朵生君

(陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

引言

近年來，隨著我國高速公路、鐵路的大力建設，施工中不可避免地會遇到瓦斯隧道。瓦斯是各種有毒有害氣體的總稱，其主要成分是甲烷(CH4)[1]。根據(jù)瓦斯來源，瓦斯隧道可以分為煤系瓦斯隧道和非煤系瓦斯隧道[2]，對于非煤系瓦斯隧道，由于其賦存無規(guī)律，因此目前尚無統(tǒng)一的認識[3]。在瓦斯隧道開挖掘進過程中，圍巖平衡被破壞，瓦斯等有毒有害氣體會沿著圍巖裂隙等涌入開挖空間，容易引發(fā)瓦斯燃燒、瓦斯爆炸和瓦斯窒息等事故，嚴重威脅隧道施工安全，加大隧道施工難度[4-5]。

隨著隧道施工瓦斯災害事故的不斷增加，人們越來越認識到防范和減輕瓦斯災害的重要性[6-7]。為此，專家學者對瓦斯隧道的評價和處治等方面進行了大量研究。孫建國等[8]針對平陽隧道含可燃性油氣段提出了注漿封堵為主，結合結構加強、防水全封閉的處治方案；茍彪[9]以蘭渝鐵路13標瓦斯隧道群為例，提出了隧道瓦斯的預測、檢測和防治措施；張小林[10]以成都地鐵龍泉山隧道為例，對其瓦斯賦存特征進行詳細分析和預測評價；武磊[11]結合梅花箐隧道施工經(jīng)驗闡述隧道瓦斯綜合防治技術；唐小兵[12]研究總結了非煤系地層瓦斯隧道的成因類型，分為構造連通型、圍巖變質型和復合型；李固華等[13]針對炮臺山隧道滲漏病害，采用對隧道襯砌進行化學壓漿封堵和縱向截流等進行綜合治理；梁東等[14]對紅石巖隧道瓦斯成分進行分析，并在此基礎上提出了相關瓦斯隧道施工技術措施。但是關于瓦斯隧道風險評估和處治的總結性研究目前還比較少。

以黔張常鐵路唐家寨隧道出口油氣處治工程為研究對象，進行了唐家寨隧道出口地質分析，評價了出口段的瓦斯風險，并根據(jù)評價結果從隧道開挖支護設計、施工措施和瓦斯檢測三方面制定瓦斯施工處治方案。

1 工程概況及瓦斯地質分析

1.1 工程概況

黔張常鐵路唐家寨隧道位于湖南省龍山縣境內，起訖里程DK 114+760～DK 118+382.4，全長3 622.4 km，高程450～1 400 m，最大埋深為513 m，位于中低山地區(qū)，為時速200 km電氣化客貨共線鐵路單洞雙線越嶺隧道。

隧道DK 117+298～DK 118+092段施工中出現(xiàn)頁巖氣和可燃輕質油，范圍內地層為二疊系下統(tǒng)馬鞍山組、棲霞組灰?guī)r夾炭質頁巖(P1mn+qLs+cSh)、泥盆系中上統(tǒng)砂巖(D2+3Ss)、志留系上統(tǒng)紗帽群頁巖夾泥質粉砂巖(S3shSh+Ss)。其中，二疊系地層位于可溶巖段落，巖溶極其發(fā)育，巖體表面溶溝、溶槽隨處可見；砂巖表層風化嚴重，節(jié)理裂隙較發(fā)育。工區(qū)段主要位于巖溶裂隙溶洞水垂直滲流帶之中，屬碳酸巖巖溶裂隙溶洞水強富水區(qū)。該區(qū)域位于猛必斜歪向斜西北翼，屬于單斜構造，巖層產(chǎn)狀N40°～50°E/40°～65°S為主，產(chǎn)狀變化較小。工點范圍內斷裂構造不發(fā)育。

