第7章瓦斯隧道坍方防治技术

1第7章瓦斯隧道坍方防治技术對方是隧道工程施工中最为常见、典型的安全事故，坍方不仅造成工埤延误、工程费用增力B，甚至造成生命财产重大损失。对于穿越煤层或煤系地层的瓦斯隧道而言,由于煤体结构松软、自稳能力差，更易发生坍方，并且，坍方造成的危害更严重，可能会引发瓦斯爆炸事故，造成巨大的灾难。随對方的发生和发展,围岩中裂隙、裂纹发展并破裂，以致贯通,形成了新的瓦斯运移、涌渗通道;坍方形成新的临空面，破坏了岩层中原有的气体压力平衡，煤层中的瓦斯解吸并向低压处运移,进人隧道空间,形成瓦斯异常涌出；坍腔内容易积存瓦斯，浓度往往较高。近年来,瓦斯隧道由于班方处理不当引发的瓦斯爆炸事故触目惊心，教训惨痛。2004年12月7日,新213国道都江堰至汶川段友谊隧道施工过程突发坍方,坍落物堵塞_道造成气流不通，原本蕴含在岩层中的瓦斯因對方涌出，达到爆炸界限后遇火源发生爆炸,造成4人死亡,61人受伤。2005年12月22日，都汶高速公路紫坪铺隧道开挖工作面发生坍方，瓦斯异常涌出达到爆炸界限，模板台车配电箱附近悬挂的三芯插头短路产生火花引发特大瓦斯爆炸事故，造成44人死亡,11人受伤,直接经济损失2035万充。可见,相较普通隧道，瓦斯隧道教方处理更为困难，也更为危险。瓦斯隧道建设过程应高度重视坍方防治尽可能避免热方发生;一旦发生對方，必须针对教方治理,尤其是瓦斯治理制.定专项技术方案'，加强瓦斯管理,以确保治理过程不发生瓦斯爆炸等次生灾害。.7.1瓦斯隧道坍方原因分析瓦斯隧道施工过程易发生坍方,相关工程案例统计见表7-1.由表7-1可见，导致瓦斯隧道坍方的因素众多,主要可分为地质因素、技术因素和管理因素三类,#方可能是某类因素导致’也可能是某几类因素共同作用所致。地质因素.瓦斯隧道大多经过煤层或煤系地层，具有如下工程地质特点：(1)煤层结掏松软、弹性模量较低，泊松比较高,脆性大,自稳性差,支护不及时易坍塌。(2)煤岩结构具不均质性,原生和次生裂隙系统发育,导致煤岩物理力学性质具有显著的各向异性特征，通常煤岩中存在两组近于垂直的割理，层理为煤岩层的第一级弱结合面，面割理为次一级的弱结合面,弱结合面处易失稳破坏。(3)煤岩具有显著的流变性，在恒定荷载下,其强度随时间延长而降低。(«'富水软弱的煤系地层,隧道初期支护变形大,易斜方;煤系地层夹断层时，受断层及隐伏构造的影响，应力集中、挤压强烈，具备良好的瓦斯赋存条件，施工中常出现瓦斯超限;炭质页岩、泥质页岩、泥岩、泥灰岩等煤系地层，胶结程度差，结构疏松，亲水性较强，一旦吸水或饱水，不易散失或排出，易发生膨胀、软化与崩解。3瓦斯隧遒坍方统计分析表7-1编号名称线路隧道袄度Cm)地质愦况掛方发生的原因危蜜愦况1曾家坪2号隧道内昆线2477上部菹盖忠留系中统大路寨組、順风座组。岩性为泥质灰岩、觅岩、砂岩，以泥质灰岩为主-进口段与双河断层近30°斜交地质因素不明,现场管理不善施工中发生姆方^2黄莲坡隧道内昆线5306三盛系上统〜侏罗系下统香溪群之中厚〜巨陧层状砂岩、泥岩及簿煤层或煤线，上概侏罗系中统自流并组泥岩夹砂岩坍方处有一断层，其下盘节理裂隙发宵,并有一小滑动面,涌水ffl大导致坍方DK193+000〜DI5192+988段发生坍方‘•3.云台山隧道侯月线I线81,15,II线8178萏炭系和二盘系层石盒子组的砂页岩、泥岩及煤层，穿越4条较大的断裂带，全€昼夜涌水跫约9850m3地质因素造成坍方施工中发生掛方A北碲隧道渝合高速左4025右4035穿越中梁山背斜，自背斜两翼向轴部依次穿越侏罗系中统新田沟组，中下统自流井组，下统珍珠冲组,三盘系上统须家河组，中统雷口坡组，下统茲陵江组、飞仙关组,二盐系中统长兴组和龙潭组地层'施工中发生堤方5西山坪隧道渝合高速1520三嵇系上统须家河组睜层砂岩,诛罗系中下统自流井组粉砂质页耑、砂岩及珍珠冲组粉砂质泥岩、岩屑石英砂岩，三孜系上统须家河组中一厚层状中粗粒岩屑长否孖英砂岩，局部夹灰色薄层泥岩，•.