渝廣高速華鎣山隧道瓦斯超前預測預報技術

余世剛

摘 要：隨著國家中西部道路建設的不斷發展，公路隧道修建的數量也越來越多，“煤與瓦斯、巖溶、涌（突）水、斷層、高地應力”等有害地質現象給施工造成極大的難度和危害。為滿足安全生產的需求，本文現對渝（重慶）廣（四川廣安）高速華鎣山隧道進行了瓦斯超前探測等預測預報技術，擬有效發現“煤與瓦斯、巖溶、涌（突）水、斷層、高地應力”等有害地質現象；預先探測發現地質破碎帶和含水帶地質形態及構造類型；探測地質破碎帶瓦斯富集規律；探測含煤段煤層產狀、瓦斯參數；探測開采礦井采空區狀態。

關健詞：隧道瓦斯；超前鉆探；預測預報

中圖分類號：U456 文獻標識碼：A

文章編號：1672-3791（2015）8（c）-0000-00

1 前言

隨著國家中西部道路建設的不斷發展，公路隧道修建的數量也越來越多，“煤與瓦斯、巖溶、涌（突）水、斷層、高地應力”等有害地質現象給施工造成極大的難度和危害。渝（重慶）廣（四川廣安）高速華鎣山隧道施工過程中煤與瓦斯現象的危害十分嚴重。根據都汶高速紫坪鋪隧道[1]和銅鑼山隧道[2]、廣鄰高速華鎣山隧道[3]、成渝高速中梁山[4]、以及雅瀘高速公路勒布果喇吉隧道[5]等高瓦斯隧道鉆探施工經驗，對隧道進行瓦斯超前探測可以及時預測施工隧道前方瓦斯壓力、瓦斯流量、其他不良地質現象，極大的降低了隧道施工的危險性和難度，為施工提供了堅實的保障。

2地質概況

渝（重慶）廣（四川廣安）高速公路華鎣

山隧道進口位于北碚區靜觀鎮西山村，出口位于合川區清平鎮桃李園村，隧道左右洞長度分別為5018和5000m，進出口樁號為分別ZK23+467～ZK28+485、K23+467～K28+467。隧道橫穿華鎣山背斜中部，總體走向為N59°W。隧道設計為相距30m分修的雙洞三車道，人字形縱坡，凈空高度8.0m寬度12.5m。

2.1地層巖性

華鎣山隧道洞身穿越的地層分別為：第四系全新統松散堆積層（Q4）；侏羅系中、下統新田溝組（J2x）、自流井組（J1-2z）、珍珠沖組（J1z）的碎屑巖；三疊系上統須家河組（T3xj）的碎屑巖，中下統雷口坡組（T2l）、嘉陵江組（T1j）的可溶巖，飛仙關組（T1f）的可溶巖與非可溶巖互層；二疊系上統長興組（P2c）、龍潭組（P2l）的可溶巖與非可溶巖。其中可溶碳酸鹽巖在隧址區出露面積較廣，約占40%。華鎣山隧道穿越地層圖見圖1。

圖1 華鎣山隧道穿越地層圖

Fig.1 stratigraphic map of Huaying mountain tunnel

2.2地質構造

區域內構造較發育，以川東隔檔式構造為框架，形成具有明顯特征的“重慶褶皺束”，重慶褶皺束由一系列平行雁行排列的隔擋式梳狀褶皺構造和走向壓性斷裂組成，呈NNE向展布，在川東隔擋式褶皺中，華鎣山背斜、銅鑼山背斜、明月山背斜延伸最長，而華鎣山復式背斜構造南端在合川區三匯鎮撒開，形成向北東收斂的華鎣山帚狀構造帶，包括瀝鼻峽、溫塘峽和觀音峽背斜。隧道位于華鎣山帚狀褶皺束，區內有西山、瀝鼻峽、溫塘峽、觀音峽、龍王洞等背斜及其間的向斜，是該帚狀褶皺束的南延部分，其主要特點是背斜褶皺緊密，兩翼不對稱多西陡東緩，背斜軸線扭擺多彎曲，呈反“S”型，軸向傾斜變化多，構造分支多，獨立高點多，斷裂多。華鎣山隧道穿越構造為觀音峽背斜，并發育多條斷層，地質構造較為復雜。華鎣山隧道區域地質構造見圖2。

