曹正喜 王棟 唐軍平

中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司（610031）

敘畢鐵路斑竹林隧道有害氣體分析及防治

曹正喜 王棟 唐軍平

中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司（610031）

有害氣體是敘畢鐵路隧道地質(zhì)災(zāi)害問題之一,文章以斑竹林隧道為例，通過野外調(diào)查和區(qū)域資料分析，弄清了隧址區(qū)地層巖性、儲(chǔ)氣地質(zhì)構(gòu)造,結(jié)合洞身段的深孔鉆探、孔內(nèi)含氣性檢測(cè)試驗(yàn)等方法，明確了斑竹林隧道有害氣體的主要成分及形成原因,并對(duì)有害氣體的賦存形式進(jìn)行了分析，提出了合理的治理方案，為鐵路設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，也為全線隧道有害氣體勘探提供了借鑒。

有害氣體；儲(chǔ)氣構(gòu)造；防治措施

0 前言

深埋長隧道延伸長,埋深大,穿越的地質(zhì)條件復(fù)雜,在施工過程中常遇到一系列特殊的地質(zhì)災(zāi)害問題,如巖爆、有害氣體、高壓涌水、高地溫[1-2]。其中有害氣體作為深埋長隧道地質(zhì)災(zāi)害問題之一,也越來越多地受到人們的關(guān)注。有害氣體不僅對(duì)人體的健康有危害,而且因突然噴出、燃燒或爆炸等,急劇惡化隧道施工條件,造成災(zāi)難性破壞。我國的貴昆線巖腳寨隧道、成昆線沙木拉達(dá)隧道、達(dá)成線炮臺(tái)山隧道、內(nèi)昆線天星場(chǎng)至仙水段、南昆線的家竹箐隧道等都出現(xiàn)大量的瓦斯噴發(fā)或爆炸,造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[3]。敘畢線通過威信儲(chǔ)氣構(gòu)造、以勒新街儲(chǔ)氣構(gòu)造及畢節(jié)儲(chǔ)氣構(gòu)造，三個(gè)儲(chǔ)氣構(gòu)造(如圖1)，文章以斑竹林隧道為例，分析了隧道內(nèi)有害氣體產(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境以及有害氣體的化學(xué)成分、形成機(jī)制，提出治理措施建議，為線路其他段落的有害氣體防治提供借鑒。

1 工程概況

敘永至畢節(jié)鐵路全線長約189 km，設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h，定位于區(qū)域性干線鐵路，其中斑竹林隧道位于云南省威信縣境內(nèi)，隧道全長12 758 m埋深580 m，是全線最長重點(diǎn)隧道。

2 隧址區(qū)地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

2.1 地層巖性

隧道于D2K222+190～D2K224+550段志留系下統(tǒng)龍馬溪組（S1l）的泥質(zhì)灰?guī)r與頁巖互層、頁巖夾泥質(zhì)灰?guī)r和頁巖、炭質(zhì)頁巖等，上覆志留系下統(tǒng)龍石牛組（S1s）的泥質(zhì)灰?guī)r夾頁巖，下伏奧陶系中上統(tǒng)（O2+3）的灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r夾泥灰?guī)r。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧區(qū)位于云貴高原北部揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)滇東臺(tái)褶帶，褶曲、斷裂均比較發(fā)育，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。隧道主要位于威信復(fù)式構(gòu)造帶，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層發(fā)育，D2K222+190～D2K224+550段位于高寨坡江西灣背斜的NW翼，高寨坡江西灣背斜的軸部位于D2K227+780附近，軸線呈北東向展布，屬于新華夏系構(gòu)造體系。背斜核部為寒武系婁山關(guān)群地層，兩翼為奧陶系、志留系地層。

