瓦斯地层的施工

瓦斯是地下坑道内有害气体的总称，其成分以沼气（甲烷CH4）为主，一般习惯即称沼气为瓦斯。当隧道穿过煤层、油页岩或含沥青等岩层，或从其附近通过而围岩破碎、节理发育时，可能会遇到瓦斯。如果洞内空气中瓦斯浓度已达到爆炸限度与火源接触，就会引起爆炸，对隧道施工会带来很大的危害和损失。所以，在有瓦斯的地层中修建隧道，必须采取相应措施，才能安全顺利施工。

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瓦斯的性质

（1）瓦斯（沼气）为无色、无臭、无味的气体，与碳化氢或硫化氢混合在一起，发生类似苹果的香味，由于空气中瓦斯浓度增加，氧气相应减少，很容易使人窒息或发生死亡事故。

（2）瓦斯比重为0.554，仅占空气一半，所以在隧道内，瓦斯容易存在坑道顶部，其扩散速度比空气大 1．6倍，很容易透过裂隙发达、结构松散的岩层。                

（3）瓦斯不能自燃，但极易燃烧，其燃烧的火焰颜色，随瓦斯浓度的增大而变淡，空气中含有少量瓦斯时火焰呈兰色，浓度达5％左右时，火焰呈淡青色。

瓦斯燃烧时，遇到障碍而受压缩，即能转燃烧为爆炸。爆炸时能发生高温，封闭状态的爆炸（即容积为常数），温度可达2150℃～2650℃，能向四周自由扩张时的爆炸（即压力为常数）；温度可达1850°C。坑道中发生瓦斯爆炸后，坑道中完全无氧，而充满氮气，二氧化碳及一氧化碳气。这些有害气体很快传布到邻近的坑道和工作面，凡是来不及躲避的人，都会遭到中毒窒息，甚至死亡。     

瓦斯爆炸时，爆炸波运动造成暴风在前，火焰在后，暴风遇到积存瓦斯，使它先受到压力，然后火焰点燃发生爆炸。第二次瓦斯受到的压力比原来的压力大，因此爆炸后的破坏力也更巨剧烈。

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瓦斯放出的类型

从岩层中放出瓦斯，可分为三种类型：

（1）瓦斯的渗出：它是缓慢地、均匀地、不停地从煤层或岩层的暴露面的空隙中渗出，延续时间很久，有时带有一种嘶音。

（2）瓦斯的喷出：比上述渗出强烈，从煤层或岩层裂缝或孔洞中放出，喷出的时间有长有短，通常有较大的响声和压力。

（3）瓦斯的突出：在短时间内，从煤层或岩层中，突然猛烈地喷出大量瓦斯，喷出的时间，可能从几分钟到几小时，喷出时常有巨大轰响，并夹有煤块或岩石。

以上三种瓦斯放出形式，以第一种放出的瓦斯量为大。

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防止瓦斯事故的措施

（1）隧道穿过瓦斯溢出地段，应预先确定瓦斯探测方法，并制订瓦斯稀释措施、防爆措施和紧急救援措施等。

（2）隧道通过瓦斯地区的施工方法，宜采用全断面开挖，因其工序简单、面积大、通风好，随掘进随衬砌，能够很快缩短煤层的瓦斯放出时间和缩小围岩暴露面，有利于排除瓦斯。  

上下导坑法开挖，因工序多，岩层暴露的总面积多，成洞时间长，洞内各工序交错分散，易使瓦斯分处积滞浓度不匀。采用这种施工方法，要求工序间距离尽量缩短，尽快衬砌封闭瓦斯地段，并保证混凝土的密实性，以防瓦斯溢出。

（3）加强通风是防止瓦斯爆炸最有效的办法。把空气中的瓦斯浓度吹淡到爆炸浓度以下的1／5～1／10，将其排出洞外，有瓦斯的坑道，决不允许用自然通风，必须采用机械通风。通风设备必须防止漏风，并配备备用的通风机，一旦原有通风机发生故障时，备用机械能立即供风。保证工作面空气内的瓦斯浓度在允许限度内。当通风机发生故障或停止运转时，洞内工作人员应撤离到新鲜空气地区，直至通风恢复正常，才准许进入工作面继续工作。

（4）如开挖进入煤层，瓦斯排放量较大，使用一般的通风手段难以稀释到安全标准时，可使用超前周边全封闭预注浆。在开挖前沿掌子面拱部、边墙、底部轮廓线轴向辐射状布孔注浆，形成一个全封闭截堵瓦斯的帷幕。特别对煤层垂直方向和断层地带进行阻截注浆，其效果会更佳。