圖2 華鎣山隧道區域地質構造圖

Fig.2 geological structure map of area around Huaying mountain tunnel

2.3不良地質體

華鎣山地質體類型很多，如一般巖體破碎帶、斷層、軟弱地層、巖爆段、巖溶、地下水、土洞、膨脹巖、煤層及瓦斯發育段等，查閱《重慶渝北至四川廣安高速公路（重慶段）TJ-2標段工程地質詳細勘察》[6]等有關地質資料可知，渝廣高速華鎣山隧道的施工中，構造地帶和煤層地段對施工的危害最為嚴重，對這些不良地質體進行瓦斯超前鉆探預測預報，在有效的預測煤與瓦斯的同時，也可以及時的發現涌（突）水、老窯采空區等現象。

3隧道瓦斯超前鉆探預測預報技術

目前，在煤礦、隧道，超前預測預報常用方法主要有三類：地質編錄法、物探法和鉆探法[7]。

地質編錄法是在地質勘查、勘探中，用文字、圖件、影像、表格等形式，把地質勘探和礦山生產過程所觀測的地質現象和礦產特點，采樣、分析以及綜合研究的結果，系統、客觀地加以反映的工作。它為研究工作地區的地質和礦產規律，評價和開發礦床，提供準確、可靠的資料。其不足之處除了整個過程時間跨度大、工作量艱巨、成本預算高之外，地質編錄法不能及時、有效、精確的發現隧道施工過程前方的不良地質條件，對于具有突發性災害的煤與瓦斯隧道施工十分局限。

地質雷達短距離物探法根據地震波的回波原理，雷達發射天線向隧道掌子面前方或隧道底部連續發射脈沖式高頻電磁波，當遇到有電性差異的界面或目標體（介電常數和電導率不同）時即發生反射波和透射波。接收天線接收反射波并經電纜傳遞給主機，在主機顯示屏上形成實時的時間剖面。根據記錄到的反射波的到達時間和求得的電磁波在介質中的傳播速度，確定界面或目標體的深度；同時根據反射波的形態、強弱及其變化等因素來判定前方地層的地質力學參數[8]。其不足之處除了探測距離較小外，不同的解釋人員因為對解釋技術和對當地地質構造的掌握不一，可能會造成不一致的解釋結果，特別是對異常的定性解釋更是如此，我國某科研單位在福建某隧道進行超前探測時甚至給委托方造成了地質雷達不能用來進行超前探測的錯覺[9]。

鉆探法是超前地質鉆探主要采用沖擊鉆和回轉取芯鉆，二者搭配使用來探測前方圍巖的地質情況。一般根據沖擊鉆響聲、鉆孔速度、卡鉆狀況等來粗略預報巖石強度、暗河及地下水發育程度、煤與瓦斯等地質情況[10]。鉆探技術超前預測預報具有更直接和更準確的特點，能準確有效地預報掌子面前方煤巖體的地質情況，及時測定瓦斯參數和含水參數，同時還可以預排掌子面前方煤巖體瓦斯、巖溶水和裂隙水，能有效控制隧道瓦斯和水異常涌出，有效預防瓦斯事故和透水事故的發生[11]。

3.1隧道瓦斯超前鉆探鉆孔常規布置方式

根據《煤礦安全規程》和《防治煤與瓦斯突出規定》規定，為了保證探測準確可靠，有效控制危險區域，在隧道開挖橫斷面上分上中下布置1～3排鉆孔，鉆孔深度為30～50m。石門揭煤應在端面上打不少于5個鉆孔。正常地帶應視情況在開挖掌子面分上中下至少應布置3個鉆孔。為了保證施工安全，防止承壓瓦斯和承壓水大量瞬間涌入隧道開挖空間，每循環鉆孔超前距離不得少于5～10m，以保證有足夠的安全屏障巖柱。

