蘭渝鐵路梅嶺關隧道地質特征與有害氣體防治的探討

郝俊鎖

(中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北豐潤 064000)

0 引言

蘭渝鐵路是國家《中長期鐵路網規劃》西北西南區際間的新通道，經廣元進入四川盆地后，穿越川西北、川北和川中油氣區，所經地層以侏羅系為主。其中，廣元至重慶段正線新建雙線隧道111座，長138．1 km，都有可能遇到淺層天然氣從而引發次生地質災害［1］。在設計勘察階段開展了蘭渝鐵路廣元—南充段淺層天然氣對隧道影響的研究，經分析認為熊洞灣隧道、軒盤嶺隧道和梅嶺關隧道受淺層天然氣影響較嚴重。目前，在這種含有害氣體地層進行地下工程建設的工程經驗和研究成果較少，且無規范、標準可循。長期以來，淺層氣主要被作為一種集中于氣體的分布、開采與利用的能源進行研究［2］，而含有淺層氣的地層對土木工程影響研究尚不多見。隨著鐵路、公路、城市地下工程建設領域的拓寬和地下空間的開發，將會越來越多地遇到受不同成因的淺層天然氣影響的地下工程。如何把握含淺層氣地層對地下工程的影響和成災機制，采取何種有效措施消除或避免災害發生，研究解決這一難題對隧道等地下工程安全施工和順利運營具有重要意義。本文通過對蘭渝鐵路梅嶺關隧道地質特征的進一步研究以及總結、分析隧道開挖揭露圍巖的地質和瓦斯涌出情況與規律，提出施工過程中針對性預防措施。

1 工程概況

新建蘭渝鐵路高風險控制工程之一的梅嶺關隧道，位于四川盆地北東部的廣元市元壩區梅樹鄉、石井鋪鄉，起止里程為 DK607+329．1～DK615+600，全長8 270．9 m，為單洞雙線隧道(見圖1)。本隧道設進出口平行導坑輔助施工，該導坑中線與左線線路中線平行，間距30 m。隧道進口平導長2 660 m，出口平導長2 242 m。該隧道屬低山溝谷侵蝕地貌，地形起伏較大，陡緩坡相間，地面坡度15～50°，局部為陡崖，標高為580～1 000 m，相對高差約420 m。隧道最大埋深約 407 m，最小埋深約58 m。

圖1 梅嶺關隧道進口段縱斷面與平面示意圖Fig．1 Longitudinal profile and plan layout of entrance section of Meilingguan tunnel

2 隧址區域地質環境

2．1 隧址區域地質構造特征

隧道區覆蓋層主要為第四系全新統滑坡堆積層、沖洪積層、坡洪積層、坡殘積層及崩坡積層，下伏基巖為白堊系下統劍門關組礫巖、砂巖與泥巖，侏羅系上統蓮花口組砂巖、泥巖。隧道位于龍門山印支褶皺帶東部、四川中坳斜燕山褶皺區之川北凹斜東部，新場向斜軸在DK616+500穿越隧道。

2．2 隧道與主要油氣田、油氣層的關系

隧道位于川東北油氣區，東距九龍山氣田約30 km，西距射箭河氣田約10 km，緊鄰吳家壩、牟家山潛伏構造，下伏地層上三疊統須家河二段和下二疊統茅口組是很好的產氣層［3］。從地質構造角度分析，梅嶺關隧道雖不是油氣聚積的場所，但卻是區域油氣運移的必經之路，而地腹潼梓關潛伏鼻狀構造的含氣層可能通過裂隙等方式向上移串侵染上覆地層，對隧道施工有較大影響。

2．3 不良地質條件

勘察中對本隧道進行天然氣測試，結果如表1所示。鉆孔檢測結果顯示1號和4號鉆孔有天然氣逸出，隧道洞身基巖賦存淺層天然氣。隨著鉆孔深度增加，天然氣體積分數呈增高趨勢，深度越大，天然氣體積分數越多。從天然氣顯示段巖性來看，地層巖性主要以砂巖和泥質砂巖為主，巖芯完整，裂縫不發育，淺層天然氣主要賦存于砂巖孔隙中。

