馬嘴隧道頁巖氣段的瓦斯等級劃分及處治方案

袁鑫

摘 要：本文以南道高速公路馬嘴隧道頁巖氣段施工為實例。由于該工程在實際施工中瓦斯情況與原設計不符，經中煤科工集團重慶研究院有限公司對涌出氣體的檢測、分析，對馬嘴隧道進行瓦斯等級劃分，根據檢測結果進行施工設計修改。

關鍵詞：瓦斯情況；等級劃分；信息化施工；處治方案

0 引言

本文的馬嘴隧道在施工過程中出現頁巖氣，經檢測分析確認為馬嘴隧道為瓦斯隧道。因此，如何安全有效地在瓦斯隧道內施工成為一大難題，也成為提高高速公路施工質量的重要評判。要有效地規避這些風險，并提高高速公路瓦斯隧道的施工質量，就需要積極采取有效措施對這些風險進行預測與處理，同時需要采取科學合理的手段對高速公路瓦斯隧道的施工進行合理的監督與檢查 。

1 瓦斯等級劃分標準及應對方案規定

目前瓦斯隧道主要以預防為主，通常采取超前探測、綜合治理。同時對施工人員加強安全教育培訓，設置專門的瓦斯檢測人員，實時監測瓦斯，確認其濃度在安全施工范圍內。

2 工程概況

2.1 馬嘴隧道概況

重慶南川至貴州道真高速公路馬嘴隧道位于南川區三泉鎮馬嘴村，是一個雙向四車道高速公路隧道，設計時速80km/h。隧道總長3711.3185m（折算為左右洞平均值），為特長隧道。隧道穿越金佛山向斜末端，隧道基本垂直穿越金佛山向斜。在K17+950處為金佛山向斜軸部，斷層不發育。向斜北西翼K17+000左側1450m發育一條壓性逆斷層——吳家灣斷層，該斷層未穿越隧道，對隧道無影響。隧道穿越的地層巖性主要為奧陶系下統湄潭組頁巖、奧陶系中上統灰巖、志留系龍馬溪組頁巖以及第四系崩坡積層塊石土、粉質粘土。隧址區受構造影響，水文地質較為復雜，地下水類型主要為：第四系松散土層孔隙水、碎屑巖類的基巖裂隙水和碳酸鹽類巖溶裂隙水。隧道單洞最大涌水量為9336m3/d。隧道圍巖以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級為主，其中Ⅲ級圍巖巖性為灰巖；Ⅳ、Ⅴ級危巖巖性為頁巖。馬嘴隧道主洞建筑限界凈寬10.25m，凈高5m，凈空面積76.89m2，按新奧原理進行設計，采用復合式襯砌。

2.2 頁巖氣出現的過程

馬嘴隧道在進口右線施工到K17+324.5時，掌子面出現不明氣體，經監測，氣體CH4濃度10%～20%，半小時后達到40%～50%，并出現燃燒現象。根據地質情況，初步認性為頁巖氣。施工單位立即停止了施工，切斷電源，在洞口設立警示牌，嚴禁無關人員入內。經業主單位委托中煤科工集團重慶研究院瓦斯人員對其進出口掌子面取氣、檢測，確定不明氣體為頁巖氣，得出如下結論：進口雙線、左線出口頁巖氣中CH4絕對涌出量為0.7～0.9m3/min，大于0.5m3/min，初步定義為高瓦斯隧道。右線出口，頁巖氣中CH4絕對涌出量小于0.5m3/min，初步定義為低瓦斯隧道。為避免盲目施工，工區進行停工處理，待明確瓦斯等級，對頁巖氣段處置方案進行改善優化。

3 頁巖氣成分檢測、來源分析及瓦斯等級劃分

頁巖氣出現之后，業主單位委托了煤科院對馬嘴隧道施工溢出氣體成分進行檢測，并在2015年1月出具了其溢出氣體的成分分析報告并明確了瓦斯等級。

3.1 溢出氣體成分

隧道進、出口端超前鉆孔溢出氣體主要由甲烷（CH4）和氮氣（N2）組成，其中含有少量的乙烷（C2H6）和二氧化碳（CO2），為典型的瓦斯氣體。因此，可以認定馬嘴隧道進、出口端圍巖溢出氣為瓦斯，隧道屬瓦斯隧道。

