A5-5了解：特殊地质条件下隧道施工的基本准则

A5-5了解：特殊地质条件下隧道施工的基本准则当隧道穿越瓦斯地层、岩溶地层、松散地层、黄土地层、膨胀岩地层、断层破碎带、富水沙层、软土地层，以及高地压、高地温等特殊地质地层时，在施工过程中，稍有不慎就很可能发生瓦斯爆炸、突水、突泥、流沙、坍方、岩爆、大变形等工程事故，影响施工进度，更严重地威胁施工人员的生命安全。

因此，在特殊地质条件下进行隧道施工时，应遵循“预防为主、防治结合，稳扎稳打、步步为营”的施工原则。

特殊地质地段隧道施工前，应认真核对设计所提供的工程地质和水文地质资料，充分调查、掌握不良地质条件的特殊性，深刻认识、分析不良地质条件的危害性。

针对不良地质条件的特殊性，制订科学、合理的施工方案和紧急预案。

特殊地质地段隧道施工，应充分考虑地质条件的特殊性（围岩所处的地质构造环境、围岩的破碎程度、地下水的作用等），结合隧道工程结构条件（隧道所处的位置、埋置深度、断面形状、尺寸大小等）、隧道施工条件（施工方法、施工速度、机械装备等），选择恰当的施工方法和措施，配备足够的机械设备和材料。

同时应考虑地质条件变化时，改变施工方法便利。

学习资料5-5-1 瓦斯地层瓦斯俗称沼气，其化学成分以甲烷(CH4)为主。

瓦斯常存在于煤系地层中。

瓦斯分子较小，其扩散速度比空气大1.6倍，很容易从破碎围岩的节理、裂隙溢出。

当隧道穿过煤系地层（煤层、油页岩层），或从其煤系地层附近通过时，瓦斯就会从破碎围岩的节理、裂隙溢出到坑道中。

如果坑道内瓦斯浓度与空气比例适当，在有火源时，就会引起爆炸，造成极大的危害和损失。

如果坑道内空气中瓦斯浓度较大，氧气浓度就低，很容易使人窒息死亡。

21世纪之初，在我国隧道工程中，如都汶高速公路董家山隧道施工期间的瓦斯大爆炸，尤其是在煤矿开采中发生瓦斯爆炸的事故已屡见不鲜，造成的损失之大、教训之惨痛也是前所未有的。

所以，在有瓦斯的地层中修建隧道，必须采取相应的安全措施，才能安全顺利施工。

一、瓦斯的性质1、瓦斯为无色、无臭、无味的气体，常有碳化氢或硫化氢混合存在，有类似苹果的香味。

瓦斯比重为0.554，比氧气比重小，所以瓦斯容易存在坑道顶部。

3、瓦斯不能自燃，但极易引燃。

当坑道中的瓦斯浓度小于5%，遇到火源时瓦斯只是在火源附近燃烧而不会爆炸。

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。

瓦斯浓度大于14%～16%，遇火时一般不爆炸，能平静地燃烧。

4、瓦斯浓度在5%～6%到14%～16%时，遇到火源则具有爆炸性。

瓦斯燃烧时，遇到障碍而受压缩，即能转变为爆炸。

瓦斯浓度爆炸界限见表12-1。

5、瓦斯爆炸时能产生高温，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185℃。

6、坑道中发生瓦斯爆炸时，爆炸冲击波在前，火焰在后，冲击波使积存的瓦斯先压缩，后被火焰点燃发生爆炸，形成二次爆炸。

第二次爆炸产生的爆炸压力更大，破坏力也更大，会直接造成人员伤亡、设备破坏。

坑道中发生瓦斯爆炸后，坑道中氧气耗尽，而充满氮气、二氧化碳及一氧化碳气。

这些气体会令人窒息或中毒死亡，坑道内凡是来不及躲避的人都会受到危害。

二、瓦斯放出的类型瓦斯从岩层中溢出，可分为以下渗出、喷出、突出三种类型：1、瓦斯渗出：是指瓦斯从煤系地层的暴露面缓慢地、均匀地、长时间、不停地渗出，有时伴有嘶嘶的声音。