3 有害氣體化學(xué)分析

通過對(duì)洞身段(D2K223+563.5右5.1 m)處進(jìn)行深孔鉆探（鉆孔編號(hào)DZ-BZLS深-01-1）鉆探至177 m時(shí)有害氣體噴出,對(duì)有害氣體成分測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果（見表1）可知其有害氣體的中甲烷含量69.17%，對(duì)洞身D2K224+601.4右10.8 m進(jìn)行第二次鉆探（鉆孔編號(hào)DZ-BZLS深-01-2），同樣進(jìn)行有害氣體成分測(cè)試，測(cè)試結(jié)果中甲烷含量達(dá)到90.22%。通過兩個(gè)深孔的孔內(nèi)有害氣體檢測(cè)結(jié)果可知，隧道內(nèi)的有害氣體為甲烷,即通常所說的天然氣。

天然氣是指動(dòng)、植物通過生物、化學(xué)作用及地質(zhì)變化作用，在不同地質(zhì)條件下生成、轉(zhuǎn)移，在一定壓力下儲(chǔ)集，埋藏在深度不同的地層中的優(yōu)質(zhì)可燃?xì)怏w。它以低分子飽和烴類氣體為主，并含有少量非烴類氣體。在烴類氣體中,甲烷占絕大部分，乙烷、丙烷、丁烷和戊烷含量不多，庚烷以上烷烴含量極少。另外，所含的少量非烴類氣體一般有二氧化碳、一氧化碳、氮?dú)?、氫氣、硫化氫和水蒸氣以及少量的惰性氣體。

表1 含氣性檢測(cè)結(jié)果表

圖2 鉆孔位置及地層巖性分布斷面示意圖

4 有害氣體成因及對(duì)工程影響

4.1 有害氣體成因分析

1）鉆探資料分析

1 號(hào)深孔DZ-BZLS深-01-1位于隧道洞身里程D2K223+563.5右5.1 m處，（如圖2），鉆探至井深177m處，開始有瓦斯氣體噴出，根據(jù)鉆探深度及巖性分析，深孔位置剛穿過志留系下統(tǒng)石牛欄組(S1s)泥質(zhì)灰?guī)r進(jìn)入龍馬溪組上段（S1l）的泥質(zhì)灰?guī)r與頁巖互層。最終鉆探孔深為265.73 m，在177～265.73 m段的鉆進(jìn)過程中無有害氣體溢出的異常。2號(hào)鉆孔DZ-BZLS深-01-2位于洞身D2K224+ 601.4右10.8 m（見圖2），有害氣體開始噴出時(shí)鉆孔井深310.55 m,地層為O2地層，巖性為龜裂紋灰?guī)r。

2）含氣地層分析

據(jù)區(qū)域地質(zhì)及現(xiàn)在調(diào)查資料分析，該儲(chǔ)氣構(gòu)造中的含氣層主要為二疊系長興-龍?zhí)督M（P2c+l)和梁山組（P1l）含煤地層中的煤層氣，位于背斜兩翼，已有煤礦呈帶狀開采，未在其他地層中發(fā)現(xiàn)有天然氣開采情況。同樣根據(jù)區(qū)域地質(zhì)及現(xiàn)在調(diào)查資料分析，志留系下統(tǒng)龍馬溪組（S1l）底部有厚約55 m的炭質(zhì)頁巖，奧陶系中上統(tǒng)（O2+3）的灰?guī)r中夾有炭質(zhì)頁巖，奧陶系湄潭組（O1m）中含磷砂巖，桐梓組（O1t）地層中局部含膠磷礦硅質(zhì)巖，勘探發(fā)現(xiàn)天然氣后，對(duì)鉆孔附近約1 km2范圍內(nèi)進(jìn)行了調(diào)查訪問，其結(jié)果是沒有天然氣出露和使用過天然氣的歷史。

綜上所述,根據(jù)隧道深孔勘探發(fā)現(xiàn)了天然氣，是由下伏炭質(zhì)頁巖、含磷砂巖和含膠磷礦硅質(zhì)巖產(chǎn)生的有毒有害氣體沿節(jié)理、裂隙儲(chǔ)集于其上的灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r的溶蝕裂隙中形成了天然氣，呈透鏡體狀分布。

