郭宏偉

(中鐵十七局集團(tuán)城市建設(shè)有限公司 貴州貴安 550025)

1 引言

在長(zhǎng)期的地質(zhì)構(gòu)造作用以及封閉地層條件下，含碳質(zhì)泥巖、頁巖等非煤系地層會(huì)釋放瓦斯，并存儲(chǔ)在封閉的圍巖裂隙或多孔隙介質(zhì)中(如砂巖)[1-2]。我國西南地區(qū)廣泛分布的非煤氣地層為隧道工程的建設(shè)帶來極大挑戰(zhàn)[3]。與常規(guī)的煤系瓦斯地層或其他生物化石氣體不同，非煤系地層的瓦斯在空間分布上具有隨機(jī)性，逸出速率、賦存范圍、逸出壓力等在勘探前期難于準(zhǔn)確探明和預(yù)測(cè)[4]。因此，需依賴施工階段的瓦斯監(jiān)測(cè)認(rèn)識(shí)和評(píng)估逸散規(guī)律，進(jìn)而做出預(yù)警和防護(hù)決策，降低瓦斯災(zāi)害施工風(fēng)險(xiǎn)[5]。

在非煤系地層的瓦斯預(yù)測(cè)研究方面，俞劍等[6]基于指數(shù)平滑法應(yīng)用于非煤系地層瓦斯的逸出量預(yù)測(cè)，在高瓦斯段隧道的預(yù)測(cè)中誤差小于3%；何毅等[7]基于Fluent軟件對(duì)不同抽排風(fēng)速度下，分析隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊淖兓?guī)律；蘇培東等[8]基于克里金估值法對(duì)非煤系地層瓦斯的預(yù)測(cè)，并應(yīng)用交叉驗(yàn)證法對(duì)瓦斯?jié)舛鹊目臻g分布建立了預(yù)估模型。在非煤系地層瓦斯隧道的防治措施方面，楊正東[9]提出了“四位一體”的綜合瓦斯防突技術(shù)體系；唐鷗玲等[10]對(duì)成都地鐵19號(hào)線瓦斯隧道進(jìn)行分層濃度和抽排速率監(jiān)測(cè)并給出降低瓦斯?jié)舛鹊膮⒖挤桨浮?/p>

目前針對(duì)隧道穿越砂巖、頁巖等非煤系地層施工時(shí)，瓦斯逸散規(guī)律的研究實(shí)例較少，缺乏統(tǒng)一性的認(rèn)識(shí)。本文以蘭海高速公路大土隧道為研究對(duì)象，采用監(jiān)測(cè)手段對(duì)掌子面的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行采集，分析瓦斯?jié)舛入S空間和時(shí)間的變化情況，并提出相應(yīng)的施工防治措施。

2 工程背景

蘭州至?？趪腋咚俟分貞c至遵義段(貴州境)擴(kuò)容工程起自貴州省桐梓縣下坪，止于遵義市新蒲新區(qū)青山樞紐，路線長(zhǎng)118.95 km，第CZTJ-14標(biāo)段內(nèi)大土隧道，位于貴州省綏陽縣鋪場(chǎng)鎮(zhèn)大溪村境內(nèi)，為路線穿越北西走向山體而建設(shè)，左線隧道長(zhǎng)1 112 m，右線隧道長(zhǎng)1 108 m。

隧道位于北東向?qū)捑弿?fù)式蒲老場(chǎng)背斜西翼，軸部巖層灰?guī)r，傾角10°左右，西翼為奧陶系、志留系地層。隧道地貌單元為峰叢溶蝕地貌，小里程洞口存在第四系含碎石黏土坡積物，隧址區(qū)下伏基巖主要為志留系龍馬溪組(s/1l)泥巖、砂巖以及十字組-寶塔組(O2sh-b)頁巖、砂巖、灰?guī)r，地層間接觸完整，未受到構(gòu)造或風(fēng)化破壞，如圖1所示。根據(jù)隧道瓦斯專項(xiàng)勘察表明，隧道頁巖和砂巖中存在瓦斯，頁巖在隧道中里程分布范圍為ZK84+980～ZK85+580，孔內(nèi)取樣和室內(nèi)化學(xué)試驗(yàn)表明，頁巖中的孔隙率為6.2%～8.5%，瓦斯含量約為0.10～0.25 m3/t；砂巖在隧道中里程分布范圍為ZK84+780～ZK84+980、ZK85+580～ZK84+892，砂巖中的孔隙率為9.0%～12.6%，瓦斯含量約為0.30～0.47 m3/t。