2015年11月6日，隧道DK 118+040上臺階掌子面爆破后，發(fā)現(xiàn)線路左右兩側有不明氣體燃燒，其中線路右拱腰處和拱腳處燃燒較強烈，火焰高達1 m多，有明顯氣體噴燃的聲音，燃燒共持續(xù)約2 h后熄滅?，F(xiàn)場立即停止作業(yè)并全速通風，采用JCB4便攜式甲烷監(jiān)測報警儀監(jiān)測到甲烷濃度從洞口到掌子面0.61%～0.16%不等(通風后甲烷濃度已被稀釋)。次日，在掌子面右側底板處發(fā)現(xiàn)有不明液體流出，采集液體后觀察，液體呈淡黃色、帶柴油氣味，極易點燃。隧道瓦斯揭示情況如圖1所示。

圖1 隧道瓦斯揭示情況

1.2 瓦斯地質分析

根據(jù)區(qū)域地質情況分析及現(xiàn)場施工揭示情況，出現(xiàn)油、氣段主要位于二疊系下統(tǒng)棲霞組灰?guī)r夾炭質頁巖地層中，為非煤系瓦斯隧道。

1.2.1 油、氣生成條件

二疊系下統(tǒng)棲霞組地層以灰?guī)r夾炭質頁巖為主，其灰?guī)r以瘤狀灰?guī)r為主，屬于海陸混合相區(qū)域沉積環(huán)境，一般在巖層中常含大量水生生物遺體或水生生物化石，有機質富集形成炭質頁巖，經(jīng)過多個地質時期變化形成生油巖，其油、氣來源為自生自儲。

1.2.2 油、氣儲存條件

隧道通過段為猛必斜歪向斜西北翼，單斜構造，上部整合接觸二疊系下統(tǒng)茅口組中厚層狀石灰?guī)r，巖體普遍較為完整，且其孔隙度及滲透率均較低，為油氣封閉儲存創(chuàng)造了條件。儲層以縫、洞為主，有破裂縫、層間縫、溶洞等，故油氣在層內具有隨機性和分布不均勻等特點。且由于本段埋深較大，油氣不易散逸。

2 瓦斯參數(shù)測試與風險評估

隧道現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)不明油、氣后，在掌子面前方進行鉆孔取芯解吸、封孔測量瓦斯壓力等，并取巖樣、油樣、氣樣進行室內試驗，分析油氣成分和來源等，評估其對隧道的影響。本次共設有2個鉆孔，分別布設于DK 118+034掌子面左、右兩側，其鉆孔詳細參數(shù)見表1。

表1 鉆孔位置詳細參數(shù)

2.1 油、氣含量測試及成分分析

2.1.1 巖樣含氣量測試

本次測試在1號鉆孔鉆至15 m時采集灰?guī)r巖樣1個，2號鉆孔鉆至28.5 m時采集炭質頁巖巖樣1個，裝入氣體解吸瓦斯罐內，采用FHJ-2型瓦斯解吸速度測定儀進行現(xiàn)場解吸速度測定，測得1號鉆孔氣體損失量為V1=0 mL，2號鉆孔氣體損失量為V2=10 mL。由此對比試驗可以看出，在含碳量不大的灰?guī)r中不存在瓦斯氣體，而在含碳的炭質頁巖中存在瓦斯氣體，說明本套地層中瓦斯分布具不均勻性。

隨后，于2號鉆孔中采集4個巖芯樣，利用高精度水浴溫度控制含氣量解析儀進行現(xiàn)場氣體解吸測定，通過實驗室進行氣體量測試試驗，經(jīng)過室溫解吸、低溫解吸、高溫解吸、損失氣體量測試和殘余氣體量測試多項試驗，測得4個巖樣的含氣量分別為0.056，0.054，0.055，0.054 m3/t，計算平均含氣量為0.055 m3/t。

2.1.2 氣體成分分析

在1號鉆孔21 m深度處和2號鉆孔63 m深度處內1 m左右各采集氣體樣1組，并將氣體樣送往檢測中心進行分析，測試結果見表2。根據(jù)試驗結果可知，隧道涌出的有害氣體為含油含CO瓦斯氣，已檢測出甲烷、乙烷、丙烷、CO、CO2等氣體成分，其中甲烷最高濃度為10%，CO最高濃度為0.597%，均超過規(guī)程允許標準值，具有一定的危險性，且氣體成分中的CO等有害物質對施工人員身體有直接傷害。

