本发明涉及高速铁路隧道施工方法，特别涉及高速铁路隧道穿越煤层条件下开挖工作面瓦斯突出危险性预测的施工方法。
背景技术：
高速铁路隧道断面大，一般达140m2以上，揭煤施工时煤与瓦斯突出危险性较采煤巷道和普速、单线隧道更大，突出强度也更高。高铁大断面隧道揭煤因其自身特性，通常是穿越未受开采影响的原始煤层，其瓦斯压力、地应力均处于原始状态，揭穿煤层时，工作面由坚硬的岩层突然进入松软的煤层，工作面前方应力发生局部突变与集中，这些为瓦斯突出创造了必要且有利的条件。高速铁路隧道煤与瓦斯突出的特点为强度大、瓦斯量大、破坏作用大，危害严重。
瓦斯突出危险性预测是为了判定穿煤隧道开挖工作面是否有突出危险，以便为制定后续施工技术方案提供依据，准确预测突出不仅有利于隧道揭煤的安全施工，而且将指导防突措施的正确应用。我国将突出危险性预测分为区域突出预测和工作面突出预测两类，铁路隧道突出危险性预测一般指工作面突出预测，目前规范采用的预测指标包括：瓦斯压力法、钻屑指标法、综合指标法、复合指标法、“r”值指标法等，均引至煤矿部门，其特点是确保安全岩柱条件下，通过测定瓦斯压力、煤层坚固系数、瓦斯放散初速度、解吸指标等判断开挖工作面是否有突出危险性。
上述指标方法的缺点是测试工作量大，测试周期长，施工工序复杂，并且由于高铁大断面隧道与煤巷在断面大小、施工工艺、施工条件等有诸多不同，很多指标不适宜隧道预测突出使用，预测结果有时与实际不符，出现某些煤层指标未达到阀值却发生了突出，而某些煤层即使指标均达到阀值而未发生突出的情况。例如当隧道工作面在地质构造处或距煤层距离过小时，瓦斯压力法预测突出结果易出现误判，给隧道施工带来极大的安全风险。目前我国已建成的铁路瓦斯隧道约有20座，虽然在设计施工运营等方面积累了不少经验，但已建成的瓦斯隧道基本上都为单线、普速、小断面隧道，如家竹菁隧道断面仅70多m2，铁路系统在高速、客运专线、大断面瓦斯隧道突出危险性预测、防突措施等方面缺乏相关研究，因此高铁隧道穿越煤层施工需要一种新的突出危险性预测施工方法以解决此问题，该方法旨在通过合理选取预测指标，简化施工步骤，大大缩减揭煤工期和提高施工效率，该方法具有预测准确、安全、可靠、快速、经济、简易等特点，并符合节能环保的要求。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供高速铁路隧道穿越煤层瓦斯突出危险性三步预测施工方法，以简化施工步骤，缩减揭煤工期和提高施工效率，方法具有准确、安全、可靠、快速、经济、简易等特点，并符合节能环保的要求。
本发明解决所述技术问题采用的技术方案是，高速铁路隧道穿越煤层瓦斯突出危险性预测施工方法，其特征在于，包括下述步骤：
1)在10m岩柱处利用超前钻孔作第一次测试，采集煤样测定煤层瓦斯含量x0，钻孔测定煤层瓦斯压力p，若煤层瓦斯含量与瓦斯压力均在预设安全范围内则表示煤层无突出危险性可正常揭煤施工，煤层瓦斯含量与瓦斯压力二者有一超出预设安全范围则进入步骤2)；
2)掘进至7m岩柱采取穿层抽采钻孔或超前排放钻孔措施，抽采或排放煤层瓦斯，并测定瓦斯含量值对措施效果进行检验。若检验有效，则进入步骤3)；若校检无效，则补充抽采或排放煤层瓦斯措施直至检验有效。
3)掘进至5m岩柱进行第二次测试，测定煤粉钻屑解吸指标k1值，判断其是否处于预设的安全范围，若是则继续掘进，否则发出威胁提示并进入步骤4)；
4)采取钻孔排放措施直至煤粉钻屑解吸指标k1值处于预设的安全范围；
5)掘进至2m岩柱处进行第三次测试，测试煤粉钻屑解吸指标k1值，若处于预设的安全范围则继续掘进，否则采取防突措施直至煤粉钻屑解吸指标k1值处于预设的安全范围。
本发明的有益效果是：工法改变了传统预测法采用单一指标由于测试仪器或人员带来的结果多变性和不确定性的缺点，发展为以瓦斯含量、钻屑解吸指标、瓦斯压力多指标通过三步判定工作面突出危险性的新方法，消除了预测不准误揭煤层的风险，保证了预测结果准确性，有效解决了高铁隧道瓦斯突出危险性预测及安全揭煤的技术难题。相比煤矿部门方法，减少了大量测试工作，当煤层无突出危险时，该方法通过第一次测试即可确定揭煤安全性，只有首次测试有突出危险才进行下一步测试，大大缩短了施工工期，简化了施工步骤，施工效率提高了40％，减少测试工作量56％，产生了较好的经济效益。第一次预测采用瓦斯含量法，具有测试时间短、工艺简单、工作量小、准确可靠、测点布置灵活、不受地质条件影响的优点，可实现1小时内精准确定瓦斯含量，为快速揭煤创造了良好条件。