圖1 左隧道地質(zhì)縱斷面圖

3 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)及逸散規(guī)律分析

3.1 瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)

隧道施工時(shí)，采用人工監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式對(duì)隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，所有監(jiān)測(cè)手段均具備抗強(qiáng)電磁干擾能力。人工監(jiān)測(cè)采用便攜式CJG10干涉式甲烷測(cè)定器，測(cè)量范圍為0～10% CH4，目鏡分劃板小分劃值0.5% CH4。如圖2所示，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)則采用自動(dòng)化遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行，在隧道掌子面位置、施作襯砌隧洞中部以及洞口位置均設(shè)置有監(jiān)測(cè)分中心，通過自動(dòng)化遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)各個(gè)分中心采集的瓦斯?jié)舛取⑼L(fēng)速率等參數(shù)進(jìn)行觀測(cè)與分析。在掌子面位置處由于拱腰以下受開挖機(jī)械振動(dòng)影響強(qiáng)烈，在拱頂和拱腰布置了瓦斯?jié)舛扔^測(cè)點(diǎn)。

圖2 隧道瓦斯自動(dòng)化遙感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及掌子面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

瓦斯監(jiān)測(cè)相互印證，瓦斯探測(cè)儀應(yīng)帶自動(dòng)報(bào)警裝置，當(dāng)瓦斯超過一定含量時(shí)自動(dòng)報(bào)警。人工監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)頻率如表1所示。

表1 隧道瓦斯人工監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)頻率

3.2 瓦斯逸散規(guī)律分析

圖3為隧道掌子面鉆孔裝藥前和爆破前后的瓦斯?jié)舛入S觀測(cè)次數(shù)的變化曲線。從圖中可以看出，隨著觀測(cè)次數(shù)的增加，鉆孔裝藥前和爆破前的瓦斯?jié)舛认嘟?，均有減小的趨勢(shì)，且所有數(shù)據(jù)都小于0.5%，而爆破后的瓦斯?jié)舛葎t明顯比前兩者大，且隨著觀測(cè)次數(shù)的增加，呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，所有數(shù)值均大于0.5%，最大值達(dá)到1.7%。這是由于在爆破沖擊波作用下，隧道圍巖體產(chǎn)生了松動(dòng)和破碎，導(dǎo)致裂隙或巖體內(nèi)儲(chǔ)氣空間相互連通，為瓦斯的逸出提供了良好的滲透通道。在爆破剛結(jié)束，隧道掌子面原有的瓦斯賦存狀態(tài)被破壞，首先得到釋放，掌子面附近的瓦斯壓力迅速降低，巖體內(nèi)其他受松動(dòng)區(qū)域的瓦斯不斷向掌子面遷移和釋放，導(dǎo)致隨觀測(cè)時(shí)間的增加，瓦斯?jié)舛仍黾?。在瓦斯釋放達(dá)到平衡后，隧道掌子面的瓦斯向洞口方向逸散，因此，瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖4為隧道掌子面爆破后瓦斯?jié)舛仍谳S線方向上分布曲線。從圖中可以看出，無論是左、右線隧道，瓦斯?jié)舛仍诓煌膸r性段落均呈現(xiàn)出明顯的區(qū)別。在里程ZK84+780～ZK84+980、ZK85+580～ZK84+892的砂巖段落，瓦斯?jié)舛确秶鸀?.0%～2.0%之間；在里程ZK84+980～ZK85+580的頁巖段落，瓦斯?jié)舛确秶鸀?.1%～1.0%。這是因?yàn)轫搸r和砂巖存在著明顯不同的天然物性，頁巖在成巖過程中，受到地質(zhì)變質(zhì)作用，結(jié)構(gòu)致密，天然孔隙率為6.2%～8.5%，因此儲(chǔ)存和釋放瓦斯氣體的能力較弱；而砂巖則相反，具有大孔隙，強(qiáng)滲透性等特點(diǎn)，是良好的儲(chǔ)氣介質(zhì)，造成其瓦斯的釋放濃度比頁巖大。

