蘭渝鐵路圖山寺隧道瓦斯探測預測技術

魚海曄,張善穩

(1.中鐵一局集團有限公司,西安 710054;2.西安市地下鐵道有限公司,西安 710054)

蘭渝鐵路圖山寺隧道瓦斯探測預測技術

魚海曄1,張善穩2

(1.中鐵一局集團有限公司,西安 710054;2.西安市地下鐵道有限公司,西安 710054)

瓦斯隧道的超前探測預測,是防止隧道瓦斯災害性事故發生的有效措施之一。施工中采用地質勘查、地質描述法,中、遠距離物探,超前鉆孔以及加深炮孔探測的方法,對圖山寺隧道瓦斯進行超前探測和預報,并根據探測預報的結果采取合理、有效的施工措施,降低瓦斯的含量到允許的范圍內,確保了隧道的施工安全。

鐵路隧道;瓦斯探測;瓦斯監測;施工

1 工程概況

蘭渝鐵路圖山寺單線隧道是蘭渝鐵路高風險隧道之一,長3216m,位于四川省南充市境內。隧道進出口各設800m的平導,平導與正洞線間距為30m,最大埋深160m,最小埋深77m。

隧道所處區域為西山向斜的西北翼,分別穿過第四系土層和侏羅系泥巖夾砂巖地層,巖層為緩傾巖層,節理較發育,圍巖基本分級為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級,地下水不發育。

隧道位于川東淺層天然氣發育地區,在其2000～2800m以下為含氣地層,天然氣等有害氣體可能順著巖層裂隙上逸,并在隧道洞身范圍基巖裂隙或裂縫中局部游離富集,形成氣囊,并具有隨機性和不均勻性?？辈煸O計鉆孔測試結果顯示單孔天然氣最高濃度9500ppm,計算隧道天然氣含量6087m3,瓦斯壓力0.2kPa,天然氣絕對涌出量3.03m3/min,存在溢出天然氣危害,天然氣的主要成分是瓦斯,設計判定為高瓦斯隧道[1]。施工揭示天然氣瓦斯濃度最高達6.4%。

2 瓦斯超前探測方法

隧道所處區域地層較單一,地質構造簡單,沒有大的地質構造,隧道的超前地質預報主要是探測隧道掌子面前方的瓦斯含量和瓦斯溢出性,根據探測結果采取相應的措施,防止災害性事故的發生。由于圖山寺隧道為高瓦斯隧道,存在天然氣逸出危害,施工過程中全隧道開展綜合超前地質預報工作,并將其作為重要的工序。主要通過施工中地質勘察及地質素描,HSP的中、遠距離物探,超前鉆孔以及每一掘進循環的加深炮眼實現超前瓦斯探測預報工作[2]。

2.1 地質勘查、地質描述法

每一次隧道開挖后,通過對隧道掌子面地質勘查、隧道掌子面的地質描述,查明實時地質條件,主要針對圍巖巖性、節理裂隙參數和地下水的狀況,判斷圍巖條件、分析圍巖節理裂隙發育情況,分析裂隙對天然氣逸出的影響,預測前方圍巖的地質條件及可能的天然氣逸出的情況。

2.2 通過中、遠距離物探的方法

由于圖山寺隧道的瓦斯是從2000～2800m以下為含氣地層巖巖層裂隙上逸進入隧道同時在巖層裂隙中富存,所以應先把探明地質構造的發育程度和節理裂隙的發育作為超前地質探測的重點。隧道采用HSP的物探方法對隧道情況進行中、遠距離圍巖地質條件探測,主要探測前方的地質構造、圍巖節理裂隙的發育情況。根據預測結果,把構造和圍巖節理裂隙發育帶作為瓦斯檢測的重點地段。HSP探測每150m施做1次,連續兩次的預報重疊10m[2]。

2.3 采用超前鉆孔的方法探測地質情況和前方隧道瓦斯的發育情況

超前探孔可直觀地探明前方的地質情況,可以通過檢測測探孔里的天然氣濃度、涌出量、壓力等參數,預測和評價前方的瓦斯涌出的位置、瓦斯含量和參數,以便制定針對性的措施[3]。

超前鉆孔采用φ76mm的超前地質鉆孔,每25m施作1次,每次至少3孔,每孔長30m,每次搭接長度不得小于5m。探孔布設在隧道開挖輪廓線位置,并向外插施作,探孔的終孔連線應位于隧道開挖輪廓線外3m以上[1]。如圖1所示。

超前探孔處設瓦斯監測點,監測瓦斯的濃度。在超前鉆孔施工時,隨時監測孔口處的瓦斯濃度,防止出現瓦斯突出等異常情況,超前探孔鉆孔完成后,對孔內瓦斯濃度進行監測,通過對孔內瓦斯濃度和孔口瓦斯濃度對比,判斷瓦斯是否存在壓力、以及有無涌出可能。超前探孔也可以起提前排放瓦斯的作用,可降低前方瓦斯的濃度[4]。

圖1 探孔斷面布置示意(單位:m)