表1 梅嶺關隧道天然氣鉆孔測試結果表［4］Table 1 Results of gas detection through borehole drilling

3 高風險原因分析

3．1 設計情況

根據梅嶺關隧道勘察階段鉆孔探測，單孔天燃氣最高體積分數為0．974%，計算隧道天燃氣總量為3 455．7 m3。該隧道 DK607+800～DK610+050和DK613+350～DK614+950段共計3850m按高瓦斯設計。

梅嶺關隧道瓦斯不良地質主要是受區域地質構造運動影響。天然氣是地質作用的產物，其形成、運移、賦存和富集與地質條件密切相關，并受地質條件的制約。該隧道下伏三疊系須家河組油氣田，產氣層至少在地表2．4 km以下，隧道開挖不會遇到產氣層，但隧道位于吳家壩潛伏構造西端，斷裂、裂縫發育，深層天然氣會沿構造帶破碎巖體和下部巖體的裂隙、節理上升，再沿上部巖體的節理、裂隙、巖層接觸面上升至隧道通過的地層，對該隧道影響較大。天然氣運移模式［5］如圖 2 所示。

圖2 天然氣運移模式Fig．2 Transmission mode of natural gas

梅嶺關隧道穿越地層主要為侏羅系紅色砂泥巖地層，該地層中不會生成天然氣，但較大規模的褶皺運動會使深層天然氣向隆起幅度更高的部位運移，區域的斷裂活動會極大提高天然氣的垂向輸通性能，受與儲氣層相通而圈閉條件好的張裂隙和裂隙發育的砂巖透鏡體的分布控制，在該地層形成次生天然氣儲層;因此，該隧道穿越地層圍巖體內存在瓦斯，大量以游離態賦存巖體孔隙中，少量在泥巖體內以吸附態存在，且因隧道開挖引起圍巖體變形的影響而大量釋放。

3．2 原因分析

根據上述梅嶺關隧道區域地質環境和勘察鉆探揭示不良地質條件描述以及對該隧道所處的區域構造特征、淺層天然氣認識和天然氣危害的特點等詳細分析，認為梅嶺關隧道施工存在極高風險。

1)各種氣體對隧道的影響。川東石油勘探揭示深層天然氣中硫化氫體積分數一般為9% ～17%，二氧化碳體積分數為5% ～9%，甲烷、硫化氫和二氧化碳三者約占天然氣總量的99%［6］。具體分析各種成分對隧道影響為:①天然氣混合氣體爆炸極限為3．6%～17%，相對煤層瓦斯爆炸極限5% ～16%來說更易達到爆炸條件。②甲烷等輕烴本身無毒，為單純窒息性氣體;但硫化氫是一種劇毒氣體，天然氣中如含有較多的硫化氫，大量吸入會損害健康。③甲烷的燃點為595℃，硫化氫的燃點為280℃，硫化氫更易燃。

2)隧道受到淺層天然氣藏影響。從地質條件來看，埋藏0～150 m內的地層不具備形成大氣藏的條件，只能形成一些小氣包，其可能會在平面上大面積展布。埋深逾500 m的地層在生儲蓋條件較為優越時才能形成較大規模的氣藏。四川盆地天然氣豐富，淺層天然氣藏的主要層位是侏羅系和白堊系砂、泥巖紅色地層，在川西、川中探明具有較高開采價值。隧址區域淺層天然氣分布受構造控制，由于隧道埋深較淺，在無異常高壓情況下，天然氣主要以溢流方式緩慢溢出，一般難以出現象煤層瓦斯一樣的涌出和突出現象;但不排除洞身穿越該地層可能遇到小氣囊，給施工帶來災難性的事故隱患。