膨胀土地段的施工

膨胀土系指土中粘土矿物成分主要由亲水性矿物组成，同时具有吸水显著膨胀软化和失水收缩硬裂两种特性，且具有湿胀干缩往复变形的高塑性粘性土。决定膨胀性的亲水矿物主要是蒙脱石粘土矿物。穿过膨胀土地层的隧道，常常可以见到开挖后不久围岩因开挖而产生变形，或者因浸水而膨胀，或因风化而开裂等现象。使坑道的顶部及两侧向内挤入，底部膨起，随着时间的增长导致围岩失稳，支撑、衬砌变形和破坏。

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膨胀土围岩的特性

（1）膨胀土围岩大多具有原始地层的超固结特性，使土体中储存有较高的初始应力。当隧道开挖后，引起围岩应力释放，强度降低，产生卸荷膨胀。因此，膨胀土围岩常常具有明显的塑性流变特性，开挖后将产生较大的塑性变形。

（2）膨胀土中有各种形态发育的裂隙，形成土体的多裂隙性。膨胀土围岩实际上是土块与各种裂隙和结构面相互组合形成的膨胀土体。由于膨胀土体在天然原始状态下具有高强度特性，隧道开挖后洞壁土体失去边界支撑而产生胀缩，同时因风干脱水使原生隐裂隙张弛，使围岩强度急剧衰减。因此，隧道施工开挖过程中，常有初期围岩变形大，发展速度快等现象。

（3）膨胀土围岩因吸水而膨胀，失水而收缩，土体中干湿循环产生胀缩效应。一是使主体结构破坏，强度衰减或丧失，围岩压力增大。二是造成围岩应力变化，无论膨胀压力或收缩压力，都将破坏围岩的稳定性，特别是膨胀压力将对增大围岩压力起叠加作用。

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膨胀土围岩对隧道施工的危害

（1）围岩裂缝：隧道开挖后，由于开挖面上主体原始应力释放产生胀裂；另外，因为表层土体风干而脱水，产生收缩裂缝。同时，两种因素都可以使土中原生隐裂隙张开扩大。沿围岩周边产生裂缝，尤其在拱部围岩容易产生张拉裂缝与上述裂缝贯通，形成局部变形区。

（2）围岩膨胀突出和坍塌：膨胀土开挖过程中或开挖后。围岩产生膨胀土变形，周边土体向洞内膨胀突出，开挖断面缩小。在土体丧失支撑或支撑力不够的状态下，由于围岩压力和膨胀压力的综合作用，使土体产生局部破坏，由裂缝发展到出现溜塌，然后逐渐牵引周围土体连续破坏，形成坍塌。

（3）底膨：隧道底部开挖后，洞底围岩的上部压力解除，又无支护体约束的条件下，由于应力释放，洞底围岩产生卸荷膨胀；加之坑道积水，使洞底围岩产生浸水膨胀。因而造成洞底围岩膨出变形。

隧道塌方的一般处理

由于隧道地质、水文条件千变万化，不良地质的出现及其详细情况在开挖揭示前很难预料，并且在隧道施工中难免也会出现不正当的操作等等，所以隧道施工中常常出现塌方现象。施工中我们只有了解地质了解塌方的成因才能制定正确的施工方法，才能尽量避免或减轻塌方对工程质量、安全及进度等的危害。

隧道塌方原因分析

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不良地质及水文地质条件

（1）隧道穿过断层及其破碎带，或在薄层岩体的小曲褶、错动发育地段，一经开挖，潜在应力释放快、围岩失稳，小则引起围岩掉块、坍落，大则引起坍方。当通过各种堆积体时，由于结构松散，颗粒间无胶结或胶结差，开挖后引起坍塌。在软弱结构面发育或泥质充填物过多，均易产生较大的坍塌。

（2）隧道穿越地层覆盖过薄地段，如在沿河傍山、偏压地段、沟谷凹地浅埋和丘陵浅埋地段极易发生坍方。

（3）水是造成坍方的重要原因之一。地下水的软化、浸泡、冲蚀、溶解等作用加剧岩体的失稳和坍落。岩层软硬相间或有软弱夹层的岩体，在地下水的作用下，软弱面的强度大为降低，因而发生滑坍。

