傅 璇

(中鐵二十局集團(tuán)第二工程有限公司 北京 100089)

1 引言

隨著交通運(yùn)輸需求的提高和交通行業(yè)的發(fā)展，隧道項(xiàng)目越來越多，而不良地質(zhì)條件下隧道施工難度大，許多研究人員對(duì)此做了一系列研究[1-3]。

姚宏波等[4]將三維有限元法與實(shí)測相結(jié)合，對(duì)軟土地區(qū)中隧道受上部基坑的影響進(jìn)行了研究。黃強(qiáng)等[5]通過現(xiàn)場實(shí)測和有限元?jiǎng)恿τ?jì)算方法，對(duì)列車運(yùn)行時(shí)軟土地區(qū)中的隧道沉降進(jìn)行了研究。吳賢國等[6]為研究盾構(gòu)隧道在施工過程中的防滲漏情況，建立了三維云-Copula模型，對(duì)濱海隧道施工的滲漏風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。

頁巖氣地段是一種較為不良的地質(zhì)，常會(huì)對(duì)隧道施工造成困難[7-9]。汪瑩?dān)Q[10]通過鉆探、測井和樣品分析等方式，評(píng)估了頁巖氣對(duì)隧道的影響情況。高楊等[11]針對(duì)頁巖氣圍巖條件下的隧道，提出了一種包含頁巖氣參數(shù)的隧道工區(qū)分級(jí)評(píng)價(jià)模型。張雪金等[12]針對(duì)頁巖氣地質(zhì)條件下的隧道，對(duì)該隧道的通風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化和加強(qiáng)，提高了該隧道對(duì)頁巖氣災(zāi)害的防控等級(jí)。

本文依托懷邵衡項(xiàng)目蒼稼嶺隧道，對(duì)頁巖氣地質(zhì)條件下的隧道氣體進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)檢測，監(jiān)測了隧道不同位置處的瓦斯涌出量，提出了相應(yīng)的隧道施工防治措施，并根據(jù)指數(shù)平滑法建立了瓦斯涌出量預(yù)測模型。

2 工程概況

懷邵衡項(xiàng)目蒼稼嶺隧道為雙線單洞隧道，最大埋深約為540 m。全長7 976 m，設(shè)有1座斗山?jīng)_斜井，長1 437 m，出口橫洞全長為330 m。隧道地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，不良地質(zhì)和特殊巖土發(fā)育且種類多。主要不良地質(zhì)有:高地應(yīng)力、頁巖氣(低瓦斯)、超長斷層破碎帶等。隧道掘進(jìn)長，通風(fēng)組織難度大，為Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)隧道。

隧道所在區(qū)域地形起伏較大，地勢(shì)西高東低。隧道穿越中低山區(qū)，山區(qū)主體高程約為300～1 100 m，自然坡度30°～65°，存在山間谷地和中低山等地貌單元。隧道在施工過程中存在一定風(fēng)險(xiǎn)，主要為頁巖氣等有害氣體。

3 氣體檢測分析

3.1 氣體采集

為定量分析隧道地層中頁巖氣的主要成分，對(duì)隧道掌子面附近的氣體和巖石進(jìn)行了采集工作。將采集到帶有油斑的巖石和煤巖樣本通過密封罐進(jìn)行封裝儲(chǔ)存，而氣體則通過專用氣袋進(jìn)行采集儲(chǔ)存。氣體采集方式主要為炮眼法，通過往掌子面打入炮眼，在炮眼基礎(chǔ)上進(jìn)行密封，再將氣體采集軟管通過炮眼到達(dá)巖體內(nèi)部，最后通過吸氣球進(jìn)行氣體采集。

3.2 成分分析

通過氣相色譜儀和穩(wěn)定同位素分析儀對(duì)采集到的氣體進(jìn)行定量分析。通過D/max Rapid 11 R分析儀對(duì)采集到的巖石試樣進(jìn)行了X射線衍射物相分析。

分析結(jié)果表明，隧道內(nèi)氣體成分主要包含甲烷、乙烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫以及氨氣等。甲烷的濃度為15.78%，一氧化碳的濃度最高為1 152 ppm，而硫化氫的濃度為46 ppm，均遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)值。此外，以上成分還存在一定的爆炸危險(xiǎn)性，并且如一氧化碳、氨氣等，對(duì)人身體會(huì)造成直接性的損害，危害施工人員的人身安全。