3)設計和施工原因。石油天然氣是本隧道主要危險源之一，其不同于煤層瓦斯。全隧長8 271 m，設計勘察階段僅設了4個地質探孔，其中有2個探孔檢查發現瓦斯溢出，對瓦斯體積分數進行了檢測，對其組成成分等未進行仔細分析，設計采用工程類比法。此外，天然氣瓦斯隧道工程實例較少，施工經驗不足。

4 天然氣涌出情況

4．1 涌出特點

蘭渝鐵路梅嶺關隧道自2009年10月開工建設就按照高瓦斯隧道施工要求，采用煤礦瓦斯自動監測監控系統和人工檢測相結合的手段，對隧道掌子面等處的瓦斯體積分數和涌出情況實施24 h不間斷檢測?；趯γ穾X關隧道大量瓦斯監測數據收集分析認為，當地質構造運動中封閉了天然氣既有通道時，其特點表現為“隧道開挖中揭開封閉巖體后短時少量涌出，通風稀釋后隨即消失”。隧道開挖遇到的深層天然氣具有壓力低、流量低而穩定、分布不均勻、涌出的隨機性強等特點。

4．2 監測數據規律分析

選擇具有普遍代表性的瓦斯體積分數與時間的關系曲線［7］分析，找出影響瓦斯涌出異常的影響因素。

1)隧道開挖揭露的影響。圖3是梅嶺關隧道2011年6月1日的24 h瓦斯體積分數監測曲線。從圖中可以看出，掌子面爆破后瓦斯體積分數快速上升，通風后又快速下降達到穩定。由此可以說明:①爆破振動對瓦斯涌出路徑的連通性影響明顯;②該隧道穿越地層天然氣體積分數有限，補給速度緩慢，未形成有相對高壓的氣囊。

2)不同地質條件瓦斯體積分數不同。圖4是梅嶺關隧道2010年10月31 d的瓦斯體積分數監測曲線。從圖中可以看出:①不同時間、不同里程，瓦斯體積分數的變化速率及其峰值不同，反映巖體中瓦斯的儲量不同;②從相鄰時間段(如以1周時間分段)分析，瓦斯體積分數的峰值接近，反映相似地層中瓦斯的儲量相近;③整體看來，2010年10月共計發生瓦斯超限2次(設定超限報警值為0．5%)，瓦斯體積分數峰值不大，個別超限，且瓦斯涌出異常表現為快速上升/快速下降。由此可以說明，該隧道瓦斯涌出與其地層地質條件密切相關，地層天然氣體積分數有限，具有壓力低、流量低而穩定和分布不均的特點。

4．3 圍巖中瓦斯的流動

根據本隧道掌子面爆破后瓦斯體積分數快速上升，通風后又快速下降達到穩定的特點分析，模擬瓦斯涌出的流動示意如圖5所示。當隧道洞身穿越的地層或鄰近地層中含天然氣地層時，在隧道洞身爆破開挖后，由于圍巖的移動和地應力的重新分布，在地層中造成大量的裂隙，可使頂、底板附近含天然氣地層中的瓦斯大量涌入隧道空間。

圖5 隧道爆破開挖圍巖中瓦斯流動示意圖Fig．5 Gas transmission after excavation

5 有害氣體的針對性預防措施

按設計要求和規范、規程，在“超前鉆孔探瓦斯、晝夜監測測瓦斯、嚴控火源防瓦斯、加強通風治瓦斯”等綜合瓦斯防治的基礎上，針對梅嶺關隧道地質特征和有害氣體的特點以及瓦斯涌出的規律，采取以下針對性預防措施。

5．1 硫化氫氣體檢測與預防

硫化氫氣體的體積分數檢測與瓦斯監測同時進行，在安裝瓦斯安全監測監控系統時必須配置配套硫化氫氣體傳感器［8］，安裝在隧道掌子面，實施24 h不間斷監測;同時，專職瓦斯檢測員配備便攜式硫化氫氣體檢測儀(如GC210型，測量范圍為0～0．01%)。天然氣瓦斯隧道硫化氫氣體體積分數檢測是安全預防必不可少的一項重要手段。