表2 氣體成分及含量 %

2.1.3 油樣成分及油源對比分析

采集隧道掌子面底板處流出的油狀液體進行檢測，主要成分為易揮發(fā)、低燃點的烷類有機物，判斷為輕質油。

為確定隧道掌子面油液來源，采集兩塊下二疊統(tǒng)棲霞組炭質泥灰?guī)r的巖石樣品和兩份原油樣品進行油源對比分析。

首先，通過Pr/nC17值和Ph/nC18值相關圖研究巖樣和原有的形成環(huán)境及母質類型[15]。如圖2所示，可以看出原油及烴源巖樣品參數(shù)投點均處于海陸混合相區(qū)域，表明兩個樣品的有機質母源沉積環(huán)境相似。

圖2 巖樣及原油Pr/nC17和Ph/nC18值相關圖

不同碳數(shù)規(guī)則甾烷分布三角圖可以判斷樣品的有機質母質來源，一般認為C27甾烷主要來自水生生物，C29主要來自高等植物[16]。從圖3可以看出，兩種樣品的有機質母質來源比較相似，其中C27規(guī)則甾烷的相對含量占比較高，約60%，故可推斷兩種樣品的有機質母質來源以水生生物為主。

圖3 巖樣及原油不同碳數(shù)規(guī)則甾烷分布

圖4 巖樣及原油三茐組成三角圖

三芴組成三角圖可以判定樣品沉積環(huán)境，芳烴中的三芴系列化合物(芴、氧芴、硫芴)具有相似的結構[17]。一般認為氧芴是芴在氧化環(huán)境中演化而成，硫芴是芴在還原環(huán)境中演化而成。從圖4可以看出，兩種樣品的三芴系列化合物組成特征極為相似，均以硫芴占主體，并含有一定量的芴，表明兩個樣品均沉積于還原環(huán)境中。

綜上所述，原油樣品和巖樣的生物標志特征較為相似，表明他們的有機質既有可能具有繼承性，即該原有樣品極有可能源自該烴源巖，表明隧道油氣來源于下二疊統(tǒng)棲霞組地層中，這與瓦斯地質分析中的判斷一致。

2.2 瓦斯隧道等級及突出危險性評估

2.2.1 瓦斯隧道等級評估

瓦斯隧道等級是由隧道內瓦斯工區(qū)的最高級確定，瓦斯工區(qū)的等級可依據(jù)絕對瓦斯涌出量進行評定，預測瓦斯絕對涌出量可采用回風流瓦斯?jié)舛确ㄟM行計算，計算公式為

Qg=Q×c/100

(1)

式中，Qg為絕對瓦斯涌出量，m3/min；Q為風量，m3/min；c為風流中的平均瓦斯?jié)舛龋?。

在正常通風及停止隧道施工的情況下，對唐家寨隧道掌子面頂部1.5～2 m內進行瓦斯?jié)舛葴y定，分別測得線路左側、中間和右側3處位置的瓦斯?jié)舛确謩e為0.4%，0.36%，0.32%，計算平均瓦斯?jié)舛萩為0.36%；并且測得風機風筒平均風速為235.08 m/min，風筒直徑為1.5 m，風筒斷面積為1.767 m2，計算隧道通風量Q為415.34 m3/min；隧道內絕對瓦斯涌出量Qg為1.5 m3/min>0.5 m3/min，根據(jù)TB10120—2002/J160—2002《鐵路隧道技術規(guī)范》(以下簡稱“規(guī)范”)評定唐家寨隧道為高瓦斯隧道。

2.2.2 瓦斯突出危險性評估

通過現(xiàn)場鉆孔并采集巖樣對其瓦斯突出危險性參數(shù)進行測試分析。瓦斯壓力測試在1號鉆孔鉆至21 m、2號鉆孔鉆至63 m時進行，現(xiàn)場檢測結果瓦斯壓力P為0 MPa；在2號鉆孔中采集進尺25～27 m和57～59 m的2個巖樣，測得巖樣堅固性系數(shù)f值為3.0和3.42，瓦斯放散初速度ΔP值為0.9和0.7。3項參數(shù)均在規(guī)范規(guī)定的瓦斯突出評判值域外，故判定隧道無瓦斯突出危險性。