常发生在煤系地层深厚，瓦斯储量较大的地层条件下。

其持续时间长，渗出量最大。

2、瓦斯喷出：瓦斯从煤系地层的裂缝或孔洞中溢出，通常伴有较大的响声。

因压力较大，喷出比较强烈，喷出时间则有长有短，渗出量有多有少。

3、瓦斯突出：瓦斯从煤系地层的裂缝或孔洞中溢出，在短时间内，突然猛烈地喷出大量瓦斯。

因压力较大，喷出比较强烈，常伴有巨大的响声，并夹有煤块或岩石飞出。

一般喷出时间较短，从几分钟到几小时，具有很强的突发性。

三、防瓦斯爆炸的措施(一)管理制度1、瓦斯检查制度：指定专人、定时和经常进行检查，测量风流和瓦斯含量，严格执行瓦斯允许浓度的规定。

瓦斯检查手段可采用瓦斯遥测装置、定点报警仪和手持式光波干涉仪。

随时发现异常情况，应及时报告技术主管负责人，采取措施进行处理。

2、洞内严禁使用明火，严禁将火柴、打火机、手电筒及其他易燃品带入洞内。

3、进洞人员必须经过瓦斯知识和防止瓦斯爆炸的安全教育。

抢救人员未经专门培训不准在瓦斯爆炸后进洞抢救。

4、瓦斯检查人员必须挑选工作认真负责、有一定业务能力、经过专业培训、考试合格者，方可进行监测工作。

制度要得到严格执行，才能成为安全的有效保证。

(二)瓦斯探测隧道穿过瓦斯溢出地段之前，就必须购配瓦斯探测仪器，保证及时准确探测到瓦斯溢出的情况。

(三)施工方法瓦斯地层的隧道施工，宜采用全断面开挖，因其工序简单、面积大、通风好，有利于瓦斯排除。

上下导坑法开挖，因工序多，洞内各工序交错分散，成洞时间长，岩层暴露的总面积多，使瓦斯多处积滞，不易排出。

施工中要求工序间距离尽量缩短，开挖后要及时进行锚喷支护，并保证其厚度，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。

(四)加强通风加强通风是防止瓦斯爆炸最有效的办法。

在有瓦斯的坑道，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。

瓦斯隧道必须加强通风，防止瓦斯积聚。

通风必须把洞内空气中的瓦斯浓度吹淡到爆炸浓度以下的1/5～1/10，并排出洞外。

(五)紧急处置1、瓦斯隧道施工时，洞内空气流速应符合以下规定。

洞内总回风风流不小于0.75% ；从其他工作面进来的风流不小于0.5% ；掘进工作面风流不小于2% 以下；工作面装药爆破前风流不小于1% 以下。

2、开挖工作面风流中和电动机附近20m以内风流中瓦斯浓度达到1.5%时，必须停工、停机，撤出人员，切断电源，进行处理。

3、开挖工作面内，局部积聚的瓦斯浓度达到2%时，附近20m内，必须停止工作，切断电源，进行处理。

4、因瓦斯浓度超过规定而切断电源的电气设备，都必须在瓦斯浓度降到1%以下时，方可开动机器。

5、由于停电或检修，使主要通风机停止运转，必须有恢复通风、排除瓦斯和送电的安全措施。

恢复正常通风后，所有受到停风影响的地段，必须经过监测人员检查，确认无危险后方可恢复工作。

所有安装电动机和开关地点的20m范围内，必须检查瓦斯，符合规定后才可启动机器。

局部通风机停止运转，在恢复通风前，亦必须检查瓦斯，符合规定方可开动局部风机，恢复正常通风。

6、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。

(六)防爆设施1、遵守电器设备及其他设备的保安规则，避免发生电火，瓦斯散发区段，使用防爆安全型的电器设备，洞内运转机械须具有防爆性能，避免运转时发生高温火花。

2、凿岩时用湿式钻岩，防止钻头发生火花，洞内操作时，防止金属与坚石撞击、摩擦发生火花。

3、爆破作业，使用安全炸药及毫秒电雷管，采用毫秒雷管时，最后一段的延期时间不得超过130ms。

爆破电闸应安装在新鲜风流中，并与开挖面保持200m左右距离。

4、洞内只准用电缆，不准使用皮线。

使用防爆灯或蓄电池灯照明。

5、铲装石渣前必须将石渣浇湿，防止金属器械摩擦和撞击发生火花。

学习资料5-5-2 溶岩地层岩溶是指可溶性岩层，如石灰岩、白云岩、白云质灰岩、石膏、岩盐等，受水的化学和物理作用，形成裂缝、沟槽和空洞，以及，地表陷穴、洼地的自然现象和地质作用。