圖4 左右隧道軸線方向上瓦斯?jié)舛确植?/p>

為掌握不同巖性條件下的瓦斯逸散規(guī)律，在頁巖段和砂巖段掌子面分別設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛入S時(shí)間的變化規(guī)律，結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 掌子面里程ZK85+720處的瓦斯逸散曲線

圖6 掌子面里程ZK85+400處的瓦斯逸散曲線

圖5為里程ZK85+720斷面(巖性為砂巖)處的瓦斯逸散曲線。從圖中可以看出，在同一斷面處拱頂?shù)耐咚钩跏紳舛让黠@比左、右拱腰位置處大，拱頂位置的瓦斯?jié)舛燃s為1.8%，而左、右拱腰位置的瓦斯?jié)舛燃s為1.0%，但隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的推移，瓦斯?jié)舛染杆贉p小，在觀測(cè)時(shí)間達(dá)到5 h后，瓦斯的濃度小于0.2%，且處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。表明瓦斯的濃度可以采用通風(fēng)排氣等措施進(jìn)行驅(qū)散，僅需滿足通風(fēng)換氣速率大于瓦斯逸出速率即可。

圖6為里程ZK85+400斷面(巖性為頁巖)處的瓦斯逸散曲線。從圖中可以看出，瓦斯的逸散規(guī)律與砂巖段表現(xiàn)出一致性，但瓦斯?jié)舛融呌诜€(wěn)定的時(shí)間較長(zhǎng)，在觀測(cè)時(shí)間達(dá)到9.5 h后，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的瓦斯的濃度才小于0.2%，且處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。表明頁巖的瓦斯逸散速度比砂巖的逸散速度低，在施工時(shí)需加強(qiáng)該巖性段落的通風(fēng)、監(jiān)測(cè)措施。

4 施工防治措施

4.1 人工監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)相結(jié)合

如前文所述，由于非煤系地層隧道的瓦斯具有不均勻性以及難于預(yù)測(cè)其逸出量和逸出位置，因此在施工中應(yīng)重視對(duì)非煤系地層瓦斯的監(jiān)測(cè)。采用人工監(jiān)測(cè)與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)相互結(jié)合的措施，對(duì)隧道掌子面位置及后方已開挖20 m范圍內(nèi)的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，在隧道橫通道、防水板、集水井以及斷面轉(zhuǎn)角位置處等進(jìn)行專項(xiàng)監(jiān)測(cè)，以免瓦斯局部集聚[11]。瓦斯探測(cè)儀帶自動(dòng)報(bào)警裝置，當(dāng)瓦斯超過一定含量時(shí)自動(dòng)報(bào)警。

按照瓦斯的監(jiān)測(cè)濃度分級(jí)進(jìn)行施工管理如表2所示。

表2 瓦斯?jié)舛确旨?jí)施工管理措施

在瓦斯?jié)舛却笥?.5%時(shí)，隧道內(nèi)不應(yīng)進(jìn)行電氣焊、明火、電鉆以及放炮等作業(yè)，如果情況特殊不可避免時(shí)，應(yīng)采取強(qiáng)通風(fēng)措施，保持作業(yè)區(qū)前后20 m的瓦斯?jié)舛染档椭?.5%以下，并在對(duì)作業(yè)前后20 m范圍內(nèi)的隧洞拱頂及襯砌等易局部集聚瓦斯的部位采用空氣引射器進(jìn)行瓦斯驅(qū)除處理，并設(shè)置足夠的滅火器械和供水量。