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隧道设计考虑不周

（1）隧道选定位置时，地质调查不细，未能作详细的分析，或未能查明可能坍方的因素。没有绕开可以绕避的不良地质地段。

（2）缺乏较详细的隧道所处位置的地质及水文地质资料，引起施工指导或施工方案的失误。

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隧道塌方的一般前兆

（1）水文地质条件的变化，如干燥的围岩突然出水、地下水突然增多、水质由清变浊等都是可能发生塌方的前兆；

（2）拱顶不断掉块，甚至较大的喷砼块相继掉落，预示着围岩即将发生塌方；

（3）支护状态变形(拱架接头挤偏或压劈、喷射砼出现大量的明显裂纹或剥落等)、敲击发声清脆有力、甚至发出声响；

（4）喷锚支护的水平收敛率大于0.2mm/d、拱顶下沉量大于0.1mm/d并继续增大时，说明围岩仍在发生变形，处于不稳定状态，有可能出现失稳塌方。

预防坍塌的措施   

隧道施工预防塌方，除选择相应的安全合理的施工方法和措施及保证确切的超前地质预报外。在施工中主要还要做到以下几点：

1、先排水：在施工前和施工中采取相应的防排水措施，尽量将开挖范围外之水截住，不使流进洞内，一般采取注浆处理。

2、短开挖：在围岩石质较差地段，控制每循环开挖进尺，每次立一榀工字钢拱架且拱架必须紧贴掌子面，使拱顶与拱架间无空隙。

3、强支护：针对围岩和地压情况加强初期支护确保支护结构有足够的强度，采取增加拱架的本身刚性强度、减小拱架间距及喷射砼的厚度，有时也可采取模注砼尽早封闭。

4、快衬砌：必要时二次衬砌工作紧跟开挖工作面进行，力求衬砌尽快成环，和初期支护共同受力。

5、勤检查：安排专人对支护及围岩等进行检查和量测变形，发现围岩有变形或异状，立即采取有效措施进行处理。做好超前地质预报工作，及时了解前方的地质和水文条件。

坍塌处理方法

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做好预报调查   

在塌方处理前，应详细调查其范围、形状、塌穴的地质构造，查明其诱发的原因和塌方类型，然后据此再进行确定处理的方案，这一步非常重要，要初步判断出塌方的可发展性。塌方处理必须等待塌腔内不再坍塌稳定后方可处理，否则安全隐患过大。

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 防止塌方扩大

  塌方发生后，首先防止塌方范围继续扩大；

（1）对坍方范围内顶部与侧壁的危石及大裂缝，抢先清除或锚固。

（2）加强原有支护：对塌方范围前后原有支护进行加固，以防止塌方扩大，如采取周边注浆加固2~4米厚度，在支护内径采取工字钢拱架加固措施。

（3）对塌体表面立即进行喷射砼封闭（增加速凝剂参量），塌穴内在保证安全情况下尽量也进行喷射砼封闭。

（4）加快衬砌：对塌方两端尽快作局部衬砌，以保证塌方不扩大。

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处理塌方

（1）如塌方体积较小，且塌方范围内已进行喷锚或已架设了较为牢固的支撑时，可由两端或一端先上后下地逐步清除塌方，清除时注意观察拱顶及周边的围岩有无变化的可能，避免出现二次塌方。随挖随架设临时支撑，临时支撑必须紧顶到塌腔面。如塌体稍大些时不能完全保证能否引起二次塌方时，不要清除塌体，在塌体上先对拱顶进行临时锚喷支护、钢拱架支撑或进行模注砼作为临时支护，在保证安全情况下再对拱脚进行欠挖处理进行刚性支护。

（2）如塌方体积较大，因塌体堵塞无法进入塌方范围进行支护时，可采用长管棚或注浆加固塌体，待其稳定后，采用“穿”的办法按照短进尺、弱爆破、早封闭的原则挖开塌体，并尽早衬砌，有时为了减少塌腔的暴露时间支护可采取一次性模注砼进行封闭。塌方段围岩整体性较差或富水，还应对该段周边围岩进行预注浆加固处理。

（3）一般塌方段的支护和衬砌需加强处理，模注衬砌背后与塌腔周壁间必须采取紧密支撑。塌方衬砌背后空洞的处理，当塌方较小时，可采用浆砌片石或干砌片石回填密实。当塌腔较大时，可用浆砌片石回填，厚度宜为2米，其上空间采用钢支撑等顶住稳定围岩。当塌方冒顶时，要根据上顶回填炉渣及土的荷载确定支护及模注衬砌的类型，做好形成设计强度后再进行冒顶回填，一般采用轻质材料如炉渣，至地表1~2米后用粘土封层防水，封层要高出原地表50cm左右，回填及封层要夯填密实防止塌陷进水。

（4）处理坍方的同时，应加强防排水工作。坍方往往与地下水活动有关，治坍应先治水。防止地表水渗入坍体或地下，引截地下水防止渗入坍方地段，以免坍方扩大。

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