為了準確探測坍塌區和巖石松散體前方原始巖體情況，在坍塌區和巖石松散體區段還應結合自進錨桿支護，采用從隧道開挖線和隧道中部范圍內的掌子面分上中下布置3排多個20～30m長的超前鉆孔對坍塌區和巖石松散體前方巖體實施補充探測。

在隧道坍塌區和巖石松散體區段，為了不至于對隧道上方坍塌區造成擾動，進一步擴大坍塌區域，在掌子面設計采用風動鉆機實施打鉆。

3.2復雜不良地質體條件下超前鉆探孔布置方式

在構造地帶和煤層地段的探測鉆孔數量應大于正常地帶，由于高速公路瓦斯隧道瓦斯異常涌出都發生在地質構造地帶和煤層地段。而且為了有效控制隧道開挖范圍的地質構造和煤層，以及構造帶和煤層中的瓦斯賦存情況，在構造地帶和煤層地段的瓦斯超前鉆孔數量應增加為5個，鉆孔長度縮短為30m，鉆孔安全超前距離10m，超前范圍內控制隧道開挖線外5m。

在坍方、采空區和松散巖體地段具有巖體松散特性，因此瓦斯超前鉆探應結合坍方、采空區和松散巖體自進錨桿注漿固化鉆孔相結合。超前鉆探鉆孔參數采用：鉆孔數量5個以上，鉆孔深度為30m，鉆孔直徑Φ65mm，鉆孔在10m超前保護范圍內控制隧道開挖線外5m。自進錨桿注漿固化鉆孔參數采用：鉆孔數量30～40個（鉆孔孔底間距小于400mm），鉆孔深度20m，鉆孔直徑Φ108mm，鉆孔終孔點控制隧道開挖輪廓線外5m以上

3.3瓦斯預測工藝

瓦斯探測主要采用記錄打鉆過程中的瓦斯涌出、巖性變化和測定鉆孔瓦斯壓力、流量、流量衰減系數為主，以及隧道開挖空間的瓦斯變化情況和開挖端面巖體的變化情況。鉆孔瓦斯參數測試如圖3所示。

注：1-鉆孔；2-測壓管；3-壓力表；4-閥門；5-流量計；6-鉆孔封孔段；7-煤層

1-drilling， 2-piezometric tube， 3-pressure gauge， 4-valve， 5-flowmeter， 6-sealing part， 7-coal seam

圖3鉆孔瓦斯參數測試工藝

Fig.3 technology of detecting gas parameter in drilling

3.4超前探測鉆孔施工安全

由于鉆孔施工時對前方和周邊巖體的擾動較大，因此在坍方、采空區和松散巖體地帶鉆孔施工時要求對開挖端面實施錨噴加固，以確保打鉆過程的安全，減少因打鉆對開挖端面的破壞，以免進一步擴大塌方。

坍方、采空區和松散巖體超前鉆孔施工程序為：隧道掌子面錨噴固化——掌子面探測鉆孔施工——瓦斯預測——瓦斯抽排——超前支護鉆孔施工。

3.5瓦斯治理工程

當鉆孔瓦斯涌出量大且衰減系數較小時，證明裂隙瓦斯有補充源，這時就應采用裂隙瓦斯抽排措施。由于隧道的供風量只能保證2000～3000m3/min，因此隧道實際排瓦斯的最大能力為10～15m3/min。如果按照鉆孔瓦斯涌出量和衰減系數預測隧道瓦斯涌出超過5～7.5m3/min時就應該采用邊開挖邊抽排瓦斯的措施。

