煤系地层瓦斯隧道穿越采空区水平巷道施工方法与流程

1.本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种煤系地层瓦斯隧道穿越采空区水平巷道的施工方法。


背景技术：

2.随着西部成渝城市群高速公路网快速发展，我国西南山区公路隧道建设数量不断增加，重庆中梁山脉因地质条件复杂，被称之为“西南地质博物馆”，在隧道选址及轴线设计时虽然经过详细地质勘察及方案设计优选，仍不可避免穿越采空区地层。
3.重庆渝武高速公路复线中梁山隧道为煤系地层瓦斯隧道，存在较多20世纪80年代人工开采的采煤巷道，因年代久远，煤矿洞口已塌陷，现场地质调查困难，巷道不规则分布。隧道在掘进过程中，会多次揭露采空区、小煤窑、巷道等不良地质。目前国内对采空区及巷道处置措施主要采用先探后掘，充填封闭等手段，而在与隧道侧面位置水平相交的采空区、巷道治理施工中，还存在探测难度高、瓦斯隔绝结构施工后易渗漏等难题。


技术实现要素：

4.本发明旨在解决隧道施工中穿越煤系地层的采空区、水平巷道时，如何提升超前预报探测精度及防瓦斯溢出的问题，有效保证不良地质揭露施工及后期营运的安全性。
5.为此，本发明所采用的技术方案为：一种煤系地层瓦斯隧道穿越采空区水平巷道施工方法，包括以下步骤：
6.第一步，应用综合物探技术探明采空区、水平巷道；
7.先采用地质雷达、tsp、超前地质钻孔、瞬变电磁仪初步探明掌子面前方是否存在采空区情况，探测出有不良地质段后，再应用超前地质钻孔取芯分析、孔内地质雷达及钻孔窥视技术，精确探明采空区以及水平巷道的位置、形态、大小；
8.第二步，初期支护预加固；
9.探明采空区、水平巷道后，掌子面掘进严格控制开挖进尺，施工至采空区前，采用喷射混凝土封闭掌子面，施作超前支护措施及初期支护预加固措施；
10.第三步，超前探孔抽排老窑水；
11.隧道开挖接近采空区、水平巷道位置前8—12m处打设探孔，探孔布设为棱形，拱顶一个点，左右边墙各一个点，拱底一个点，由上向下依次施工四个探孔作为排水孔，探孔施工时，当钻杆出现突进现象时表明已经钻至采空区，停止钻孔施工，进行排水，排水过程对排水孔压力、流量、气体含量进行监测，排水完毕后，再施工下一个排水孔，排水孔逐孔施作；积水排放应自上而下逐孔进行，禁止多孔同时排水，防止发生突水事故，待老窑积水排放完毕，方可掘进施工；
12.排水完成后，对孔内瓦斯含量进行检测，瓦斯含量小于0.5％后再进行采空区揭露施工，若瓦斯含量较高、且掌子面前方存在煤层，需按照揭煤防突“四位一体”要求，进行瓦斯抽排及揭煤施工；
13.第四步，采空区及水平巷道揭露，并加强掌子面通风及瓦斯监测；
14.第五步，采空区及水平巷道封堵处理；
15.采空区及水平巷道采用圆木加强支撑，并在采空区做好机械排险作业；水平巷道采用c15混凝土封闭，在巷道口设置钢筋网片，加强封墙稳定性，巷道封闭长度5—8m，封墙靠近巷道侧设置级配碎石反滤层，在封墙底部预留2根φ100mm直径排水管，与隧道二衬纵向排水管接通，以排出巷道内积水；
16.第六步，全断面防水层及水气分离装置施工；
17.沿隧道衬砌外轮廓全断面设置防水层，并在巷道封堵位置增加水气分离装置；水气分离装置包括上部u型排气管及下部u型排水管，下部u型排水管的两端带有水平延伸段，并通过两个水平延伸段与上部u型排气管的两端通过三通接头对扣连接，下部u型排水管的底部接有导水管，通过导水管与隧道纵向排水沟接通；上部u型排气管的顶部接入环向排气盲管，与隧道拱顶纵向排气管接通；