具体实施方式
本发明的施工方法分为三步进行：首先，在10m岩柱处利用超前钻孔作第一次测试，采集煤样测定煤层瓦斯含量x0值，利用钻孔测定煤层瓦斯压力p，并结合钻孔时的动力现象(有无顶钻、夹钻、喷孔现象)，初步确定煤层是否有突出危险性；然后初次判断有突出可能时，向前掘进至5m岩柱进行第二次测试，测定煤粉钻屑解吸指标k1值，结合钻孔动力现象(有无顶钻、夹钻、喷孔现象)，进行第二次判定；最后掘进至2m岩柱处进行第三次测试，测试解吸指标k1值，进行揭煤前的最后判定，明确煤层是否有突出危险。
下面结合实例对本发明进一步说明。
第一步综合分析煤层赋存、产状与隧道的位置关系，选取隧道至待揭煤层前30m处，在隧道侧壁外布置钻场，施工至少3个超前探孔，准确探明石门工作面与煤层的相对位置，掌握煤层厚度、赋存条件、地质构造等基本情况；同时利用探孔采取煤样送实验室测定煤层残存瓦斯含量、煤的工业分析指标、吸附常数a、b值等相关参数。
第二步隧道施工至煤层法线距离10m位置，共布置6个预测钻孔(取芯)，沿隧道中线布置2个，隧道的上、下、左、右各布置1个钻孔，钻孔的控制范围均为石门工作面隧道轮廓线外8m，即上方、两侧和下方8m。通过预测钻孔取煤样并进行现场解吸，直接测定瓦斯解吸量，并计算得出瓦斯损失量，结合实验室测定的残存瓦斯含量及工业指标值，可快速确定煤层的瓦斯含量值。在预测钻孔中选取部分钻孔作为测压钻孔，进行煤层原始瓦斯压力的测定，同时观察有无顶钻、夹钻、喷孔现象。距煤层法线10m处采用煤层瓦斯含量x0、瓦斯压力p相补充，并结合钻孔动力现象对煤层突出危险性进行第一步预测。
当预测无危险性，可认为煤层不具有突出危险性，可正常揭煤施工；当预测有危险性时，在隧道侧壁外布置钻场打穿层钻孔进行煤层预抽放措施，工作面距煤层法线距离7m处采取穿层抽采钻孔或超前排放钻孔措施，抽采或排放煤层瓦斯，抽(排)放措施完成后采用测定瓦斯含量法对措施效果进行检验和评价。若效果检验有效，正常掘进至法向距离5m处进行第二步突出预测；若校检无效，则补充抽(排)钻孔措施直至检验有效。
预测和效果检验指标采用煤层瓦斯含量指标x0以及瓦斯压力p。指标临界值参照《防突规定》的规定选取，瓦斯含量指标临界值取8m3/t，瓦斯压力临界值取0.74mpa。
第三步对突出煤层在7m采取防突措施并验证消突后，施工至石门距煤层法线距离5m进行第二步预测(亦可看作第一步消突的检验性预测)。考虑到高铁隧道断面大，揭煤区域大，隧道内布置6个预测钻孔，钻孔进入煤层每钻进2m采集一次粒径1～3mm的煤钻屑，测定钻屑瓦斯解吸指标k1,每隔1m测定一次钻粉量，并观察有无顶钻、夹钻、喷孔现象。距煤层法线5m处采用钻屑瓦斯解吸指标k1，并结合钻孔动力现象对煤层突出危险性进行第二次预测。
当5m预测有突出危险性，施工穿层排放钻孔进行工作面防突措施，排放后测定钻屑解吸指标k1进行效果检验，若检验有效，采取短进尺、强支护、快掘进、锚网喷技术边探边掘至煤层最小法向距离2m处；若效果检验无效，则继续补充排放钻孔措施直至检验有效。
预测和效果检验指标采用钻屑瓦斯解吸指标k1。指标临界值参照《防突规定》的规定选取，k1值取0.4cm/(g.min-1)。
第四步在石门距煤层法线距离2m处，采用钻屑解吸指标法(参照5m工作面预测方法)进行突出效果验证(第三步预测)，若验证无突出危险，则准备揭开煤层，若验证有突出危险性，则需要继续补充排放钻孔，直到验证无突出危险为止。预测和效果检验指标同5m处预测方法。
第五步过石门坎的半煤巷及煤巷掘进的基本原则为：勤预测、短进尺、强支护、管超前、严注浆、快封闭。在(半)煤巷掘进过程中，每循环布置6个钻孔，对工作面前方10m范围内突出危险性进行检验，沿隧道中线布置2个，靠上、下、左、右的钻孔距隧道轮廓线1m左右，终孔在隧道轮廓线外3m。如无危险，则保留5m安全煤柱后掘进，有危险则施工超前排放钻孔防突措施直至消除危险。掘进中采用煤体内注浆结合自进式锚杆及管棚的防突措施，台阶法施工的每级台阶长度控制在5m，工作面掘进进尺控制在0.6m～1m。