一种煤系地层铁路瓦斯隧道防突旋喷围桩的施工方法

摘要

本发明公开了一种煤系地层铁路瓦斯隧道防突旋喷围桩的施工方法，包括超前地质预报判定瓦斯突出、确定防突的钻孔排布图、利用地质钻进行围桩预钻孔、采用旋喷机仅对煤层段施工旋喷封闭围桩、在围桩内进行瓦斯释放孔施工、揭煤前最终验证和安全防护措施实施及其隧道的正常开挖等施工步骤。采用封闭围桩隔离煤层，堵住围桩外煤层瓦斯向围桩内煤层流动的途径，减少围桩内的施工对围桩外煤层的扰动范围，仅对围桩内突出煤层实施地质钻钻孔进行瓦斯压力排放，其防突范围大为减小。本方案中的“堵”“排”结合的快速防突施工方法，相比传统防突措施，更安全高效、又简单易行。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，特别是涉及一种煤系地层铁路瓦斯隧道防突旋喷围桩的施工方法。

背景技术

我国西南部煤炭资源丰富，公路铁路交通建设中隧道穿越煤层情况很是常见，当煤层瓦斯压力过高，受到施工扰动时，煤与瓦斯突出将对隧道带来巨大危险，必须采取安全有效的瓦斯防突措施来确保隧道能顺利快速穿越煤层。

根据我国最新2019《铁路瓦斯隧道技术规范(TB 10120-2019)》规定，隧道穿越突出煤层应严格按照“超前综合防突先行，工作面综合防突措施补充”的原则进行设计与施工，对于有瓦斯突出风险的工作面应进行瓦斯防突措施的专项施工方案。现有的防突措施主要从两个角度来防突与保护，一是主动创造条件让煤层的压力提前按希望的路径与规律进行释放，如震动性放炮法、深孔松动性爆破法、钻孔排放法、钻孔预抽法、水力冲孔法；二是主动增加措施让煤层更加牢固使煤层不发生突出危害或减轻突出危害的损失，如管棚支撑法、注浆加固煤体法。而第二种超前管棚与注浆加固媒体也仅在采用了第一种的其他防突措施并检验有效后在揭煤前实施。

现有传统防突措施基本仅是从“抽”或“排”的角度来实现突出煤层瓦斯压力的逐渐降低的，受到扰动的突出煤层里只要存在压力差就会有瓦斯流动，其影响范围就可能涉及到整个煤层，显然，现有防突措施中，因为可能需要将整个煤层范围的压力降低排放到足够安全时才能继续施工，瓦斯防突所花费的时间可能很长，如果煤层越厚或沿煤层走向范围越广，防突过程将会更加缓慢，隧道穿越煤层时间将会越长，影响施工进度。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种煤系地层铁路瓦斯隧道防突旋喷围桩的施工方法，通过对煤层“堵”、“排”结合的方式，实现对煤层瓦斯压力的释放，从而快速达到防突的目的，解决了现有传统防突措施需要将整个煤层范围的压力降低排放到足够安全时才能继续施工，导致防突施工效率低下和防突施工周期长的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

提供了一种煤系地层铁路瓦斯隧道防突旋喷围桩的施工方法，其包括以下步骤：

步骤1：超前地质预报

依据铁路瓦斯隧道技术规范(TB10120-2019)，采用物探法对煤层的位置和走向进行初步判断，并采用超前钻孔判断煤层厚度，判断煤层厚度是否大于等于0.3m和是否有突出危险，若煤层厚度大于等于0.3m，且煤层有突出危险，则进入步骤2；若煤层厚度小于0.3m，且煤层无突出危险，则进入步骤7；

步骤2：开挖掌子面

掌子面开挖至距煤层垂直距离5m或10m处；

步骤3：确定围桩排布图

依据防突规范要求，确定掌子面实施防突措施的控制范围和确定该控制范围内煤层底部的控制轮廓线；根据煤层底部控制轮廓线周长以及旋喷桩的直径确定围桩在煤层底部的排布图；根据煤层底部围桩排布图确定掌子面处的围桩钻孔孔径及其围桩钻孔的孔间距排布图；

步骤4：在煤层上施工封闭围桩，隔离煤层

利用地质钻机，在掌子面处根据确定的围桩钻孔孔径和围桩钻孔的孔间距排布图先进行围桩钻孔施工，然后利用旋喷钻机，依然在掌子面处按围桩排布图仅针对煤层段实施旋喷桩施工，形成封闭围桩，将煤层隔离，堵住围桩外煤层瓦斯向围桩内煤层流动的途径；