18.第七步，施作二次衬砌。
19.作为本方案的优选，在步骤二中，揭穿采空区前，对初期支护进行预加固，采用4m长φ42
×
4mm小导管径向注浆，间距2*2m，梅花形布置；超前支护采用在掌子面8—12m位置处打设双层超前注浆小导管，加强对采空区位置超前支护长度，确保采空区施工安全。
20.进一步优选为，在步骤二中，注浆材料使用水泥浆，水灰比为1：1，标号不低于m20，掺加0.5％～1％的早强减水剂，5％的膨胀剂。
21.进一步优选为，第三步中，排水孔直径为ф108mm。
22.进一步优选为，第六步中，上部u型排气管采用φ100hdpe不打孔波纹管弯形而成，下部u型排水管采用φ125hdpe不打孔波纹管弯形而成。
23.进一步优选为，在隧道施工至采空区时，加强对初期支护监测，对监控量测点进行加密，每5m布设一个量测断面，量测频率每天3次，稳定后每天1次，以严密监控隧道围岩的变化及隧道下沉情况，并及时将信息反馈。
24.本发明的有益效果：本工法适用于与煤系地层瓦斯隧道边墙位置水平相交的采空区、巷道治理施工，采用“超前地质钻孔+钻孔地质雷达+钻孔窥视”等精细化综合物探技术以及水平巷道治理全断面设置防水层+水气分离装置，在精准探明采空区、水平巷道位置、大小、形态后，通过超前探孔排水、瓦斯疏散后再进行掘进，并在二衬防水层结构中加入水气分离装置，有效隔绝了采空区、水平巷道与隧道主体结构，解决了瓦斯隧道穿越采空区、水平巷道施工治理过程提升超前预报探测精度及防瓦斯溢出等问题，有效保证了不良地质揭露施工及后期营运的安全性，取得了良好的经济社会效益。
附图说明
25.图1为本发明的施工步序图。
26.图2为初期支护径向注浆加固设计图。
27.图3为采空区老窑水抽排排水孔设计图。
28.图4为水平巷道封堵设计图。
29.图5为水气分离装置设计图。
具体实施方式
30.下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：
31.如图1所示，一种煤系地层瓦斯隧道穿越采空区水平巷道施工方法，包括以下步骤：
32.第一步，应用综合物探技术探明采空区、水平巷道；
33.先采用地质雷达、tsp、超前地质钻孔、瞬变电磁仪初步探明掌子面前方是否存在采空区情况，探测出有不良地质段后，再应用超前地质钻孔取芯分析、孔内地质雷达及钻孔窥视技术，精确探明采空区以及水平巷道的位置、形态、大小；
34.隧道施工超前地质预报作为动态设计的基本依据，在瓦斯隧道施工中通过综合超前地质预报技术能够防止突发性不良地质危害，确保地质复杂条件下隧道施工安全性。在煤系地层瓦斯隧道中将超前地质预报纳入施工工序管控，应用综合物探技术，对比论证，综合判定采空区、巷道状态。综合超前预报的操作要求：
[0035][0036]
第二步，初期支护预加固；
[0037]
探明采空区、水平巷道后，掌子面掘进严格控制开挖进尺，施工至采空区前，采用喷射混凝土封闭掌子面，施作超前支护措施及初期支护预加固措施。
[0038]
如图2所示，最好是，揭穿采空区前，对初期支护进行预加固，采用4m长φ42
×
4mm小导管径向注浆，间距2*2m，梅花形布置；超前支护采用在掌子面8—12m位置处打设双层超前注浆小导管，加强对采空区位置超前支护长度，确保采空区施工安全。注浆材料使用水泥浆，水灰比为1：1，标号不低于m20，掺加0.5％～1％的早强减水剂，5％的膨胀剂。