施工中发坐姆方6中梁山.成渝碑速在3165右3108隧道横穿中梁山背斜，背斜轴部分布有F!、F3断层和一些次级小断层，节理、裂隙发育。岩性为三软系、二兹系和侏罗系炭质页-岩、细砂岩、灰岩、大小姆方共98次7华蓥山隧道广渝高速4706二砼系尨潭组煤系地层、茅a灰岩施工中发坐锻方续上表编号名称线路隧道板度Cm)地质情况姆方发生的原、因■危笹情况8缙云山隧道成渝高速左2528右.2478隧道穿越缙云山笈式背斜，分布FwF^F^F^Fa等断层-核部力三益系上统馏口坡组及葸陵汪姐，两諷为三骁系上统须家河组第4次坍方处有一断层I岩体破碎、节理发育，地下水丰话，初期支护强度偏低发生5次大规模坍方，其中第4次坍方规模极大,里程K329+674〜6969圆梁山隧道渝钚线11068毛坝向斜、桐麻岭背斜D岩性为二盘系灰岩、页岩、泥岩、砂岩、白云岩。大规模涌突水地质惜况不明，设计施工方案不当施工中发生突泥，姆方,通大人员伤亡10齐岳山隧道宜万线10528隧道穿越齐岳山背斜、箭竹溪向斜和15条断层-岩性为二、三铿系泥岩、泥砂岩、砂岩、灰岩、泥灰岩、炭质页岩、煤层等施工中发生姆方11野三关麵宜万线13841隧道穿越石马坝背斜、二溪河向斜、柳山拐断层、堰潭冲断层、大坪断层、望碑断层、水洞坪断层。岩性为志留系、泥盆系、吞炭系、二盘系、三姓系和侏罗系等灰岩夹煤系地层、泥岩、页岩、泥灰岩姆方处为弱风化炭质灰岩，岩体破碎，节理裂隙发育,引起上部失稳-支护偏弱，超挖处回填不密实，钢拱架后有空洞K103+245〜K103+290段发生坍方,地表坍陷12龙溪随道都汶商速3658以炭质泥岩、砂崧、粉砂岩为主,穿越大断层-岩体较破碎，节理、裂隙发育。地下水较丰窗'姆方段岩层大部分为郝层炭质泥岩,位于f8大断层前的次级小断层,节理裂隙发育，局部有股状水。岩体非常破碎，自稳能力极差左线LK22+035处坍方，塌腔右侧松动带最大高度34mD原初期支护与塌渣接触处瓦斯浓度达4%以上，塌腔内瓦斯浓度更高13岩脚窮隧道货昆线2714三登系语平煤系石灰岩、H岩、煤层，横穿普郎煤田的大煤山背斜西南製,节理发育对地质惜况和瓦斯认识不足，瓦斯煺炸引发掛方5次煺炜，2次燃烧a34人死亡,65人受伤14凉风®隧遒崇遵高速8214穿越f5断层。地质笈杂,节理裂隙发育-岩性为灰岩、泥质页岩、泥岩、碎屑岩、炭质贯岩等地质条件差，坍方段为蹄室中厚层泥灰岩郝层粉砂岩施工中发生坍方，瓦斯燃烧瓦斯隧道建设关键技术210危笹愦况多次坍方、涌水、突泥。地表坍陷，增加工程整治费用1000多万元，工期延迟半年多施工中发生坍方开挖工作面7ni范围内的钢拱架全部压塌，自里程IDK579+IDK579127至开挖工作面全部堵塞施工中发生讲方姆方引发瓦斯积聚发钜煺炸,44人死亡，11人受伤與方引发瓦斯积聚发盐煺炸，造成60多人伤亡施工中发生坍方，为保证衬撤厣度，对下沉段來取挑顶扩挖处理，在挑顶逬程中连续不断出现坍塌姆方发迩的原因隧遒地质焱件笈杂，岩溶发育1煤层分茚多，初期支护违规施工，将菜性变护改为模注混凝土护拱受F,断层的影响，煤层软弱、围岩强度低、自稳能力差,在地应力及瓦斯返力的共同作闱下发生坍塌初期支护未按要誰施作地质情况不淸|施工方案与现场管理不力地质愦况不锻，施工方案和|现场管理不善坍方段岩层为砂泥岩互层，:受断层影响严重，节理裂隙发_育，岩层的层间结合力较低，引起上部先稳，压垮初姻支护，发生坍塌初期支护未及时封闭成环，强度偏低，不能长时间承受过大荷载而掛方地质愦况处于北西构造带之倒转背斜的南瓯粦,地层全部发生倒转虽单斜构造。岩性为石炭系、二蓝系的碳酸盐岩与煤系地层及玄武岩相间组成的地层结构穿越二铿系龙滞组煤系地层隧道位于盘关尚.斜东羁,屈单斜构造，隧道中部煤系地层葙—•正断层，其破碎带〜20mD岩溶发育,地下水发育。