4.2 有害氣體對(duì)隧道影響

1）根據(jù)DZ-BZLS深-01-1鉆探資料，揭露的天然氣儲(chǔ)集于志留系下統(tǒng)龍馬溪組（S1l）泥質(zhì)灰?guī)r與頁巖互層灰?guī)r的溶蝕裂隙中，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖溶弱發(fā)育，儲(chǔ)存空間較小，天然氣儲(chǔ)量較小，與隧道底約60 m，因此判斷隧道影響小

2）DZ-BZLS深-01-2揭示的天然氣儲(chǔ)集于奧陶系中上統(tǒng)（O2+3）的灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r的巖溶裂隙或溶洞中，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖溶中等至強(qiáng)烈發(fā)育，儲(chǔ)存空間較大，天然氣儲(chǔ)量較大，與隧道底約3 m，綜合判斷其對(duì)隧道施工影響較大。

5 防治措施

通過鉆探與測(cè)試資料發(fā)現(xiàn)了斑竹林隧道存在天然氣,其分布主要呈透鏡體狀存在溶蝕裂隙中。對(duì)隧道施工影響較大，防治建議：

1）按照不同段落對(duì)隧道瓦斯有害氣體進(jìn)行段落劃分，其中D2K222+190～D2K224+500段隧道和進(jìn)口平導(dǎo)PYD2K223+500～+PYD2K224+500段按低瓦斯設(shè)計(jì)；D2K224+500～+650段隧道和進(jìn)口平導(dǎo)PYD2K224+500～+650段按高瓦斯設(shè)計(jì)；D2K224+ 650～D2K225+610段隧道和進(jìn)口平導(dǎo)PYD2K224+ 650～PYD2K225+650段按低瓦斯設(shè)計(jì)。

2）采用地表鉆孔是施工前了解瓦斯?fàn)顩r的重要手段,但施工時(shí)應(yīng)采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)[4]。

3）水平超前鉆孔釋放瓦斯，目的是通過向工作面前方鉆若干個(gè)孔,使鉆孔范圍內(nèi)的瓦斯提前排放出來。鉆孔孔徑一般為75～130 mm,孔深在30 m以上,在工作面按平行于隧道掘進(jìn)方向或略向外傾斜布置鉆孔[4]。

4）加強(qiáng)施工通風(fēng)是瓦斯防治措施中最重要也是最主動(dòng)的措施。有效、穩(wěn)定和連續(xù)的通風(fēng)能保證及時(shí)沖淡和排出洞內(nèi)瓦斯及其他有害氣體,使洞內(nèi)各處瓦斯?jié)舛炔怀瑯?biāo)。

6 結(jié)論

1）敘畢線斑竹林隧道穿過威信儲(chǔ)氣構(gòu)造帶，含有害氣體。

2）通過有害氣體的成分測(cè)試可知其成分主要為甲烷即瓦斯，斑竹林隧道為高瓦斯隧道。

3）根據(jù)區(qū)域資料及勘察成果分析可知炭質(zhì)頁巖、含磷砂巖和含膠磷礦硅質(zhì)巖產(chǎn)生的有毒有害氣體沿節(jié)理、裂隙儲(chǔ)集于其上的灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r的溶蝕裂隙中形成了天然氣，呈透鏡體狀分布。

4）針對(duì)其瓦斯分布情況對(duì)隧道不同段落進(jìn)行了瓦斯工區(qū)劃分，也提出了相應(yīng)的防治措施建議。

[1]陳成宗,王石春.隧道地質(zhì)災(zāi)害與防治對(duì)策[J].隧道及地下工程,1991(4)：1-5.

[2]黃潤秋,王賢能,等.深埋長隧道工程開挖的主要地質(zhì)災(zāi)害問題研究[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),1997(1)：50-68.

[3]任光明,趙志祥,聶德新,符文熹.深埋長隧道有害氣體發(fā)生的地質(zhì)條件初探[J]山地學(xué)報(bào),2002(20)：122-125.

[4]文金亮.上清河隧道瓦斯防治與施工通風(fēng)[J].鐵道建筑, 2001(1)：17-19.