川西北某在建鐵路隧道瓦斯涌出分析研究

陶玉敬, 袁傳保

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川成都 610031)

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川西北某在建鐵路隧道瓦斯涌出分析研究

陶玉敬, 袁傳保

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川成都 610031)

【摘要】文章通過分析柿子園隧道1橫工區(qū)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)條件，觀測(cè)隧道瓦斯涌出特點(diǎn)，判定隧道瓦斯溢出為構(gòu)造導(dǎo)氣富氣型，嚴(yán)格受構(gòu)造及巖性控制，預(yù)測(cè)前方高瓦斯段落分布在斷層帶灰?guī)r段，提出可先掘進(jìn)30 m，預(yù)留6 m巖盤再進(jìn)行下一步探測(cè)的針對(duì)性工程措施，并對(duì)類似地區(qū)的工程勘察、施工提出建議。

【關(guān)鍵詞】鐵路；隧道；瓦斯涌出；成因分析；措施和建議

2015年8月9日，川西北某在建鐵路隧道柿子園隧道1號(hào)橫洞工區(qū)在掌子面D2K78+699施作超前水平鉆孔鉆至41m時(shí)，孔內(nèi)突然有氣體涌出。突發(fā)的氣體壓力將鉆孔內(nèi)的水以脈沖式向孔口頂涌，且涌出氣體有汽油味道。經(jīng)測(cè)試，氣體成分主要為瓦斯，鉆孔孔口甲烷含量超過6%。由于施工單位應(yīng)急措施處理得當(dāng)，未發(fā)生人員傷亡事故。

1地質(zhì)概況

柿子園隧道處于川西北龍門山構(gòu)造帶，該構(gòu)造帶規(guī)模宏大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的巨型推覆構(gòu)造帶，總體走向?yàn)楸睎|45°，傾向北西，綿延500km，寬達(dá)25～50km。自東向西主要有3條主干斷裂：即龍門前山斷裂、龍門主山中央斷裂、龍門后山斷裂；構(gòu)造運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橛杀蔽飨蚰蠔|仰沖，形成3個(gè)疊瓦狀的逆沖帶，在地形上成北西-南東呈階梯式下降，相對(duì)高差達(dá)600～700m。其中1號(hào)橫洞工區(qū)位于龍門山前山斷裂帶構(gòu)造區(qū)，龍門山前山斷裂在隧道穿越段表現(xiàn)為曉壩場(chǎng)1#、2#、3#三條疊瓦式斷層，發(fā)生瓦斯涌出段就處于曉壩場(chǎng)3#斷層構(gòu)造帶上(圖1、圖2)。

(斷層左側(cè)為T1f+t紫紅色砂泥巖，右側(cè)為T2j+l灰?guī)r)圖1　曉壩場(chǎng)3號(hào)斷層地表出露

曉壩場(chǎng)3#斷層上盤為三疊系中統(tǒng)嘉陵江組和雷口坡組(T2j+l)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖，下盤為下統(tǒng)的飛仙關(guān)組和銅街子組(T1f+t)紫紅色泥巖夾砂巖，斷層破碎帶寬度1～2m。

經(jīng)超前水平鉆探揭示，目前掌子面D2K78+699處三疊系下統(tǒng)的飛仙關(guān)組和銅街子組(T1f+t)紫紅色泥巖夾砂巖，D2K78+736處穿越曉壩場(chǎng)3#斷層，進(jìn)入三疊系中統(tǒng)嘉陵江組和雷口坡組(T2j+l)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖；D2K78+736～+748為灰白色灰?guī)r，D2K78+748～+790為泥質(zhì)白云巖；超前水平鉆探揭示地質(zhì)情況與地表出露相吻合。

隧道穿越T1f+t、T2j+l兩套地層均非烴源巖，但附近下伏有二疊系、寒武系等含烴源巖。該處埋深180～200m，地下水弱發(fā)育，呈潮濕～滴水狀。

2瓦斯溢出特點(diǎn)

通過監(jiān)控瓦斯涌出，具有以下特點(diǎn)。

(1)瓦斯涌出經(jīng)初期鉆孔揭示呈脈沖狀噴涌，具有一定壓力，能把鉆孔水頂出1～2m，1～2d后未再見明顯壓力，且后期約1個(gè)月后實(shí)施兩超前水平鉆孔，均未出現(xiàn)明顯有壓現(xiàn)象。

(2)瓦斯是從3個(gè)超前水平鉆孔中涌出的，在鉆探至前方38～42m處開始出現(xiàn)瓦斯氣體。

(3)通過后期布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面顯示瓦斯最高涌出量可達(dá)0.91m3/min。

(4)瓦斯持續(xù)涌出，鉆孔從8月份揭示出氣至今仍然持續(xù)出氣，鉆孔孔口瓦斯?jié)舛饶壳盀?%～10%。

(5)鉆孔涌氣量在雨后明顯減小，天晴后逐漸恢復(fù)。

3瓦斯來源成因分析

(1)隧道穿越地層非烴源巖，但在該區(qū)域內(nèi)下伏地層有烴源巖，如二疊系地層，為含煤地層，且瓦斯含量較高，在附近煤礦開采過程中曾經(jīng)發(fā)生瓦斯爆炸(左側(cè)2km外雎水井煤礦)。