2.2.3 瓦斯隧道等級分析

本隧道含油氣段位于一古油氣床中，為非伴煤瓦斯隧道，其瓦斯氣體一般存在于炭質頁巖處以吸附狀態(tài)為主，局部為游離態(tài)，在隧道施工過程中瓦斯涌出具有隨機性及分布不均勻等特點。雖然鉆孔內瓦斯一般無壓力，且取樣巖體瓦斯含量為0.055 m3/t，小于規(guī)范規(guī)定的0.5 m3/t，但考慮氣體分布不均勻性，并含有易燃、易揮發(fā)的輕質油及CO、揮發(fā)性油氣等有毒有害物質，建議瓦斯地段結構設防等級按二級考慮。

綜上，唐家寨隧道DK 117+348～DK 118+040段瓦斯地段等級定為二級，局部三級，隧道變更設計及施工需執(zhí)行TB10120—2002/J160—2002《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》的相關要求。

3 隧道油氣處治方案研究

根據(jù)隧道出口段油、氣的檢測結果及分析結果可判定，油氣問題嚴重，并伴有不均勻性和隨機性的特點，須制定嚴謹可靠的處治方案。根據(jù)隧規(guī)及瓦斯規(guī)范的相關要求，并結合專家論證會意見，對本隧道出口高瓦斯工區(qū)進行了油氣處治專項設計。從隧道開挖支護、施工方法和瓦斯檢測三方面制定處治方案，有效封堵、實時監(jiān)測瓦斯?jié)舛?，確保隧道施工及運營安全。

3.1 隧道開挖支護優(yōu)化

根據(jù)隧道掌子面瓦斯揭露情況，結合隧道圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎且?guī)r溶強烈發(fā)育等特點，將圍巖等級由Ⅱ級變更為Ⅲ級對瓦斯工區(qū)進行隧道支護優(yōu)化設計，隧道襯砌支護參數(shù)見表3。采用全封閉初支及襯砌支護，加厚初期支護及二次襯砌厚度，并在混凝土中摻加氣密劑，為隔離瓦斯及擠壓出圍巖中吸附或游離的瓦斯，減少后期瓦斯溢出，采用全斷面徑向注漿封堵，注漿孔按漿液擴散半徑R=150 cm按梅花形計算布設，孔口環(huán)向間距約140 cm，終孔環(huán)向間距約225 cm，縱向間距約225 cm，單孔注漿深度為4 m，全斷面共布設注漿孔30個。注漿設計如圖5所示，注漿參數(shù)如表4所示。

表3 隧道襯砌支護參數(shù)

瓦斯工區(qū)段環(huán)、縱向施工縫處在原設計中埋止水帶+背貼止水帶措施基礎上，增加雙組份聚硫密封膏嵌縫氣密性處理，其封閉瓦斯性能不應小于襯砌本體。在瓦斯段與非瓦斯段交界處( DK117+298及DK118+092)端頭初支與二襯之間全環(huán)環(huán)向設置20 cm寬雙組份聚硫密封膏，防止有害氣體從瓦斯地段向非瓦斯地段滲透擴散。

圖5 二級瓦斯地段全斷面徑向注漿設計斷面(單位：cm)

表4 注漿參數(shù)

3.2 隧道施工方法優(yōu)化

3.2.1 加強施工通風

隧道施工通風是排除煙塵和稀釋有害氣體的主要手段，是保證施工安全的重要前提[18-19]。本隧道瓦斯工區(qū)施工期間采用不間斷通風，通風方式為壓入式通風，通風設計原則為：