[0039]
第三步，超前探孔抽排老窑水；
[0040]
采空区、巷道因存在时间长，不可避免存在大量老窑水、瓦斯气体，在揭露采空区前，需要打设探孔提前处理老窑水、瓦斯气体，确保采空区揭露施工安全。
[0041]
如图3所示，隧道5开挖接近采空区、水平巷道2位置前8—12m处打设探孔6，探孔布
设为棱形，拱顶一个点，左右边墙各一个点，拱底一个点，由上向下依次施工四个探孔作为排水孔，探孔施工时，当钻杆出现突进现象时表明已经钻至采空区，停止钻孔施工，进行排水，排水过程对排水孔压力、流量、气体含量进行监测，排水完毕后，再施工下一个排水孔，排水孔逐孔施作；积水排放应自上而下逐孔进行，禁止多孔同时排水，防止发生突水事故，待老窑积水排放完毕，方可掘进施工；
[0042]
排水完成后，对孔内瓦斯含量进行检测，瓦斯含量小于0.5％后再进行采空区揭露施工，若瓦斯含量较高、且掌子面前方存在煤层，需按照揭煤防突“四位一体”要求，进行瓦斯抽排及揭煤施工。排水孔直径优选为ф108mm。
[0043]
第四步，采空区及水平巷道揭露，并加强掌子面通风及瓦斯监测。
[0044]
在隧道施工至采空区时，加强对初期支护监测，对监控量测点进行加密，每5m布设一个量测断面，量测频率每天3次，稳定后每天1次，以严密监控隧道围岩的变化及隧道下沉情况，并及时将信息反馈。
[0045]
揭穿采空区后，先采用局部防爆通风机对采空区、水平巷道内气体进行稀释，应用人工+自动瓦斯检测手段对巷道内气体进行监测，待瓦斯含量降低至0.5％以下再封堵水平巷道口。
[0046]
第五步，采空区及水平巷道封堵处理。
[0047]
采空区及水平巷道采用圆木加强支撑，并在采空区做好机械排险作业；水平巷道采用c15混凝土封闭，在巷道口设置钢筋网片，加强封墙1稳定性，巷道封闭长度5—8m，封墙1靠近巷道2侧设置级配碎石反滤层3，在封墙1底部预留2根φ100mm直径排水管4，与隧道5二衬纵向排水管接通，以排出巷道内积水，如图4所示。
[0048]
第六步，全断面防水层及水气分离装置施工。
[0049]
沿隧道衬砌外轮廓全断面设置防水层，并在巷道封堵位置增加水气分离装置。如图5所示，水气分离装置包括上部u型排气管7及下部u型排水管8，下部u型排水管8的两端带有水平延伸段8a，并通过两个水平延伸段8a与上部u型排气管7的两端通过三通接头9对扣连接，水平延伸段8a的两端作为水气混合体的进口。
[0050]
下部u型排水管的底部接有导水管10，通过导水管10与隧道纵向排水沟接通，从而将分离出来的水排出。上部u型排气管7的顶部接入环向排气盲管11，与隧道拱顶纵向排气管接通，从而将分离出来的气排出。
[0051]
上部u型排气管采用φ100hdpe不打孔波纹管弯形而成，下部u型排水管采用φ125hdpe不打孔波纹管弯形而成。
[0052]
最好是，导水管10设置在下部u型排水管的底部居中位置处，导水管10向上竖直延伸，再与隧道纵向排水沟接通，且导水管10的顶部低于下部u型排水管的最高位置处，最好是，低15cm。
[0053]
另外，上部u型排气管7的顶部居中位置处通过三通管9接入环向排气盲管11，与隧道拱顶纵向排气管接通。
[0054]
水气分离装置工作原理为：隧道初支背后存在地下水及溢出瓦斯气体，由于空间狭小，形成水气混合体，根据水流方向，流入水气分离装置内，瓦斯气体由于密度低，自动分离沿上部u型排气管、环向排气盲管、隧道拱顶纵向排气管，排出洞口；地下水则流入下部u型排水管、导水管、纵向排水管、中心排水沟排出。