圖2　柿子園隧道1號(hào)橫洞工區(qū)地質(zhì)剖面圖

(2)龍門山前山斷裂為深大斷裂，總長(zhǎng)約500km，為區(qū)域性深大斷裂，具備溝通下伏含氣地層的條件。

(3)柿子園1#橫工區(qū)瓦斯涌出，其氣體來源于沿?cái)鄬訕?gòu)造帶導(dǎo)來的含煤地層中的有害氣體，主要在構(gòu)造裂隙中存儲(chǔ)運(yùn)移。

(4)區(qū)域內(nèi)構(gòu)造發(fā)育，隧道前方以向斜構(gòu)造(漢旺倒轉(zhuǎn)復(fù)向斜)為主，沒有大面積低滲透性地層覆蓋(泥巖、頁巖等)，不具備儲(chǔ)氣條件，隧道前方施工大段落發(fā)生有害氣體問題可能性較小。

綜上根據(jù)隧道揭示地質(zhì)條件分析，柿子園1#橫洞地層為非煤系地層，瓦斯等有害氣體賦存與斷裂構(gòu)造密切相關(guān)，應(yīng)為構(gòu)造導(dǎo)氣富氣型，分布段落嚴(yán)格受構(gòu)造及巖性控制。

4瓦斯涌出段落預(yù)測(cè)分析

根據(jù)超前探測(cè)及出露地質(zhì)剖面等資料綜合分析，預(yù)測(cè)瓦斯氣體主要涌出段位于D2K78+736～+748段灰?guī)r中，在該段施工開挖過程出現(xiàn)高瓦斯風(fēng)險(xiǎn)極高，且局部可能存在集中大量噴涌出現(xiàn)象；考慮砂泥巖及泥質(zhì)白云巖滲透性差異，預(yù)測(cè)瓦斯分布段落見表1。

表1　瓦斯分布段落預(yù)測(cè)表

5結(jié)論及建議處理措施

(1)柿子園隧道1#橫洞地層為非煤系地層，有害氣體成因極為復(fù)雜，其賦存與斷裂構(gòu)造密切相關(guān)，為構(gòu)造導(dǎo)氣富氣型，分布段落嚴(yán)格受構(gòu)造及巖性控制。

(2)柿子園隧道1#橫工區(qū)瓦斯涌出段與構(gòu)造裂隙的發(fā)育程度緊密聯(lián)系，鉆孔孔內(nèi)檢測(cè)表明從8月份揭示出氣至今仍然持續(xù)出氣，顯示氣體持續(xù)性較強(qiáng)。

(3)柿子園隧道1#橫工區(qū)瓦斯逸出具有隨機(jī)性強(qiáng)，強(qiáng)度變化大，脈沖式等特征，局部封閉裂隙帶內(nèi)有害氣體可能存在一定壓力會(huì)出現(xiàn)集中大量噴涌出現(xiàn)象，施工過程中需嚴(yán)格遵守瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范，加強(qiáng)超前鉆孔和超前炮眼工作，達(dá)到提前排放的目的。

(4)根據(jù)本工區(qū)瓦斯涌出規(guī)律，以及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)揭示前方巖性條件，前方至D2K78+736為三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組和銅街子組(T1f+t)砂泥巖地層，建議先按低瓦斯工區(qū)向前方施工掘進(jìn)約30m至D2K78+730，留約6m巖盤，再做進(jìn)一步的超前探測(cè)，并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，根據(jù)超前探測(cè)和瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)施針對(duì)性處理措施。

(5)現(xiàn)場(chǎng)需加強(qiáng)通風(fēng)，做好安全監(jiān)測(cè)與檢測(cè)，做好安全施工措施。

6結(jié)束語

在構(gòu)造極其發(fā)育的地區(qū)，一般不利于瓦斯等氣體的聚集，但在特殊巖性、構(gòu)造結(jié)構(gòu)條件組合下，也可以產(chǎn)生瓦斯聚集，集中排放的情況。在此情況下，瓦斯涌出具有不可預(yù)測(cè)性，在前期勘察設(shè)計(jì)過程中不易準(zhǔn)確查明其分布段落和性質(zhì)，需要在施工中做好災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案，加強(qiáng)超前探測(cè)工作，特別是超前水平鉆探、超前炮眼等，其能夠有效揭示前方的圍巖強(qiáng)度、涌水突泥、有害氣體等重要工程問題；其次是加強(qiáng)隧道施工中的“一炮三檢”制度，降低風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)

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[作者簡(jiǎn)介]陶玉敬(1982～)，男，碩士研究生，工程師，主要從事鐵路工程勘察及研究。

【中圖分類號(hào)】U458.1

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

[定稿日期]2016-03-01