炭質泥巖區某高速公路瓦斯隧道勘察與特征分析

楊堉果，李劍偉

(四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院，四川 成都 610014)

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炭質泥巖區某高速公路瓦斯隧道勘察與特征分析

楊堉果，李劍偉

(四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院，四川 成都 610014)

在我國西部山區，高速公路建設中的橋隧比越來越高，隧道不可避免地會遇到瓦斯問題，正確的勘察是保證瓦斯隧道高質量建成的第一步也是極為重要的一步。文章以月亮灣隧道為例，通過地質調繪和鉆探，分析了該隧道瓦斯生成及儲存基本特征，并對該瓦斯隧道的突出危險性和等級區段進行了評價。

炭質泥巖區；瓦斯；隧道；地質構造；勘察；瓦斯評價

0 引言

隨著我國國民經濟的快速發展，高速公路的建設規模也在逐漸增大。在我國西部山區，高速公路建設中的橋隧比越來越高，隧道不可避免地會遇到瓦斯問題。如果在勘察中未查明瓦斯情況，會導致在設計時不能提出正確的隧道結構和施工措施，不但會在施工時發生嚴重安全事故，增加建設費用，延誤工期，在隧道建成后也不能保證運營安全①，因此，正確的勘察是保證瓦斯隧道高質量建成的第一步。

1 工程概況

月亮灣隧道為一座左右線分離式雙線越嶺隧道，長度為2 280 m。隧址區為構造剝蝕低山，為典型的褶皺斷塊山地貌，洞身地形中部高，兩出口地段地形較低，相對高差約244 m，隧道最大埋深222 m。

2 地質調繪和鉆探

隧址區主要由一系列褶皺組成，隧道位于其中的高縣雙河背斜北段的北東翼，隧道進口附近有福建山斷層通過。

根據工程地質調繪和鉆探揭露，洞身地層為三疊系上統須家河組(T3xj)砂巖、炭質泥巖夾薄煤層，含煤層透鏡體。根據在隧道進出口及洞身鉆孔揭露，煤層2～4層不等，厚5～40 cm，黑色，多呈塊狀及片狀，見鮮亮光澤，具參差狀斷口，塊狀較硬不易掰斷，部分可剝開成薄片狀(Ⅱ類煤)①。

3 瓦斯生成及儲存基本特征

區內含煤地層屬區域性含煤較差的地區，含煤層數少，厚度小，厚度變化大，屬不穩定煤層，有一定的生烴能力，但瓦斯生成總量有限。在隧道進口ZK01鉆孔鉆進至56 m時出現瓦斯氣體持續溢出現象，氣體溢出持續時間較長，存在深部氣體沿巖體裂隙運移溢出的可能，但鉆探過程中未出現卡鉆、頂鉆等典型瓦斯突出現象。值得注意的是，與常見的僅煤層產生瓦斯氣體不同，在鉆進至富含薄煤層、煤線的深度，并未有氣體溢出的跡象，而當鉆孔至其下的砂巖段時，氣體才猛烈溢出，可見砂巖多孔的特性及構造作用致使瓦斯氣體以吸附狀態和游離狀態賦存于砂巖孔隙和構造裂隙中，同時由于砂巖多夾煤線，因此認為此類砂巖既是生氣層也是儲氣層。

根據區域地質及工點附近地質調繪分析其原因，隧址區處于高縣雙河背斜北東段的東翼并靠近背斜核部，在砂巖儲氣層頂部有炭質泥巖封閉蓋層和隆起構造圈閉，在隧道進口外側即為福建山逆斷層，斷層下盤的侏羅系中下統自流井組(J1-2z)粉砂質泥巖對氣體起到了封閉作用，這些因素一起為瓦斯的富集儲藏創造了條件，可以說這屬于“斷層及巖性圈閉”作用。氣體儲氣圈閉構造見圖1。

圖1 瓦斯氣體儲氣圈閉示意圖

根據已有的工程經驗綜合分析，下述地層圈閉和背斜圈閉情況也利于瓦斯氣體的貯存，在隧道穿越中會引起氣體溢出，工程中應予以重視。簡圖如圖2所示。

圖2 氣體圈閉類型示意圖

4 煤與瓦斯氣體測試

(1)煤樣室內試驗

勘察過程中在隧道進出口和洞身鉆孔內均采取了煤樣，后期在室內進行了部分項目測試，結果見下表1。

(2)煤層瓦斯壓力測試

隧道瓦斯壓力測試采用國產KZWY91-1000型勘探鉆孔煤層瓦斯壓力測定儀，在隧道進口ZK01號孔進行了瓦斯壓力測試，測定瓦斯壓力為0.255 9 MPa。

表1 煤樣室內試驗結果表

(3)瓦斯氣體成份分析

根據室內瓦斯氣體分析，氣體成份中主要是甲烷CH4，占25.52%～79.14%，其次是氮氣N2及CO2等。

5 隧道瓦斯評價

目前，公路瓦斯隧道方面沒有適用于勘察階段評價的相關規范，本文結合已建成的瓦斯隧道成果資料及《公路瓦斯隧道設計與施工技術指南》，并根據一些隧道老專家的總結資料，在本階段(初步設計)對隧道在瓦斯突出危險性和瓦斯隧道等級劃分方面作出評價，可滿足設計要求。