步骤5：瓦斯释放钻孔施工以及瓦斯释放

采用地质钻机在掌子面处实施围桩控制范围内的防突措施的瓦斯释放钻孔施工，仅对封闭围桩内的煤层进行瓦斯排放；

步骤6：揭煤前最终验证及补充措施

围桩内煤层瓦斯压力降低至安全值后，进行揭煤前最终验证，当验证为无效时，补充防突措施并重新验证直至有效，当验证有效时，进入步骤7；

步骤7：实施安全防护措施，然后进行隧道正常开挖作业施工。

本发明的有益效果为：本方通过高压旋喷钻机在煤层段形成封闭围桩，封闭围桩的高强度固结体特性就可以“堵住”围桩外煤层瓦斯向围桩内煤层流动的途径，这样就可以有效地大大缩小由于围桩内排放孔释放瓦斯引起的压力变化对围桩外煤层的扰动范围；而传统防突措施仅采用“抽或排”方式，煤层内只要有瓦斯压差存在就会有瓦斯的流动，其排放孔瓦斯压力变化影响范围则可能涉及整个煤层范围；在掌子面处利用地质钻钻机实施围桩范围内煤层段瓦斯排放孔的施工，显然这种小范围的瓦斯防突排放，所耗时间自然比传统防突措施的防突范围要小得多。本方案中的“堵”“排”结合的快速防突施工方法，相比传统防突措施，更安全高效、又简单易行。

附图说明

图1为一种煤系地层铁路瓦斯隧道防突旋喷围桩的施工方法的流程图。

图2为隧道开挖剖面示意图。

图3为隧道开挖平面示意图。

图4为旋喷围桩在煤层底部的排布图。

图5为掌子面的围桩钻孔排布图及释放钻孔排布图。

图6为封闭围桩在煤层内的正视结构示意图。

图7为封闭围桩在煤层内的三维结构示意图。

图8为封闭围桩的三维结构示意图。

其中，1、煤层；2、掌子面；3、控制轮廓线；4、旋喷桩；5、围桩钻孔；6、排气孔；7、开挖轮廓线；8、封闭围桩。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1～8所示，本发明提供了一种煤系地层铁路瓦斯隧道防突旋喷围桩的施工方法，其包括以下步骤：

步骤1：超前地质预报

依据铁路瓦斯隧道技术规范(TB10120-2019)，采用物探法对煤层1的位置和走向进行初步判断，并采用超前钻孔判断煤层1厚度，判断煤层1厚度是否大于等于0.3m和是否有突出危险，若煤层1厚度大于等于0.3m，且煤层1有突出危险，则进入步骤2；若煤层1厚度小于0.3m，且煤层1无突出危险，则进入步骤7；优选的，超前钻孔的施工位置与初探煤层1之间垂直距离不小于20m。

步骤2：开挖掌子面2

掌子面2开挖至距煤层1垂直距离5m或10m处；进一步地，当判定煤层1为超前综合防突时，掌子面2开挖至距煤层1垂直距离10m处；煤当判定煤层1为工作面综合防突时，掌子面2开挖至距煤层1垂直距离5m处。

步骤3：确定围桩排布图

确定掌子面2实施防突措施的控制范围和确定该控制范围内煤层1底部的控制轮廓线3；根据煤层1底部控制轮廓线3周长以及旋喷桩4的直径确定围桩在煤层1底部的排布图；根据煤层1底部围桩排布图确定掌子面2处的围桩钻孔5孔径和围桩钻孔5的孔间距排布图；

当煤层1瓦斯铁路隧道施工为超前综合防突时，在沿隧道轴线垂直方向的开挖轮廓线7外侧10m处和在沿煤层1走向的开挖轮廓线7外侧15m处均设置周向闭合的连续围桩，连续围桩为多个旋喷桩4环形周向布置形成，连续围桩底部贯穿煤层1并进入岩层预定深度；以保证截断或者减小围桩内钻孔对围桩外煤层1的扰动影响。这样仅考虑围桩内突出煤层1瓦斯压力的释放，在围桩内重新优化实施排放孔的间距与长度，从而快速达到防突的目的。

当煤层1瓦斯铁路隧道施工为工作面综合防突时，在沿隧道轴线垂直方向的开挖轮廓线7外侧5m处和在沿煤层1走向的开挖轮廓线7外侧10m处均设置周向闭合的连续围桩，连续围桩为多个旋喷桩4环形周向布置形成，连续围桩底部贯穿煤层1并进入岩层预定深度。以保证截断或者减小围桩内钻孔对围桩外煤层1的扰动影响。同理，在围桩内重新优化实施排放孔的间距与长度，从而快速达到防突的目的。