硫化氫氣體有劇毒，對隧道施工安全危害極大，根據硫化氫氣體特性采取以下預防措施:

1)在施工過程中檢測發現硫化氫氣體，應制定專項安全施工方案和應急預案，并通過專家評審后，嚴格組織實施，并指派專人負責硫化氫檢測。作業過程中，當現場人員聽到硫化氫報警器發出報警時，應立即打手勢和喊叫“停止作業”，并及時組織人員撤離。如果檢測體積分數≥0．000 65%時，不得進入施工現場。

2)施工現場若聞到“臭雞蛋”氣味，或出現眼刺痛、畏光、流淚、結膜充血、咽部灼熱感、咳嗽等，或有頭痛、頭暈、乏力等癥狀，應立即向現場施工負責人報告，加強硫化氫氣體檢測，查明原因。

3)硫化氫氣體比空氣重，具有極易溶于水和與石灰發生反應等特點，隧道施工現場掌子面和隧道已經施作仰拱回填段應每天灑水保持濕潤。此外，現場應準備用于稀釋硫化氫氣體體積分數的石灰等應急物質。

4)隧道已施作二次襯砌地段，間隔100 m環向設置高壓水噴淋管，在每次隧道掘進爆破后，開啟噴淋管把水霧化成微細水滴噴射到空氣中，達到防塵防有害氣體的目的。

5)針對硫化氫氣體的特性和危害，加強安全教育工作，提高防范意識和應急處置能力。

5．2 遠距離放炮

根據瓦斯異常涌出與爆破震動有密切關系，且天然氣可能含有硫化氫毒性氣體以及淺層天然氣可能有小氣囊危害的不確定性，采取遠距離爆破是為防止預測失誤而采取的一種安全防護措施。放炮時把起爆點設在洞外，洞口杜絕一切火源。起爆母線采用銅芯電纜，使用煤礦安全炸藥和毫秒雷管(總延期時間不超過130 ms)，放炮時洞內停電撤人，放炮后通風30 min方可進入工作面檢查。

5．3 采取短進尺快封閉的施工措施

梅嶺關隧道瓦斯涌出具有開挖爆破后瓦斯體積分數快速上升，通風后又快速下降達到穩定的特征;因此，根據圍巖中瓦斯流動趨勢，瓦斯的涌出量與隧道頂部巖層的卸壓變形區域、層間巖的性質、瓦斯體積分數和工作面長度等因素有關。若在巖層中瓦斯達到一定體積分數時，一次爆破開挖進尺越大，則瓦斯涌出量就越大。采取短進尺可減少一次瓦斯涌出量，防治瓦斯體積分數突然升高超限帶來安全隱患;快速封閉可以避免隧道頂部巖石松動冒落，而引起更深層次瓦斯向隧道內涌出。

6 施工效果

自新建蘭渝鐵路梅嶺關高風險瓦斯隧道開工建設以來，經過2年多時間的施工檢驗，施工中所采取的措施科學有效。隧道工程相對封閉，除天然地層中的有毒氣體外，開挖爆破、大量機械設備運轉等也會產生有毒氣體［9］。對有毒氣體進行檢測并保持良好的通風是最有效的防范手段;針對不同的氣體物化特性，采取灑水、灑石灰等措施也取得很好的預防效果;隧道開挖過程中，采取洞外遠距離放炮以及隧道掘進采取短進尺、快封閉等施工措施，同樣也有效地預防有毒氣體的危害和減少有害氣體的產生?？傊?，需針對工程的地質特點、有毒氣體的成分特征等制定相應的防范措施;另外，對工程參與人員進行有毒氣體的知識及防范教育也是十分重要的。