(1)通風設計按爆破排煙、掌子面作業(yè)要求、瓦斯涌出量進行設計；

(2)隧道內防止瓦斯積聚的最小風速不宜小于1 m/s；

(3)通風管采用螺旋形，具有抗靜電、抗阻燃的性能，百米漏風率≯1%，并且風管口距離掌子面的距離不得大于5 m；

(4)通風設備采用雙風機、雙電源，根據(jù)洞內瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測情況，在襯砌臺車等易減緩風速的地段可增設沿程增壓風機；在洞室等瓦斯易積聚的地方，增設小型局扇。施工通風參數(shù)見表5。

表5 施工通風參數(shù)

3.2.2 鉆爆作業(yè)

本隧道瓦斯工區(qū)的鉆爆開挖要堅持“多打眼、少裝藥、短進尺、快噴錨、強支護、勤檢測”的原則，要求如下。

(1)瓦斯工區(qū)鉆孔必須采用濕式鉆孔，炮眼深度不應小于0.6 m。

(2)瓦斯工區(qū)的爆破必須采用煤礦許用炸藥，其中DK117+348～DK117+723段采用安全等級不低于一級的煤礦許用炸藥，DK117+723～DK118+040采用安全等級不低于三級的煤礦許用炸藥，應采用煤礦許用瞬發(fā)電雷管或煤礦許用毫秒延期電雷管，使用防爆型起爆器。

(3)爆破母線應采用具有良好絕緣性和柔軟性的銅芯電纜，并隨用隨掛，嚴禁將其固定。

3.2.3 電器設備和作業(yè)機械

(1)瓦斯隧道內照明燈具，開挖工作面附近的固定照明燈具，必須采用Exd Ⅰ型礦用防爆照明燈，二襯施工段固定照明可采用Exd Ⅱ型防爆照明燈，移動照明必須使用礦燈。

(2)瓦斯工區(qū)電氣設備與機械設備可采用非防爆型。汽車、裝載機等行走機械設備需安裝車載式瓦斯監(jiān)測報警儀，應具有瓦斯超限報警時停止運行并熄火的功能。根據(jù)瓦斯規(guī)范要求，電器設備與機械設備必須使用防爆型；在本隧道方案論證過程中，認為本隧道瓦斯等有害氣體無連續(xù)溢出特征，結合類似工程經(jīng)驗，認為加強施工通風，確保瓦斯等有害氣體濃度稀釋到安全閾值以內，即可滿足要求，如全部改造電器設備和機械設備，周期長、投資大，現(xiàn)場實踐證明，該措施可行。

(3)嚴禁現(xiàn)場焊接作業(yè)，要求構造鋼筋、連接鋼筋采用綁扎方式，受力主筋采用套筒鏈接。初期支護拱架在洞外加工時增加鎖腳錨桿連接鋼板，在洞內采用螺母固定鎖腳錨桿。

3.3 瓦斯預測及檢測

為了防止瓦斯事故的發(fā)生，加強對瓦斯隧道地層的探測和瓦斯的檢測至關重要[20]。

3.3.1 超前鉆孔探測

根據(jù)前期探測地質條件，本段瓦斯工區(qū)通過地層主要為二疊系下統(tǒng)棲霞區(qū)灰?guī)r夾炭質頁巖，且位于巖溶強烈發(fā)育區(qū)，故本段布置超前水平鉆孔4孔貫通探測及每循環(huán)實施加深炮孔13孔探測，如圖6所示，用于掌握巖層巖性、裂隙和巖溶發(fā)育情況等。

圖6 超前探測鉆孔布置(單位：m)

3.3.2 瓦斯監(jiān)測

采用“雙保險”監(jiān)控措施，即遙控自動化監(jiān)測系統(tǒng)與人工現(xiàn)場監(jiān)測相結合，并建立風、瓦、電聯(lián)鎖系統(tǒng)和聲光報警系統(tǒng)，實現(xiàn)實時、無盲區(qū)、特殊作業(yè)跟班監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)瓦斯異常區(qū)域。遙控自動化系統(tǒng)由洞內監(jiān)測中心(配置主控計算機)和洞內的控制分站以及在洞內各工作面、轉角等處設置的瓦斯等有害氣體濃度探頭、風速探頭、自動報警器、遠程斷電儀組成。安全監(jiān)控系統(tǒng)的甲烷傳感器應垂直懸掛在隧道上方風流穩(wěn)定的位置，距隧道頂板≯300 mm。距隧道側壁≮200 mm。瓦斯監(jiān)測的地點及范圍見表6。瓦斯?jié)舛瘸瑯说奶幚砀鶕?jù)不同區(qū)域或部位，按表7的要求進行處置。

