塌方，确定该处围岩为Ⅴ级围岩，偏弱。

3.2 针对塌方区域内瓦斯的治理方法

（1）借助超前钻孔勘探技术分析瓦斯分布情况。此次塌方区域事先已做好初期支护，因此塌方区域内不仅含有碎裂岩石、瓦斯气体，同时也含有钢拱架等钢材料结构，在受到外界压力等作用下极易产生火花，且有水分和空气中氧气与瓦斯充分接触，极易出现大范围瓦斯爆炸，因此在现有条件下，需要增大水分含量，使用湿钻孔方式进行勘探方法获取超前预报。经第一阶段超前地质预报分析后可知，钻孔孔径控制在100m以内、长度控制在22m、钻孔体积控制在0.17m3时可保证钻孔孔内氧气浓度保持在最低状态，远低于瓦斯爆炸条件。在进行超前钻孔勘探时需做好以下工作：第一，将此次钻孔深度控制在18～21m，共设置41个勘探钻孔，外插角为17°27″，倾角为17°27″，将钻孔终点设置在隧道开挖线外6.5m处，开孔位置设置在开挖轮廓线上，孔间距设置为0.5m，终点孔间距为0.75m。第二，借助钻孔对岩层情况进行全面了解。钻孔时可及时对塌方位置是否存在孔洞、塌方体岩层等情况进行了解，在钻孔过程中及时观察是否存在瓦斯喷涌情况，及时对钻孔内瓦斯参数及参数变化情况进行监测与分析。钻孔时，其中7个钻孔内在钻入4～6m时存在钻机无负荷状态，则表示该钻孔区域存在塌腔孔洞，所有钻孔孔内排出岩渣为黑色颗粒状形态，且未出现瓦斯喷涌现象，掌子面瓦斯浓度与回风瓦斯浓度均维持在0.05%以内，且未出现瓦斯动力现象，针对拱顶108°位置进行钻孔时以及钻孔开挖施工技术的24h内瓦斯浓度最高，但未出现喷涌现象。第三，对瓦斯参数进行进一步监测与考察。借助超前挖孔勘探法进行探测后发现整个勘测器件内瓦斯流量保持在0的状态下，因此不必对瓦斯流量衰减系数进行考察与计算。而通过勘测后发现该区域内瓦斯数据存在一定规律：隧道拱顶处瓦斯浓度高于中部，且其浓度衰减速度与中部相比较快，而炭质页岩区域钻孔瓦斯浓度最高，但瓦斯浓度衰减速度却低于其他区域。

（2）做好瓦斯治理工作。上述中提到，该塌方区域主要是有瓦斯爆炸导致构造岩体倾出而出现的现象，由于隧道掌子面正处于构造向斜轴部,可以判定塌方体岩石是由于隧道开挖迎面方向岩体整体向开挖空间倾出。经结果分析及设计后确定使用强度为C20的混凝土材料对塌方空腔区域进行灌注固结施工，将瓦斯进行封闭，固结完毕后需要使用长度为6m的锚杆支护方式进行加固，将锚杆外插角设置为30°，锚杆间距设置为40cm。如空腔较大，则需要重复固结与锚固支护施工，保证混凝土密实度和封闭强度。

3.3 针对塌方隧道的处理技术

（1）对塌方虚渣进行加固。可使用型号为Φ42的注浆导管对塌方虚渣进行加固，搭接长度为2m，孔间距控制在15cm，按照梅花形进行布设。导管材料为无缝钢花管，管材孔径控制在8mm以内，呈梅花形布设，其中管距孔口1m处设作止浆段。

（2）对塌方区域掘进施工及流程。第一，对塌方区域上弧使用风镐进行开挖，使用长臂挖掘机将碎渣进行挖出，并使用自卸车辆将碎渣进行运出，保证每次循环进尺不超过半米。第二，使用强度为C20的混凝土对拱顶进行喷浆施工，将其喷射厚度控制在3cm，随后进行掌子面封闭施工，施工厚度为5cm。第三，使用Φ32自进式锚杆进行支护，并在拱部以每延米为单位设立18号工资钢拱架3榀，钢拱架纵向间距之间使用Φ22钢筋进行焊接连接，保证将其环向间距控制在1m。第四，使用型号为Φ6.5的钢筋网进行铺挂加固，网间距设置为20cm×20cm，随后进行混凝土喷浆施工，喷射厚度为25cm。第五，针对中核位置进行开挖并重复上述施工流程，并根据具体情况及时结合设计方案进行细节调整。第六，针对仰拱位置进行开挖，根据具体情况选择整幅施工方式，使用长臂挖掘机和人工风镐进行碎渣清理，通过自卸式汽车将碎渣运出，清理完毕后使用C20混凝土进行3cm喷浆施工，完毕后借助18号工资钢拱架对边墙进行加固，使用螺栓将钢拱架与边墙进行连接，纵向之间使用Φ22钢筋进行连接，将其环向间距控制在1m，安装完毕后复喷混凝土施工，施工厚度为25cm。第七，对仰拱及仰拱填充，仰拱采用厚70cm的钢筋混凝土，主筋Φ25，纵向间距20cm，纵向分布筋＜12，环向间距20cm；箍筋Φ10，环向间距20cm。

（3）二次衬砌。二次衬砌厚度为70cm的C25钢筋混凝土，主筋Φ25，纵向间距20cm；纵向分布筋Φ12，环向间距20cm；箍筋Φ10，环向间距20cm。采用全液压衬砌模板台车，泵送混凝土整体浇注拱墙二次衬砌。

4 监控量测

在初期支护完成后，对围岩进行监控量测，主要对隧道内拱顶下沉状况、水平净空变换现象等进行监测与分析，如出现下沉、净空变化明显等情况则需要及时进行参数计算和具体分析，并找出具体解决方案进行处理。监测期间需要及时对锚固、工字钢拱架的支护强度及参数变化进行分析，加强对塌方隧道处理质量的保障。经监测后可确定，此次针对该高瓦斯隧道塌方进行处理后拱顶下沉及水平净空指数相对较为稳定，且无混凝土变形、裂缝现象。

5 结束语

综上所述，当公路工程中出现高瓦斯地段隧道塌方现象后，不仅需要加大塌方区域治理强度，同时也必须及时考虑瓦斯喷涌及爆炸现象，结合实际情况做好综合治理工作，可借助超前地质预报对塌方段具体情况进行分析与监测，并借助塌方地段勘探、瓦斯治理及塌方治理的综合治理方式进行施工，做到全面控制瓦斯的同时提高塌方处理效果，进一步提升公路隧道稳定性及安全性，实现全面提升公路工程施工质量的目的。