[0055]
在采空区地层，存在地下水及瓦斯双重风险，该分离装置根据瓦斯气体密度轻于空气、且不溶于水这一特点，设计二衬施工防排水瓦斯隔离结构，该结构采用沿衬砌外轮廓全断面设置防水层，并在巷道封堵位置增加水气分离装置。通过全断面防水层及水气分离装置应用，可以有效将排入横向排水管中的瓦斯与水分离开，避免积聚在纵向排水管中，解决瓦斯隧道运营时期的瓦斯在排水管道中积聚隐患。
[0056]
第七步，施作二次衬砌。
[0057]
采空区地段需及时施做仰拱，完成全封闭支护；施工中每一次仰拱填充循环都必须对隧底进行探测，探测隧道底板下方是否存在巷道，采空区，仰拱探孔每隔5m设置一处，每处设3个探孔，探深10m。根据探测结果综合分析，必要时进行基底加固。
[0058]
采空区地层衬砌施工从结构耐久性考虑，二次衬砌钢筋间距由原设计的20cm调整为15cm，混凝土厚度不变。隧道穿煤或采空区，煤层或采空区及其前后各20m采用沿衬砌外轮廓满铺防水层的全封闭，沉降缝和施工缝采用止水带和膨胀水泥砂浆封堵严密，以隔绝瓦斯渗入隧道。二次衬砌混凝土中需掺加气密剂，气密剂采用抗腐气密共效的ybqk抗腐蚀气密混凝土泵送剂，掺量为10％～15％，采用内掺法，等量替代水泥，要求混凝土透气系数不大于10-11cm/s。

技术特征：
1.一种煤系地层瓦斯隧道穿越采空区水平巷道施工方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，应用综合物探技术探明采空区、水平巷道；先采用地质雷达、tsp、超前地质钻孔、瞬变电磁仪初步探明掌子面前方是否存在采空区情况，探测出有不良地质段后，再应用超前地质钻孔取芯分析、孔内地质雷达及钻孔窥视技术，精确探明采空区以及水平巷道的位置、形态、大小；第二步，初期支护预加固；探明采空区、水平巷道后，掌子面掘进严格控制开挖进尺，施工至采空区前，采用喷射混凝土封闭掌子面，施作超前支护措施及初期支护预加固措施；第三步，超前探孔抽排老窑水；隧道开挖接近采空区、水平巷道位置前8—12m处打设探孔，探孔布设为棱形，拱顶一个点，左右边墙各一个点，拱底一个点，由上向下依次施工四个探孔作为排水孔，探孔施工时，当钻杆出现突进现象时表明已经钻至采空区，停止钻孔施工，进行排水，排水过程对排水孔压力、流量、气体含量进行监测，排水完毕后，再施工下一个排水孔，排水孔逐孔施作；积水排放应自上而下逐孔进行，禁止多孔同时排水，防止发生突水事故，待老窑积水排放完毕，方可掘进施工；排水完成后，对孔内瓦斯含量进行检测，瓦斯含量小于0.5％后再进行采空区揭露施工，若瓦斯含量较高、且掌子面前方存在煤层，需按照揭煤防突“四位一体”要求，进行瓦斯抽排及揭煤施工；第四步，采空区及水平巷道揭露，并加强掌子面通风及瓦斯监测；第五步，采空区及水平巷道封堵处理；采空区及水平巷道采用圆木加强支撑，并在采空区做好机械排险作业；水平巷道采用c15混凝土封闭，在巷道口设置钢筋网片，加强封墙稳定性，巷道封闭长度5—8m，封墙靠近巷道侧设置级配碎石反滤层，在封墙底部预留2根φ100mm直径排水管，与隧道二衬纵向排水管接通，以排出巷道内积水；第六步，全断面防水层及水气分离装置施工；沿隧道衬砌外轮廓全断面设置防水层，并在巷道封堵位置增加水气分离装置；水气分离装置包括上部u型排气管及下部u型排水管，下部u型排水管的两端带有水平延伸段，并通过两个水平延伸段与上部u型排气管的两端通过三通接头对扣连接，下部u型排水管的底部接有导水管，通过导水管与隧道纵向排水沟接通；上部u型排气管的顶部接入环向排气盲管，与隧道拱顶纵向排气管接通；第七步，施作二次衬砌。2.按照权利要求1所述的煤系地层瓦斯隧道穿越采空区水平巷道施工方法，其特征在于：在步骤二中，揭穿采空区前，对初期支护进行预加固，采用4m长φ42