岩溶的结果通常表现为溶洞、溶槽、溶管，通常形成下切和水平方向延伸。

有些是空的，有些填充有泥水，有些会形成地下暗河。

通常统称为溶洞。

我国东南、西南及华南地区，石灰岩分布极广，是典型的溶岩地层。

在这些地区修建隧道，常会遇到溶洞，必须予以特别注意。

一、溶洞的类型、工程特点及对隧道施工的影响（一）溶洞的类型溶洞一般可区分为大、小、干、湿、死、活几种类型。

小、干、死的溶洞比较容易处理，而大、湿、活的溶洞，处理方法则较为复杂。

（二）溶洞的工程特点1、突变性：在溶岩地层中进行隧道施工，没有溶洞的区段，基岩一般比较稳定，但溶洞的出现会很突然，施工条件也会发生突然变化，施工措施也要随之调整和改变。

2、突发性：主要是指在填充性溶洞条件下，突水突泥往往会突然发生。

如渝怀铁路圆梁山隧道岩溶突水瞬时发生，3#溶洞正洞超前下导坑施工时，掌子面突发爆喷型突泥，瞬间，硬塑～软塑状黏土塞满244m长的下导坑空间，涌泥量4 200m3。

3、高压性：在且埋深较大的填充型溶洞条件下，泥水会以高压突出，危害更严重。

如圆梁山隧道岩溶预估静水压力高达4.6MPa,2#溶洞突水后进行水压测试为2.73MPa。

施工中均出现了射水、涌泥、喷沙现象，还曾将钻孔中的钻杆推射出8.0m远。

4、富水性：在与地表、地下水连通的大型填充型溶洞条件下，突水量很大，往往会对区域地下地表水造成严重影响。

如圆梁山隧道预估正常涌水量为9.8万m3/d，最大涌水量为8.3×104m3/d，最大水压为4.6MPa。

施工时， 2号溶洞实测最大涌水量为69000m3/h，最大水压超过3.0MPa。

5号溶洞突发大规模涌水突泥，最大涌水量2万m3/h。

涌水涌泥持续28分钟后渐小。

（三）溶洞对隧道工程的影响当隧道穿过可溶岩地层时，有的溶洞岩质破碎，容易发生坍塌。

有的溶洞位于隧道底部，充填物松软且深，使隧道基底难于处理。

有时遇到填满饱含水份的充填物溶槽，当坑道掘进至其边缘时，含水充填物不断涌入坑道，难以遏止，甚至使地表开裂下沉，山体压力剧增。

有时遇到大的水囊或暗河，岩溶水或泥砂夹水大量涌入隧道。

有的溶洞、暗河迂回交错、分支错综复杂、范围宽广，处理十分困难。

二、隧道遇到溶洞的处理原则及措施(一) 隧道遇到溶洞的处理原则1、隧道通过岩溶区，应查明溶洞分布范围和类型，岩层的完整稳定程度、填充物和地下水情况，据以确定施工方法。

对尚在发育或穿越暗河水囊等地质条件复杂的岩溶区，应查明情况审慎选定施工方案。

对有可能发生突然大量涌水、流石流泥、崩坍落石等，必须事先制定措施，确保施工安全。

2、隧道穿过岩溶区，如岩层比较完整、稳定，溶洞已停止发育，有比较坚实的填充，且地下水量小，可采用探孔或物探等方法，探明地质情况，如有变化便于采取相应的措施。

如溶洞尚在发育或穿越暗河水囊等岩溶区时，则必须探明地下水量大小、水流方向等，先要解决施工中的排水问题，一般可采用平行导坑的施工方案，以超前钻探方法，向前掘进。