7 結論與討論

限于目前隧道地質勘察技術水平以及對淺層天然氣的認識水平，難于在勘察階段發現低壓力、低體積分數瓦斯，無法定性、定量預測預報隧道洞身穿越地層瓦斯的分布、體積分數和涌出情況。在對隧道區域地質環境和洞身穿越地層巖性的分析認識的基礎上，查明施工風險源，采取相應預防措施，并進一步通過隧道施工實踐揭示，對風險點采取適時監測分析，掌握其特性和規律，采取針對性防范措施，是可以化解施工風險的。總之，隧道地質條件是施工的基礎，特別是非煤系或煤系瓦斯隧道，詳細了解洞身穿越地層的特性，查明隧道施工風險源、合理評估其危害是杜絕安全事故發生的關鍵。

［1］ 蘇培東，陽旭東，王茂清．蘭渝鐵路廣南段淺層天然氣對隧道影響研究［J］．路基工程，2009(2):53-54．

［2］ 王勇，孔令偉，郭愛國，等．淺層氣地層對地鐵隧道穩定性影響模型試驗研究［J］．巖土力學，2010(11):68-74．(WANG Yong，KONG Lingwei，GUO Aiguo，et al．Model test research on influences of shallow gas stratum on stability of Metro tunnel［J］．Rock and Soil Mechanics，2010(11):68-74．(in Chinese))

［3］ 郝俊鎖，沈殿臣，王會軍．梅嶺關瓦斯隧道施工技術［J］．現代隧道技術，2011(2):149-152．(HAO Junsuo，SHEN Dianchen，WANG Huijun．Construction technology of Meillingguan gas tunnel［J］．Modern Tunnelling Technology，2011(2):149-152．(in Chinese))

［4］ 蘇培東，李作兵，范曉麗．蘭渝鐵路梅嶺關隧道淺層天然氣預測研究［J］．路基工程，2011(1):35-37．(SU Peidong，LI Zuobing，FAN Xiaoli．Prediction and study of shallow reservoired naturalgas in Meilingguan tunnelof Lanzhou-Chongqing railway［J］．Subgrade Engineering，2011(1):35-37．(in Chinese))

［5］ 蘇培東，李作兵，范曉麗，等．成—簡一級公路龍泉山隧道淺層天然氣檢測研究［J］．現代隧道技術，2009(4):58-63．(SU Peidong，LI Zuobing，FAN Xiaoli，et al．Study on shallow gas detection for Longquan Mountain tunnels on Chengdu-Jianyan first class highway［J］．Modern Tunnelling Technology，2009(4):58-63．(in Chinese))

［6］ 馬永生，蔡勛育，趙培榮，等．四川盆地大中型天然氣田分布特征與勘探方向［J］．石油學報，2010(3):5-12．(MA Yongsheng，CAI Xunyu，ZHAO Peirong，et al．Distribution and further exploration of the large-medium sized gas fields in Sichuan basin［J］．Acta Petrolei Sinica，2010(3):5-12．(in Chinese))

［7］ 高紅杰．襄渝線財神廟隧道瓦斯特征及處理對策［J］．鐵道工程學報，2009(10):86-91．(GAO Hongjie．The gas characteristics of Caishenmiao tunnel on Xiangfan-Chongqing railway and its treatment measures［J］．Journal of Railway Engineering Society，2009(10):86-91．(in Chinese))

［8］ 劉石磊，羅占夫，朱同華．安全監測系統在三聯隧道高瓦斯工區的應用［J］．隧道建設，2010，30(5):98-102．(LIU Shilei，LUO Zhanfu，ZHU Tonghua．Application of safety monitoring system in high gas concentration lot of Sanlian tunnel［J］．Tunnel Construction，2010，30(5):98-102．(in Chinese))

［9］ 梅稚平，肖揚，李洪強，等．水電工程地下洞室有害氣體成因及防治措施［J］．隧道建設，2010，30(6):24-28．(MEI Zhiping，XIAO Yang，LI Hongqiang，et al．Causes for toxic gases in underground caverns of hydropower works and their countermeasures［J］．Tunnel Construction，2010，30(6):24-28．(in Chinese))