表1展示了含油斑巖樣物相分析情況。從表中可以看出，蒼稼嶺隧道油氣環(huán)境為鈣質(zhì)主體。

表1 蒼稼嶺隧道含油斑巖樣物相分析

對(duì)天然氣中的烴類氣和CO2中的穩(wěn)定同位素進(jìn)行了檢測，以分析蒼稼嶺隧道中頁巖氣的成因和特點(diǎn)，檢測結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，C1(甲烷)和C2(乙烷)屬于亞生物氣。煤型氣標(biāo)準(zhǔn)值為-28‰，乙烷的同位素相較于標(biāo)準(zhǔn)值而言偏重(-26.87‰)，因此乙烷是由煤系地層所形成的氣體，為典型的煤型氣。結(jié)合干燥系數(shù)0.91偏低的特點(diǎn)，可以判定蒼稼嶺隧道所涌出的氣體為低熟煤型亞生物氣。

表2 天然氣和CO2同位素分析結(jié)果

4 瓦斯涌出量預(yù)測與現(xiàn)場監(jiān)測

4.1 監(jiān)測方案

通過自動(dòng)監(jiān)測和人工監(jiān)測方法對(duì)蒼稼嶺隧道的瓦斯涌出量進(jìn)行監(jiān)測，人工監(jiān)測數(shù)據(jù)作為印證，主要手段仍然是自動(dòng)監(jiān)測。通過KJ90監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測，人工監(jiān)測主要儀器則為手持式瓦斯檢測儀。

自動(dòng)監(jiān)測的主要監(jiān)測位置為隧道掌子面、二襯車臺(tái)以及洞口位置處，對(duì)該位置的風(fēng)速和瓦斯?jié)舛葻o間斷監(jiān)測，并安排值班人員在監(jiān)控室，以便于隨時(shí)關(guān)注瓦斯?jié)舛茸兓癄顩r。

人工監(jiān)測的主要方法是安排專門的工作人員通過瓦斯檢測儀進(jìn)行關(guān)鍵位置處的瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測，主要為掌子面處、防水板處、人行通道處、上下臺(tái)階等。監(jiān)測的頻率為1次/2 h。此外，可根據(jù)自動(dòng)監(jiān)測結(jié)果，對(duì)瓦斯?jié)舛容^大的地方再額外安排人員進(jìn)行人工監(jiān)測，以及相應(yīng)增加監(jiān)測頻率。

通過自動(dòng)監(jiān)測和人工監(jiān)測得到的風(fēng)流中瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，可通過下式對(duì)涌入隧道的瓦斯量進(jìn)行計(jì)算:

其中，q表示隧道中瓦斯的涌出量(m3/min)；S表示當(dāng)前隧道的開挖斷面面積；V表示隧道斷面的風(fēng)流大小(m/s)；C為監(jiān)測得到的瓦斯?jié)舛?%)。

4.2 不同斷面處瓦斯涌出量

圖1展示了不同斷面處的瓦斯涌出量隨時(shí)間變化情況。從圖中可以看出，隨著時(shí)間的增加，瓦斯涌出量出現(xiàn)上下持續(xù)波動(dòng)，但未出現(xiàn)較為顯著的提高或降低，波動(dòng)范圍較為穩(wěn)定。瓦斯涌出量最大的為隧道洞口處，其次為二襯臺(tái)車處，瓦斯涌出量最低的是在掌子面處。此外，對(duì)比瓦斯涌出量波動(dòng)大小可發(fā)現(xiàn)，掌子面處的瓦斯涌出量波動(dòng)范圍較大，其次為隧道洞口位置處，瓦斯涌出量波動(dòng)最小的為二襯臺(tái)車處。此外，隧道洞口處瓦斯涌出量與二襯臺(tái)車處瓦斯涌出量之間的差值要大于二襯臺(tái)車與掌子面之間的差值。