进一步地，当为工作面综合防突时，掌子面2左右两侧及顶部的控制轮廓线3与开挖轮廓线7之间的距离为5m，掌子面2底部的控制轮廓线3与开挖轮廓线7之间的距离为3m。

步骤4：在煤层1上施工封闭围桩8，隔离煤层1

根据确定的围桩钻孔5孔径和围桩钻孔5的孔间距排布图，先利用地质钻进行围桩钻孔5施工，然后利用旋喷钻机仅针对煤层段所有的围桩钻孔进行旋喷施工形成旋喷桩4，所有的旋喷桩4形成封闭围桩8，将煤层1隔离，堵住围桩外煤层1瓦斯向围桩内煤层1流动的途径；

具体地，利用旋喷钻机仅针对煤层所有的围桩钻孔进行旋喷施工形成旋喷桩4的施工方法包括以下步骤：

步骤4.1：将高压旋喷钻机的钻杆伸入一个围桩钻孔5内，采用高压泵将水泥浆液通过钻杆端头进入喷头，钻杆带动喷头绕轴线转动，喷头为中空圆柱结构，喷头外壁上设置有多个与其内部连通的出液孔，水泥浆液通过出液孔喷入煤层1土层，水泥浆液的冲击力环向切削土层，扩大围桩钻孔5孔径，钻杆带动喷头轴向移动，直至钻杆端头完全贯穿煤层1，煤层1土体与水泥浆液搅拌混合凝固，形成单个旋喷桩4；

步骤4.2：根据确定的围桩钻孔5排布图施工形成多个旋喷桩4，多个旋喷桩4在煤层1上环形周向布置形成封闭围桩8，隔离煤层1。

进一步地，旋喷桩4的直径为围桩钻孔5孔径的6～10倍，旋喷桩4的直径为0.6m～1.0m。

旋喷桩4原理：利用高压泵将水泥浆液通过钻杆端头的特制喷头，以高速喷入煤层1土体，借助液体的冲击力切削土层，同时钻杆一面以一定的速度旋转，一面低速徐徐提升，使煤层1土体与水泥浆充分搅拌混合凝固，形成具有一定强度的圆柱固结体(即旋喷桩4)，从而使煤层1土体得到加固；旋喷桩4的特点：能利用小直径钻孔旋喷成比孔大8～10倍的大直径高强度的固结体，可提高土体的抗剪强度；可加固、可挡土或挡水、防渗。施工噪声低，振动小；可用于任何软弱土层，可控制加固范围；设备较简单、轻便，机械化程度高；料源广阔，施工简便，速度快，成本低等。

步骤5：瓦斯释放钻孔施工以及瓦斯释放

采用地质钻机对掌子面2实施防突措施区域范围进行排气孔6钻孔施工，对封闭围桩8内的煤层1进行瓦斯排放；

步骤6：揭煤前最终验证及补充措施

围桩内煤层1瓦斯压力降低至安全值后，进行揭煤前最终验证，当验证为无效时，补充防突措施并重新验证直至有效，当验证有效时，则进入步骤7；

步骤7：实施安全防护措施，转入隧道正常开挖作业施工。

本方案中的了一种煤系地层铁路瓦斯隧道防突旋喷围桩的施工方法的基本原理为：隧道穿越突出煤层1时，需要进行防突措施，首先根据煤层1的位置以及厚度，确定掌子面2的开挖线，根据掌子面2的开挖线确定控制轮廓线3，在掌子面2上使用地质钻形成围桩钻孔5，利用高压旋喷钻机能利用小直径钻孔在煤层1里能旋喷成比孔大6～10倍的大直径旋喷桩4，对现有规范的防突范围控制轮廓处的煤层1段实施周向封闭的高压旋喷围桩的施工，形成的封闭围桩8，其高强度固结体特性就可以“堵住”围桩外煤层1瓦斯向围桩内煤层1流动的途径，这样就可以有效地大大缩小由于围桩内排放孔释放瓦斯引起的压力变化对围桩外煤层1的扰动范围；而传统防突措施仅采用“抽或排”方式，煤层1内只要有瓦斯压差存在就会有瓦斯的流动，其排放孔瓦斯压力变化影响范围则可能涉及整个煤层1范围。在掌子面2处利用地质钻钻机实施围桩范围内煤层1段瓦斯排放孔的施工，显然这种小范围的瓦斯防突排放，所耗时间自然比传统防突措施的防突范围要小得多。本方案中“堵”“排”结合的快速防突施工方法，相比传统防突措施，更安全高效、又简单易行。