×
4mm小导管径向注浆，间距2*2m，梅花形布置；超前支护采用在掌子面8—12m位置处打设双层超前注浆小导管，加强对采空区位置超前支护长度，确保采空区施工安全。3.按照权利要求2所述的煤系地层瓦斯隧道穿越采空区水平巷道施工方法，其特征在于：在步骤二中，注浆材料使用水泥浆，水灰比为1：1，标号不低于m20，掺加0.5％～1％的早强减水剂，5％的膨胀剂。4.按照权利要求1所述的煤系地层瓦斯隧道穿越采空区水平巷道施工方法，其特征在
于：第三步中，排水孔直径为ф108mm。5.按照权利要求4所述的煤系地层瓦斯隧道穿越采空区水平巷道施工方法，其特征在于：第六步中，上部u型排气管采用φ100hdpe不打孔波纹管弯形而成，下部u型排水管采用φ125hdpe不打孔波纹管弯形而成。6.按照权利要求1所述的煤系地层瓦斯隧道穿越采空区水平巷道施工方法，其特征在于：在隧道施工至采空区时，加强对初期支护监测，对监控量测点进行加密，每5m布设一个量测断面，量测频率每天3次，稳定后每天1次，以严密监控隧道围岩的变化及隧道下沉情况，并及时将信息反馈。7.按照权利要求1所述的煤系地层瓦斯隧道穿越采空区水平巷道施工方法，其特征在于：揭穿采空区后，先采用局部防爆通风机对采空区、水平巷道内气体进行稀释，应用人工+自动瓦斯检测手段对巷道内气体进行监测，待瓦斯含量降低至0.5％以下再封堵水平巷道口。8.按照权利要求1所述的煤系地层瓦斯隧道穿越采空区水平巷道施工方法，其特征在于：在隧道内沉降缝和施工缝，采用止水带和膨胀水泥砂浆封堵严密，确保采空区、巷道处治后瓦斯不溢入隧道内。9.按照权利要求1所述的煤系地层瓦斯隧道穿越采空区水平巷道施工方法，其特征在于：采空区地段需及时施做仰拱，完成全封闭支护；施工中每一次仰拱填充循环都必须对隧底进行探测，探测隧道底板下方是否存在巷道，采空区，仰拱探孔每隔5m设置一处，每处设3个探孔，探深10m。

技术总结
本发明公开了一种煤系地层瓦斯隧道穿越采空区水平巷道施工方法，包括：第一步，应用综合物探技术探明采空区、水平巷道；第二步，初期支护预加固；第三步，超前探孔抽排老窑水；第四步，采空区及水平巷道揭露，并加强掌子面通风及瓦斯监测；第五步，采空区及水平巷道封堵处理；第六步，全断面防水层及水气分离装置施工；第七步，施作二次衬砌。本工法在精准探明采空区、水平巷道位置、大小、形态后，通过超前探孔排水、瓦斯疏散后再进行掘进，并在二衬防水层结构中加入水气分离装置，有效解决了瓦斯隧道穿越采空区、水平巷道施工治理过程提升超前预报探测精度及防瓦斯溢出等问题，有效保证了不良地质揭露施工及后期营运的安全性。良地质揭露施工及后期营运的安全性。良地质揭露施工及后期营运的安全性。


技术研发人员：张国磊 蒋昌靖 赵云鹏 刘洋 王子龙 孙伟杰 姚博宇 胡湘 崔文祥 史宏珺 马凯波
受保护的技术使用者：中交一公局厦门工程有限公司
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/8/16