瓦檢人員必須跟班測定瓦斯?jié)舛?，嚴格?zhí)行“一炮三檢制”和“三人連鎖放炮制”，即在打眼后、放炮前、放炮后測試瓦斯?jié)舛纫约鞍嚅L或安全員、放炮員及瓦檢員三人同時在場放炮。在其余工作時間每小時測定一次瓦斯?jié)舛?。特殊地段應?jīng)常進行瓦斯監(jiān)測。

表6 瓦斯監(jiān)測地點和范圍

表7 隧道內瓦斯?jié)舛认拗导俺尢幚泶胧?/p>

根據(jù)以上監(jiān)測要求及超限處理措施，采用便攜式瓦斯檢測儀對掌子面及3個超前水平鉆孔進行瓦斯?jié)舛葯z測，瓦斯檢測結果如圖7所示。根據(jù)檢測結果可知，在不通風情況下，掌子面施工放炮后，瓦斯?jié)舛燃眲≡黾?，最高達到4.0%。采取加強通風措施后，瓦斯?jié)舛燃眲∠陆担?5 min后濃度降至0.26%，達到安全范圍內，并且在施工襯砌后檢測不到瓦斯出現(xiàn)，說明全斷面注漿封堵瓦斯氣體效果良好。

采用以上處治技術措施后，唐家寨隧道出口油氣段油氣處治效果顯著，隧道掘進和支護施工順利，隧道支護于2017年底完成施工。類似的處治技術分別應用在黔張常鐵路夏家堡隧道和晏家堡2號油氣處治施工中，均取得了良好的工程效果。

圖7 隧道內瓦斯?jié)舛茸兓€

4 結論

(1)唐家寨隧道出口油氣主要位于二疊系下統(tǒng)棲霞組灰?guī)r夾炭質頁巖地層中，其灰?guī)r以瘤狀灰?guī)r為主，屬于海陸混合相區(qū)域沉積環(huán)境，有機質富集達到油氣生成條件，地層巖體較完整，且其孔隙度及滲透率均較低，為油氣封閉儲存創(chuàng)造了條件。

(2)通過鉆孔取樣進行室內試驗對油、氣含量測試和成分分析。根據(jù)試驗結果可知，隧道涌出的有害氣體為含油含CO的瓦斯氣，其中氣體包含甲烷、乙烷、丙烷、CO、CO2等成分，油質為輕質油，且通過油源對比分析，隧道油氣主要來源于下二疊統(tǒng)棲霞組地層中。通過計算瓦斯絕對涌出量Qg為1.5 m3/min>0.5 m3/min，評定此隧道為高瓦斯隧道。

(3)本隧道為非伴煤瓦斯隧道，在隧道施工過程中瓦斯涌出具有隨機性及分布不均勻等特點，并含有易燃、易揮發(fā)的輕質油及CO、揮發(fā)性油氣等有毒有害物質，因此瓦斯地段設防等級按二級考慮。

(4)針對油氣滲漏嚴重問題，從隧道開挖支護、施工方法和瓦斯檢測三方面制定了瓦斯處治方案。加強隧道支護結構，通過添加氣密劑、密封膏和周邊圍巖全斷面徑向注漿等方法封堵氣體，防止其滲透擴散；明確施工措施，提高開挖鉆爆作業(yè)材料工藝要求，加強通風措施稀釋隧道瓦斯?jié)舛龋瑢ψ鳂I(yè)機械進行建議改造處理，洞內嚴禁焊接施工；加強瓦斯檢測，通過超前探孔進行瓦斯預測，采用“雙保險”監(jiān)測措施，實現(xiàn)實時、無盲區(qū)、特殊作業(yè)跟班監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)瓦斯異常區(qū)域。