圖1 不同斷面處的瓦斯涌出量隨時(shí)間變化曲線

造成上述現(xiàn)象可能是由于隧道掌子面處其風(fēng)流形式主要為紊流，這導(dǎo)致了在掌子面處瓦斯分布并不均勻，也可能會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確，相較于實(shí)際情況偏小。相比較而言，隧道洞口與二襯臺(tái)車位置處的風(fēng)流形式為層流，結(jié)合瓦斯密度要小于空氣密度，因此瓦斯呈現(xiàn)出隧道底板與頂板之間隨著高度的增加濃度增大的一般性規(guī)律。

圖2展示了隧道總體累計(jì)瓦斯涌出量隨時(shí)間變化曲線。從圖中可以看出，在3.5～5 h附近，由于施工等因素的影響，累計(jì)瓦斯涌出量隨著變化曲線斜率出現(xiàn)增加，增長變化速度較快。在其余時(shí)間段，累計(jì)瓦斯涌出量隨時(shí)間增加呈現(xiàn)出線性增長趨勢(shì)。

圖2 隧道累計(jì)瓦斯涌出量隨時(shí)間變化曲線

4.3 瓦斯涌出量預(yù)測方法

指數(shù)平滑法是一種移動(dòng)平均值法，通過對(duì)觀測數(shù)據(jù)賦予不同的權(quán)重，來進(jìn)行未知數(shù)據(jù)的預(yù)測。根據(jù)平滑數(shù)量的不同，指數(shù)平滑法可分為一次平滑法、二次平滑法和三次平滑法。在隧道開挖過程中，瓦斯涌出量可為時(shí)間的序列函數(shù)，因此通過指數(shù)平滑法對(duì)隧道開挖過程中瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測是可行的。指數(shù)平滑法公式如下:

式中，y′t＋1表示t時(shí)刻的平滑值，也是t＋1 時(shí)刻的預(yù)測值；yt表示在t時(shí)刻的觀測值；y′t表示t-1時(shí)刻的平滑值，也是t時(shí)刻的預(yù)測值；a表示平滑系數(shù)，取值范圍在0～1之間。

利用一次平滑法建立了瓦斯涌出量預(yù)測模型，通過對(duì)均方誤差進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)a＝0.3時(shí)，一次平滑法均方誤差最小。圖3展示了在a＝0.3時(shí)通過一次平滑法對(duì)瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測的結(jié)果與實(shí)測值對(duì)比情況。從圖中可以看出，一次平滑法預(yù)測值隨時(shí)間變化趨勢(shì)與實(shí)測值較為接近，數(shù)值大小差異也不大，基本在變動(dòng)區(qū)間內(nèi)，波動(dòng)較小，但在一定程度上也能反映瓦斯涌出量隨時(shí)間變化的實(shí)際情況，不失為一種較好的預(yù)測方法。

圖3 洞口瓦斯涌出量實(shí)測值與預(yù)測值對(duì)比

為對(duì)比一次平滑法、二次平滑法和三次平滑法對(duì)瓦斯涌出量預(yù)測效果的差異，分別利用三種方法對(duì)瓦斯涌出量隨時(shí)間變化情況進(jìn)行了預(yù)測。圖4展示了a＝0.3時(shí)不同次數(shù)平滑法預(yù)測值與實(shí)測值比較。從圖中可以看出，三種預(yù)測方法計(jì)算得出的瓦斯涌出量隨時(shí)間變化趨勢(shì)均與實(shí)測值較為一致，表現(xiàn)出了良好的預(yù)測效果。相比之下，二次平滑法和三次平滑法曲線較為平緩，未能體現(xiàn)瓦斯涌出量隨時(shí)間的波動(dòng)情況，而一次平滑法雖然與實(shí)測值仍有差異，但在一定程度上也反映了瓦斯涌出量隨時(shí)間變化而表現(xiàn)出的波動(dòng)性。

圖4 不同次數(shù)平滑法預(yù)測值與實(shí)測值比較

表3給出了三種方法在計(jì)算瓦斯涌出量時(shí)的均方誤差。從表3可知，三個(gè)模型中均方誤差最小的為一次平滑法模型，其次為三次平滑法模型，誤差最大的為二次平滑法模型。因此，利用平滑系數(shù)a＝0.3的一次平滑法對(duì)瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測效果最佳。