4隧道瓦斯超前探測實際應用

4.1以施工過程中探測到采空區為例

根據《重慶渝北至四川廣安高速公路（重慶段）TJ-2標段工程地質詳細勘察》顯示，在隧道出口左線ZK28+091揭露三疊系須家河組T3xj5外雙連煤層采空區，為準確的探測采空區位置以及采空區走向傾向等地質參數。在ZK28+112上臺階施工5個超前鉆孔，鉆孔分別控制隧道前方12～30m范圍，施工結束后根據鉆孔深度，推進速度以及瓦斯濃度推測掌子面ZK28+112前方采空區形態如圖4所示。推測在掌子面ZK28+112前方最近9.5米處揭露采空區。采空區與隧道走向夾角48°2′。經過4天施工，隧道在左側最先揭露采空區，采空區樁號為ZK28+103，與預測值只有0.5m誤差。

圖4 掌子面ZK28+112前方采空區預測圖

Fig.4 Goaf prediction in front of tunnel face（ZK28+112）

4.2以施工過程中探測到煤層為例

根據《重慶渝北至四川廣安高速公路（重慶段）TJ-2標段工程地質詳細勘察》，隧道出口左線在 ZK28+073泡炭煤層、ZK28+068硬炭煤層，為確保施工的安全進行以及準確探測前方煤層走向、傾向、傾角等重要參數，在ZK28+76上臺階施工5個超前鉆孔，鉆孔分別控制隧道前方0～60m范圍，施工結束后根據鉆孔深度，推進速度以及瓦斯濃度推測在掌子面ZK28+76前方煤層分布情況如圖5所示，出口左線ZK28+076掌子面上臺階左下角前方16.8m發現2.6m厚煤層、31.2m發現厚0.5m煤層，準確發現隧道施工過程中的煤層，為隧道的開挖提供了重要的施工依據。

圖5掌子面ZK28+076前方煤層預測圖

Fig.4 Coal seam prediction in front of tunnel face（ZK28+076）

5結語

華鎣山隧道瓦斯超前鉆探預測預報技術，及時預測隧道施工過程前方巖體破碎程度及范圍、巖體裂隙及發育情況、采空區或巖體空洞范圍及大小、前方巖體瓦斯賦存及瓦斯涌出情況、巖體瓦斯壓力、瓦斯含量、突發性噴出等特殊情況。極大的的降低了巷道施工的危險性和難度，為施工提供了堅實的保障，是渝廣高速華鎣山隧道施工過程中不可缺少的重要實施方案，為我國的高瓦斯隧道施工建設提供了強有力的技術支撐和經驗借鑒。

參考文獻：

[1] 姜洪亮 紫坪鋪隧道瓦斯災害研究.[D].成都.西南交通大學.2010.

[2] 朱勁 超前地質預報新技術在銅鑼山隧道的應用及綜合分析研究.[D].成都.成都理工大學.2007.

[3] 王興平 華鎣山隧道工程的施工監理（四川省公路工程監理事務所 成都

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[5] 石波 雅瀘高速公路勒布果喇吉隧道洞口段地震動力響應研究.[D].成都.西南交通大學.2008.

[6] 中國中鐵二院工程集團有限責任有限公司 重慶渝北至四川廣安高速公路（重慶段）TJ-2標段工程地質詳細勘察 [Z].s=，2013.

[7] 何成 超前鉆探預測預報技術在瓦斯隧道中的應用. （四川都汶公路有限責任公司， 成都 610041）

[8] 蘇彥喜 超前地質預報綜合物探技術在六郎隧道施工中的應用.（中鐵十七局集團云桂鐵路項目經理部二分部）

[9] 何繼善，柳建新 隧道超前探測方法技術與應用研究. 工程地球物理學報.2004

[10] 曾曉勤，張 嘯，李輝忠 超前鉆探法在瓦斯隧道施工中的應用. （ 四川路橋建設股份有限公司公路隧道分公司，四川 成都 610200）

[11] 何成，江登洪，陳欣梅 特殊不良地質隧道的超前鉆探法預報技術探討. （四川都汶公路有限責任公司，成都 610041）.2010.