商地应力-岩性为玄武岩、砂岩、泥岩、煤层和粉砂岩、灰岩三铿系须家河组的中细粒砂岩、粉砂岩、煤质页岩和煤层-岩性软弱，裂隙发育隧道穿越地层为第四系和三蓝系须家河组，共有10条断层，多为走向逆冲断层，且发育3处褶皱,穿越龚家向斜和龚家背斜三硗系须家扼组上段砂觅岩区域性断层彤响带：第四系、二铿系、石炭系、奥陶系砂岩、炭质泥岩、灰岩夹煤系•地层及煤线,软一硬相间岩组^单斜构造^受构造影响强烈，节理较发育，岩层同结合较差|岩体虽碎右状，FS正断层隧道板度(m)23354990090歹浮060尹取cn1390.蜜水桕线南昆线南昆线紫坪铺电站都汶高速213国道1祁临齒速公路何家辭隧道天生桥隧道家竹锊隧道紫坪铺导流洞紫坪铺隧道杷m常家山隧道Djf锻2COftr-*2瓦斯隧道建设关键技术5(5)部分煤系地层有采煤活动,采空区的位置、规模和影响区域直接关系到隧道施工的安全。综上可见,煤系地层的工程地质特点导致了瓦斯隧道施工过程容易发生教方。由于地质工作手段有限，且地质体复杂多变，隧道勘察设计所取得的地质资料通常十分粗略，依据既有地质资料和有限的钻孔地质资料、水文地质资料、物探资料形成的设计文件很难精确的反映地质状态的变化，与实际施工中揭示的地质状况常有较大出木。不能全面掌握煤系地层和瓦斯赋存状iJi对隧道工程的影响程度和范围，因而施工方案针对性不强,可能造成坍方，如曾家坪2号隧道、岩脚寨隧道和紫坪铺隧道掛方就与此相关;此外,开挖工作面围岩条件突然变化，遇到较大的断层、破碎带、软弱夹层,或遇到常与煤系地层伴生的高地应力、涌水、大变形等特殊与不良地质，也可能造成對方，如圆梁山隧道和家竹箐隧道等;未能准确把握煤层结构松软、强度低的特点,隧道结构支护参数偏弱,初期支护不能有效抑制围岩变形，因而#方，如缙云山隧道坍方就属此类。1)技术因素由于煤系地层围岩强度低、自稳能力差,施工中对超前支护和初期支护的强度、二次衬砌是否及时施做等环节有较高的要求，以下技术细节处理不当可能导致辑方：①未采取超前支护(超前锚杆、管棚、注浆、小导管预注浆等措施)或支护质量未达到要求i②开挖方法或工序不当;③初期支护未能及时施作或质量未达到要求;④开挖爆破参数不当，对围岩的扰动过大;⑤应力重分布后围岩荷载过大,未及时施作二次衬砌;⑥在软弱围岩的施工中,未及时施作仰拱封闭成环;⑦未及时根据监控量测信息反馈采取针对性措施。圆梁山噠道、何家寨隧道、家竹箐隧道等发生堤方也和技术措施不到位相关。2)管理因素瓦斯噠道施工管理不当也是发生教方的主要原因:①对煤系地层和瓦斯隧道特点认识不足，施工组织管理不善;②未经批示,擅自改变施工方法，如开挖方式、支护方式等;③未严格按照规范标准、设计文件、施工组织设计等组织施工;④安全、质量意识淡薄，支护质量达不到设计要求;⑤不合理工期、不合理造价等宏观决策造成施工强行追求进度，引发坊•方。如何家寨隧道和友谊隧道坍方就与管理不善相关。7.2瓦斯隧道W方预防随着隧道工程施工技术的发展，在超前地质预报、开挖爆破、支护方式、机械化配套等方面已有了长足的进步,在深人熟悉瓦斯隧道工程地质条件基础上，采取针对性的技术措施，加强管理，完全可以预防并消除教方，如图7-1所示。瓦斯隧道建设关键技术61)工程地质要确保瓦斯隧道安全施工，必须准确掌握隧道工程地质条件，包括煤系地层和瓦斯赋存情况;较大的断层、破碎带或软弱夹层;采空区的位置、规模及其对隧道建设的影响;伴生的特殊与不良地M,如大变形、高地应力、涌水等。要熟悉设计文件中的地质情况，做好地质编录,将设计文件与现场的实际地质相对照，根据实际地质情况对技术方案和工程措施做相应调整i加强地质超前预报工作,综合应用地质分析、物探判识、超前钻探等手段和方法，全面准确判识开挖工作面前方工程地质条件和不良地质状况。瓦斯隧道建设关键技术7严格管理,硇保各工序质fi达到要*未经批示，不得扭自改变施工方法1工程地质条件j|熟悉设计的i樹嫌雜|.I施工超前地质预报I111—--------I1[施工卜求|1施工管理|严格麵设计文件、旌组、施工规范、验收标准等的要求组织施工....r........'T~fj■方预防综合图7-1瓦斯璲道坍方预防体系2)技术措施熟