2.4 采用加深炮孔探測是否有瓦斯存在

每一個循環開挖施工時設加深炮孔,每個斷面的加深炮孔不少于5個,均勻分布于掌子面,炮眼加深長度不小于5m。加深炮眼主要為探明本次開挖循環的前方5m范圍內是否存在瓦斯富集區,防止隧道爆破時瓦斯大量涌出,造成災害性的事故[5]。

3 瓦斯超前探測工序流程

圖山寺隧道采用HSP的物探方法對隧道的地質構造進行遠距離探測,預報前方是否有瓦斯富集的地質構造和條件[2]。同時全隧道采用超前鉆孔和加深炮孔的方法探測地質情況和前方隧道瓦斯的發育情況,瓦斯的探測主要通過超前探孔探測和加深炮眼探測。超前鉆孔探測瓦斯的的作業流程如圖2所示。

圖2 瓦斯超前探測工序流程

3.1 超前鉆孔探測隧道前方瓦斯的特性

超前探孔可以直接的揭露前方的瓦斯富集的巖層,通過檢測超前探孔的瓦斯的壓力和孔內瓦斯的涌出量以及積聚部位,判斷前方地層瓦斯的賦存情況,采取有效的措施,確保施工安全。

在鉆孔鉆進時,在孔口位置設置瓦斯檢測點,動態檢測孔口瓦斯的濃度,檢測防止出現瓦斯突出。每鉆進5m檢測一次孔內瓦斯的濃度及孔口處的濃度、瓦斯壓力,掌握鉆孔穿越地層的瓦斯發育情況。每次開挖爆破后,也對孔口和孔內位置的瓦斯進行檢測,密切注意瓦斯涌出量和隧道開挖爆破的的關系,防止因爆破振動造成巖石裂隙而引發隧道瓦斯突出。

超前探測在隧道斷面只有3個,而且是向外插,為了更詳細地探測每次開挖爆破前方掌子面的瓦斯情況,配合超前探孔探測,采用每個開挖循環在掌子面布置不少于5個的加深炮孔,采用加深炮孔探測當前開挖掌子面前方的瓦斯狀況,以便采取相應的措施。每一個循環開挖打眼時,先施工加深炮孔,炮孔鉆眼時,在孔口位置設置瓦斯檢測點,動態檢測孔口瓦斯的濃度,檢測防止出現瓦斯突出,成孔后,測定孔口和孔底的瓦斯濃度和壓力,根據探測的結果,指導下一步施工。爆破完成后,再次監測加深炮孔的瓦斯狀況,掌握瓦斯的涌出規律。

3.2 根據瓦斯的探測結果采取的施工措施[6,7]

(1)探測瓦斯壓力和積聚位置,當瓦斯壓力小于0.6MPa,可正常進行開挖施工。

(2)當瓦斯壓力在0.6～1.0MPa,應加強通風,采取自然排放的方式排放瓦斯。

(3)當瓦斯壓力大于1.0MPa,在隧道掘進至距離瓦斯積聚位置5m處,停止掘進,在涌出孔附近施作瓦斯排放孔,進行瓦斯排放,將瓦斯壓力降至1.0MPa以下,若24h內不能使其降低,則應立即封閉,采取抽放的方式降低瓦斯濃度。

(4)檢測孔內瓦斯涌出量,如果單孔瓦斯涌出量小于5L/min,則可正常進行開挖施工。

(5)如果單孔瓦斯涌出量大于5L/min,在隧道掘進至距離瓦斯積聚位置5m處,停止掘進,在涌出孔附近施作瓦斯排放孔,進行瓦斯排放,將單孔瓦斯涌出量降到5L/min以下,若24h內不能使其降低,則應立即封閉,采取抽放的方式降低瓦斯濃度。

(6)測量加深炮孔的瓦斯含量和壓力,瓦斯含量未超過5L/min、或壓力未超過1.0MPa,可正常進行其他炮眼的鉆孔工作。當瓦斯含量或壓力超標時,采取相應的施工措施。

4 圖山寺隧道瓦斯探測的實施

圖山寺隧道的瓦斯的超前預測預報采取“長距離與短距離探測、微觀與宏觀探測、物探與鉆探”相結合的“三結合”原則進行預報。先采取物探超前預報系統進行長距離預報,判斷圍巖地質構造的發育情況,是否存在瓦斯賦存的地質條件,再以超前鉆孔作為中長距離的驗證探測、具體探測前方的瓦斯發育情況,最后在每茬炮開挖時采用5孔加深炮眼作加深驗證。預報頻率為:HSP超前預報150m/次,搭接10m,超前鉆孔25m/次,搭接5m,加深炮眼每茬炮施作1次。

圖山寺隧道ID2K787+918～ID2K787+768段,采用HSP探測到DK787+906～DK787+877段存在3條縱波正負反射構造界面、4條橫波反射構造界面;據此判斷該段巖體破碎、巖石強度較低,DK787+898處存在縱波反射構造界面,可能存在局部構造帶或軟弱夾層。而局部構造帶為隧底下埋天然氣瓦斯上逸提供了良好的通道,巖體破碎及其間的裂隙,為瓦斯吸附、游離創造了較好的條件。見圖3、圖4。