表3 不同平滑法模型對(duì)應(yīng)的均方誤差

5 頁巖氣地層中隧道施工防治對(duì)策

根據(jù)上述隧道氣體檢測和瓦斯涌出量監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出了在頁巖氣地層中進(jìn)行隧道施工的一系列防治措施。

5.1 襯砌加強(qiáng)

對(duì)頁巖氣較為突出的隧道在施工時(shí)進(jìn)行全封閉襯砌處理。通過鋪滿防水層，在支護(hù)和二次襯砌階段通過摻入抗腐氣密劑的混凝土等方式，以此對(duì)瓦斯、CO和氨氣等有害氣體進(jìn)行隔絕。

通過膨脹水泥砂漿對(duì)隧道的施工縫和沉降縫進(jìn)行填充，將具有氣密性的涂料在表面進(jìn)行噴涂，以防止不良?xì)怏w的串流等情況。

5.2 超前鉆孔探測

在隧道施工前，需要通過地質(zhì)雷達(dá)和超前鉆孔等方式進(jìn)行地質(zhì)勘察，以對(duì)隧道周圍的圍巖狀況和瓦斯?jié)舛纫约胺植记闆r精確掌握。依據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，建議3個(gè)一組進(jìn)行超前鉆孔勘測，孔徑設(shè)置為75 mm、鉆孔深度在65～75 m較佳。通過超前鉆孔的方式，若勘測結(jié)果顯示有害氣體未超標(biāo)，則可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行50 m范圍內(nèi)的隧道掘進(jìn)施工作業(yè)。

5.3 圍巖注漿

若經(jīng)過勘測，發(fā)現(xiàn)隧道周圍的有害氣體濃度較大，可以采取圍巖注漿方式進(jìn)行防治。即結(jié)合圍巖完整度和有害氣體的初壓情況，通過對(duì)局部裂隙進(jìn)行注漿，甚至對(duì)整個(gè)斷面圍巖進(jìn)行注漿封堵措施來進(jìn)行防治。

具體措施為，若有害氣體涌出壓力在0.20～0.70 MPa范圍內(nèi)時(shí)，通過對(duì)通風(fēng)進(jìn)行加強(qiáng)以及自然排放方式即可處理。若有害氣體涌出壓力大于0.7 MPa，需在加強(qiáng)通風(fēng)的基礎(chǔ)上，設(shè)置有害氣體排放孔。直到通過以上手段使得有害氣體的初始?jí)毫档偷叫∮?.2 MPa情況時(shí)，開挖施工才可進(jìn)行，并對(duì)圍巖進(jìn)行注漿封堵。此外，為了防止壓力回升，可設(shè)置降壓管通向洞外。

6 結(jié)論

本文依托懷邵衡項(xiàng)目蒼稼嶺隧道，對(duì)頁巖氣地質(zhì)條件下的隧道氣體進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)檢測，對(duì)該隧道不同位置處的瓦斯涌出量進(jìn)行了監(jiān)測，分析了不同位置處瓦斯涌出量隨時(shí)間變化規(guī)律，提出了相應(yīng)的施工防治措施?；诖?，根據(jù)指數(shù)平滑法建立了瓦斯涌出量預(yù)測模型。得出主要結(jié)論如下:

(1)蒼稼嶺隧道所涌出的氣體為低熟煤型亞生物氣。主要包含甲烷、乙烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫以及氨氣等。

(2)瓦斯涌出量最大的為隧道洞口處，其次為二襯臺(tái)車處，最低的是在掌子面處。掌子面處的瓦斯涌出量波動(dòng)范圍較大。

(3)三種預(yù)測方法計(jì)算得出的瓦斯涌出量隨時(shí)間變化趨勢(shì)均與實(shí)測值較為一致，表現(xiàn)出了良好的預(yù)測效果。二次平滑法和三次平滑法曲線較為平緩，未能體現(xiàn)瓦斯涌出量隨時(shí)間的波動(dòng)情況。預(yù)測均方誤差最小的為一次平滑法。利用平滑系數(shù)a＝0.3的一次平滑法對(duì)瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測效果最佳。

(4)文中提出的頁巖氣地層中隧道防治對(duì)策主要為襯砌加強(qiáng)、超前鉆孔探測、圍巖注漿三種方式。