4.2 隧道通風(fēng)換氣降低瓦斯?jié)舛?/h3>

瓦斯隧道的施工組織設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)里程段落長(zhǎng)度、隧道斷面大小等設(shè)計(jì)參數(shù)，并結(jié)合擬投入機(jī)械設(shè)備、施工人員數(shù)量、施工工序、施工進(jìn)度安排等因素，考慮一定富裕系數(shù)(天然氣瓦斯地層的瓦斯最大逸出量的不確定性)，提前做好通風(fēng)設(shè)計(jì)計(jì)算，確定施工通風(fēng)風(fēng)量、風(fēng)速(不小于1 m/s)，科學(xué)選配隧道施工通風(fēng)所需風(fēng)機(jī)、風(fēng)管的性能和規(guī)格。

對(duì)于通風(fēng)設(shè)備的設(shè)計(jì)，通風(fēng)量由爆破后的排除煙塵量、作業(yè)工人數(shù)量以及瓦斯的逸出量分別計(jì)算后，取大值。設(shè)計(jì)的基本參數(shù)如表3所示。

表3 通風(fēng)設(shè)備基本參數(shù)

4.3 防止瓦斯突出預(yù)案

隧道在施工過程中實(shí)施超前瓦斯探孔，若探孔鉆探過程中出現(xiàn)噴孔、阻力等異?，F(xiàn)象時(shí)，或者孔內(nèi)氣體壓力、氣水混合體噴出速率大于危險(xiǎn)性臨界數(shù)值時(shí)，可判別開挖掌子面為瓦斯突出危險(xiǎn)工作面，應(yīng)立即停止施工，組織人員撤離，采取防突泄壓處理后方可進(jìn)行下一步工序。

防止瓦斯突出采取鉆孔排放的方式進(jìn)行。在有瓦斯突出危險(xiǎn)預(yù)測(cè)孔周邊進(jìn)行補(bǔ)孔排放，原則上1個(gè)預(yù)測(cè)孔補(bǔ)充3個(gè)排放鉆孔和1個(gè)排放效果檢驗(yàn)鉆孔，其中至少1個(gè)排放鉆孔取芯，以準(zhǔn)確判斷瓦斯的來源(儲(chǔ)集在砂體中或氣源斷裂)和前方地質(zhì)情況，建議鉆孔采用φ465或φ110鉆孔。

施工時(shí)，應(yīng)預(yù)留足夠的安全距離作為下階段預(yù)測(cè)距離。根據(jù)隧道開挖方法和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件等實(shí)際情況確定防突工作面以預(yù)留安全距離，一般經(jīng)驗(yàn)中，防突工作面的面積為8 m2時(shí)，工作面保持5 m的鉆孔超前距為安全距離，嚴(yán)禁超掘。

5 結(jié)論

以蘭海高速大土隧道為工程背景，對(duì)非煤系地層隧洞瓦斯?jié)舛入S空間和時(shí)間的變化情況進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的施工防治措施，得出以下幾個(gè)結(jié)論:

(1)隨著觀測(cè)次數(shù)的增加，鉆孔裝藥前和爆破前的瓦斯?jié)舛认嘟袦p小的趨勢(shì)，爆破作用導(dǎo)致裂隙或巖體內(nèi)儲(chǔ)氣空間相互連通，使得爆破后的瓦斯?jié)舛让黠@大于鉆孔裝藥前和爆破前，且呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。

(2)在空間分布上，瓦斯的逸出濃度明顯受到巖性的影響，砂巖段的瓦斯?jié)舛缺饶鄮r、頁巖段的大。

(3)在瓦斯的逸散規(guī)律上，同一掌子面拱頂?shù)耐咚節(jié)舛缺茸?、右拱腰位置處大，砂巖掌子面比泥巖、頁巖掌子面的瓦斯逸散速率大，砂巖瓦斯?jié)舛冗_(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間為5 h，而頁巖則需9.5 h。