3.2 氣體來源分析

根據地勘資料及隧道掘進時的地質素描資料，隧道進口端自K17+325.6里程開始，進入志留系龍馬溪組頁巖地層，該地層為頁巖氣儲層，而K17+320里程之前的奧陶系灰巖中掘進時未出現瓦斯涌出。因此，可確定馬嘴隧道圍巖溢出的瓦斯氣體來源于龍馬溪組頁巖地層。

3.3 瓦斯測定結果等級劃分

根據《鐵路瓦斯隧道技術規范》（TB10120-2002）相關要求，瓦斯隧道類型按隧道內瓦斯工區的最高級確定，因馬嘴隧道進、出口均存在高瓦斯工區，因此，確定馬嘴隧道進、出口為高瓦斯隧道。

4 穿越頁巖氣段處治方案

4.1 處治總體原則

按照動態設計、信息化施工的原則，以超前地質預報為基礎，加強施工中的通風、瓦斯監測，依據瓦斯的絕對涌出量對瓦斯工區進行分級，根據不同的分級，采取不同的防治措施。

4.2 超前地質預報

超前鉆孔布置步驟：超深炮眼中探測出頁巖氣時，必須進行超前探測；超前探測布置為5個，孔徑為80mm，鉆孔外偏角為10°；每次鉆孔段長為30m，開挖25m，保留5m進行下一次探孔。應注意超前地質鉆采用防爆型鉆機，鉆孔應采用濕鉆，嚴禁干鉆；鉆孔作業時，距拱頂20cm內懸掛一臺便攜式瓦斯監測報警儀或自動監測甲烷傳感器，且僅可在瓦斯濃度低于1%才可進行鉆孔工作；觀察記錄瓦斯頂、噴等動力現象，如有明顯頂、噴現象，應進行瓦斯突出檢查。

4.3 瓦斯工區施工通風

瓦斯隧道施工應采用機械通風，隧道施工時要求不間斷通風。根據規范規定，瓦斯工區所需風量，應按照爆破排煙、同時工作的最多人數、作業機械及瓦斯絕對涌出量計算，并按照允許風速進行檢驗，采用其中的最大值。經計算，進口施工需風量為5036m3/min，風壓為3622.2Pa，采用巷道式通風；出口施工通風需風量為5259m3/min，風壓為4226.7Pa，采用壓入式通風。

同時，瓦斯工區施工中風速不宜小于1m/s。全隧道最低風速不低于0.25m/s；對瓦斯易積聚的空間（橫通道、通風斷面通突處等）和襯砌模板臺車附近區域，應采取用空氣引射器、氣動風機、局部通風機等設備，實施局部通風方法，消除瓦斯積聚。

4.4瓦斯檢測及洞內環境監控

為了確保隧道施工安全，在隧道內布置有毒有害氣體傳感器，通過自動監控系統，檢測其濃度，確保濃度不超標。通過人工檢測與自動監測相結合的方式，達到對各作業面和回流風中的甲烷等有毒有害氣體濃度的連續監測。同時，瓦斯自動監控系統應具備甲烷斷電儀和甲烷風電閉鎖設置的全部功能，必須有切斷狀態和饋電狀態監測、報警、顯示、存儲和打印報表功能，實現風、瓦斯、電閉鎖和聲光報警。應確保瓦斯監測和檢測記錄的連續性、完整性，并進行分類建檔。

5 結語

瓦斯隧道施工的最大風險是瓦斯爆炸，防止瓦斯爆炸就是要阻止瓦斯爆炸條件的形成，就要控制瓦斯的濃度和杜絕火源。出現頁巖氣后，依據設計單位的施工設計整改方案，施工單位也對施工方法進行了嚴格要求并進行了安全培訓，通過采取積極有效措施，確保隧道頁巖氣段施工的安全。在馬嘴隧道出口恢復施工5個月期間，通過施工隧道超前探孔，其瓦斯檢測濃度在0.1%～3.5%，探測的最高濃度達到10%。在采取壓入式通風方式之后，通過人工檢測，施工作業面瓦斯濃度在規定時間內濃度降至安全范圍；同時，結合洞內自動監控系統，隧道瓦斯濃度均處于正常水平，說明馬嘴隧道頁巖氣段的瓦斯處治方案是很有效的。同時，按照信息化施工的原則，也為隧道安全施工提供了重要依據，避免局部瓦斯積聚造成的安全隱患。除此之外，業主單位、建設單位和監理單位等必須進行協同配合，采取有效措施對施工風險進行控制或規避，從而提高馬嘴隧道的施工質量，提升高速公路建設的整體水平。

參考文獻

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