圖3 縱橫波速率及反射波比率分布

圖4 縱橫波繞射偏移圖

據HSP探測結果預留5m安全巖盤,開挖到DK787+911掌子面布置3孔30m長超前鉆孔,其參數見圖5,按照鉆孔1、鉆孔2和鉆孔3的順序施鉆, DK787+903～DK787+885段鉆孔12、鉆孔2超前鉆孔過程中有突進現象、鉆速較其他段落快;采用光干涉式瓦斯檢測儀每鉆進1m測1次瓦斯濃度,測得鉆孔1m內瓦斯濃度最大達6.4%,鉆孔2、鉆孔3分別為4.1%、3.6%。測量瓦斯涌出量,小于55L/min,無壓力。據此判斷該段圍巖裂隙發育,圍巖破碎,瓦斯含量高。

圖5 超前探測鉆孔布置(單位:cm)

每一個循環開挖施工時設5個5m的加深炮孔,測加深炮孔瓦斯濃度,孔內瓦斯濃度最高為2.1%,孔口瓦斯濃度未超過0.5%,可能是超前探孔提前排放了部分瓦斯,以及加深炮孔較淺,瓦斯容易排放和被稀疏。

5 結語

瓦斯隧道施工中瓦斯防治的手段主要是瓦斯的超前探測、瓦斯的監測、通風降低瓦斯濃度、火源及易產生明火的風險源的管理及瓦斯風險管理制度的嚴格執行[8]。瓦斯的超前探測是隧道向前掘進施工的首道工序,為隧道的開挖掘進工序提供指導,是瓦斯隧道安全施工的關鍵工序[9,10]。在隧道施工期間,超前探孔孔內一般瓦斯濃度為1.5%～4.5%,最高探測瓦斯濃度達到6.4%。隧道內一般在爆破開挖后,瓦斯濃度較高,最高達到0.84%,在隧道通風后,一般都會很快就降低到正常水平,在隧道的其他施工工序過程中,檢測的瓦斯濃度在0.03% ～0.35%。圖山寺隧道通過有效的瓦斯探測預測手段,預測分析隧道前方瓦斯發育情況、瓦斯涌出、巖體瓦斯壓力、瓦斯含量、突出性噴出等特性,采取應對措施,制定合理的施工方案,確保了隧道的安全施工。

[1] 中鐵二院工程集團有限責任公司.新建鐵路蘭州至重慶線廣重段南充東至高興單線圖山寺隧道施工圖[Z].成都:中鐵二院工程集團有限責任公司,2009.

[2] 龔玉華,王勇.綜合地質預報技術在壇廠隧道施工中的應用[J].現代隧道技術,2011(6):163 -168.

[3] 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):84 -89.

[4] 李杰,黃春峰.合武鐵路客運專線紅石巖隧道瓦斯成因探討[J].鐵道標準設計,2007(S1):98 -99.

[5] 李斐,陳達,朱燕琴.杭州地鐵1號線彭埠站 建華站區間盾構隧道下穿有害氣體土層工程設計[J].鐵道標準設計,2010(10): 108 -113.

[6] 國家安全生產監督管理總局.煤礦安全規程[S].北京:煤炭工業出版社,2009.

[7] 國家安全生產監督管理總局.防治煤與瓦斯突出規定[S].北京:煤炭工業出版社,2009.

[8] 鄭思文,劉建華.瓦斯檢測員[M].北京:中國礦業大學出版社,2002.

[9] 中華人民共和國鐵道部.TB10120—2002 鐵路瓦斯隧道技術規范[S].北京:中國鐵道出版社,2002.

[10]鐵道部經濟規劃研究院.TZ204—2008 鐵路隧道工程施工技術指南[S].北京:中國鐵道出版社研究,2008.

Gas Detection and Prediction Technology of Tushan Temple Tunnel of Lanzhou-Chongqing Railway

YU Hai-ye1, ZHANG Shan-wen2
(1. China Railway First Group Co. , Ltd. , Xi'an 710054, China; 2. Xi'an Metro Co. , Ltd. , Xi'an 710054, China)

The most effective measures to prevent the catastrophe of gas exploding in tunnel are the advanced detection and prediction.Several methods such as geologic exploration,stratum description,far and middle distance geophysical prospecting,advanced borehole and deepened hole were adopted for gas detection and prediction of the Tushan Temple Tunnel.Then based on the results of detection and prediction,the reasonable and effective construction measures were employed which could reduce the gas content to an allowable range so as to ensure construction safety of the tunnel.

railway tunnel;gas detection;gas monitoring;construction

U456.3+3

A

1004 -2954(2012)12 -0078 -03

2012-04-28

魚海曄(1970—),女,高級工程師,1992年畢業于石家莊鐵道學院鐵道工程專業,E-mail:306798423@qq.com。