(1)隧道瓦斯突出危險性評價

《公路瓦斯隧道設計與施工技術指南》中表1.0.4-2列出了突出煤層鑒定的單項指標臨界值，當隧道煤層全部指標均達到臨界值可確定為突出煤層，具體指標見表2。

表2 突出煤層鑒定的單項指標臨界值[1]表

根據本次的煤樣測試和瓦斯壓力測試，煤層瓦斯放散初速度△P=6.495，瓦斯壓力P=0.255 9MPa，對照上表各主要評判指標，判定隧道本階段未揭露瓦斯突出煤層。

(2)瓦斯隧道等級區段劃分

依照《公路瓦斯隧道設計與施工技術指南》總則表1.0.4-1，隧道瓦斯等級區段劃分為微瓦斯段、低瓦斯段和高瓦斯段，其判定標準為區段瓦斯溢出量，具體數據見表3。

表3 瓦斯地層絕對瓦斯涌出量判定指標值表

瓦斯氣體溢出量(q)計算參照《公路瓦斯隧道設計與施工技術指南》附錄E中“獨頭坑道瓦斯涌出量的計算方法”[1][2]，采用分源預測法，計算值由三部分組成：。q1為掘進爆破后爆落巖塊中釋放出的瓦斯量；q2為掌子面(正面)及新爆巖壁(尚未噴混凝土封閉)釋放出的瓦斯量；q3為透過噴混凝土支護滲入洞內的數量。計算中涉及的地層中氣體壓力取實測值0.255 9MPa，計算中涉及的巖體滲透系數、空隙率、氣密性噴混凝土滲透系數、施工開挖和支護速度等涉及施工的技術參數均采用推薦值或相關規范、手冊經驗參數，隧道開挖斷面周長按36m、面積按100m2計。經計算瓦斯氣體溢出量總計為3.36m3/min，綜合評價，將隧道左、右線中通過含煤層段定為高瓦斯區段。

計算瓦斯溢出量的目的僅為勘察階段劃分區段的瓦斯等級，由于這時隧道未施工，故只能依據勘察期間確定的煤層位置、厚度、噸煤瓦斯含量、瓦斯氣體壓力等資料結合常用的施工技術參數來計算，由于資料的可靠性限制和計算式本身誤差，計算結果會與實際有一定出入，因此應特別注意施工階段的復查和修正。

4 結語

(1)與通常認為的僅煤層產生瓦斯氣體不同，砂巖多孔的特性加之特殊的地質構造致使瓦斯氣體會以吸附狀態和游離狀態賦存于砂巖孔隙和構造裂隙中，同時由于砂巖中夾煤線，會導致此類砂巖既是生氣層也是儲氣層。

(2)本文提出的斷層及巖性圈閉、地層圈閉、背斜圈閉等氣體圈閉類型利于瓦斯氣體的貯存，在隧道穿越中會引起氣體溢出，工程中應予以重視。

(3)目前，公路瓦斯隧道方面沒有適用于勘察階段評價的相關規范，本文結合已建成的瓦斯隧道成果資料及《公路瓦斯隧道設計與施工技術指南》，在勘察階段對此類隧道在瓦斯突出危險性和瓦斯隧道等級區段劃分方面作出評價，滿足了設計要求，對此類工程的勘察有一定的參考價值。

(4)目前鐵路、煤炭行業的煤、瓦斯參數測試主要是適用于煤系地層，對于炭質泥巖、炭質頁巖等含瓦斯地層，目前尚無具體的適用規范，一般是參考煤系地層進行測試，但計算中由于炭質巖層揮發分數值極高[3]，應用此參數計算瓦斯絕對涌出量會偏高，相對于工程設計偏于安全。

[1]四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院.公路瓦斯隧道設計與施工技術指南[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]TB10120-2002，鐵路瓦斯隧道技術規范[S].

[3]王建軍.淺談炭質板巖瓦斯隧道勘察方法與評價[J].鐵路建筑，2013(6)：61.

Analysis on Gas Tunnel Survey and Features of An Expressway in Carbonaceous Mudstone Area

YANG Yu-guo，LI Jian-wei

(Sichuan Communication Surveying & Design Institute，Chengdu，Sichuan，610014)

In the mountainous area of western China，the bridge and tunnel portion keeps growing in the expressway construction，the tunnel will inevitably encounter the gas problem，thus the proper investiga-tion is the first step to ensure the high-quality gas tunnel construction and is also the extremely important step.Taking Yueliang Bay Tunnel as the example，and by adjusting the geological drawings and drilling，it analyzed the basic gas generation and storage characteristics of this tunnel，and evaluated the promi-nent danger and grading sections of this gas tunnel.

Carbonaceous mudstone area；Gas；Tunnel；Geological structure；Survey；Gas evaluation

楊堉果(1983—)，工程師，碩士研究生，主要從事公路、水運工程勘察設計工作；

U452.1

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.11.011

1673-4874(2015)11-0051-03

2015-10-09

李劍偉(1980—)，高級工程師，碩士研究生，主要從事公路工程勘察設計工作。