渝黔鐵路天坪隧道有害氣體預測預報方法

張忠愛， 楊仁春

(1. 中鐵隧道集團一處有限公司， 重慶 401123； 2. 中鐵隧道勘測設計院有限公司， 天津 300133)

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渝黔鐵路天坪隧道有害氣體預測預報方法

張忠愛1， 楊仁春2

(1. 中鐵隧道集團一處有限公司， 重慶 401123； 2. 中鐵隧道勘測設計院有限公司， 天津 300133)

天坪隧道穿越含有害氣體非煤地層，為解決采用大量地質鉆探預報成本高且嚴重影響施工進度的問題，根據前期有害氣體的出現位置以及巖層厚度、產狀等信息，利用隧道與巖層走向間的已知條件，采用區域地層厚度和產狀測量、隧道與巖層關系投影計算、斜井預報正洞等綜合預報方法，計算出有害氣體在某一巖層的賦存范圍，進而推測出下一階段有害氣體在隧道內出現的位置，然后通過少量鉆探進行驗證，使超前地質鉆孔更有針對性，可大大縮減鉆孔數量，節約施工時間。天坪隧道采用該方法取得了較好的應用效果，能準確預測有害氣體的位置，為提前進行設計優化和施工組織提供依據。

渝黔鐵路； 天坪隧道； 有害氣體預報； 地質投影計算； 巖層產狀； 地質鉆探

0 引言

深埋長隧道通常穿越復雜的地質條件,在施工過程中常遇到一系列特殊的地質災害問題, 如巖爆、有害氣體、高壓涌水、高地溫等，其中，有害氣體因會惡化隧道施工條件甚至造成災難性破壞而受到廣泛關注[1]。 采取有效的方法對有害氣體進行預報并提前采取對策，對深埋長大隧道的工程實踐具有重要的現實意義[2]。

目前國內關于隧道施工領域有害氣體預報技術的研究多側重于煤層瓦斯預報方面，主要是把煤層作為軟弱夾層，通過物探法和地質法來預報煤層瓦斯[3-4],如： 梅嶺關隧道[5]、通渝隧道[6]采用超前鉆孔探測瓦斯，蘭渝鐵路LYS-10標瓦斯隧道群采用超前探孔及加深炮眼探測瓦斯[7]。非煤系地層瓦斯含量低、壓力小，在隧道影響區域普遍存在[8]，要準確預報瓦斯出沒和匯聚情況，應根據圍巖的完整性和裂隙、破碎帶的位置、規模和性質等選擇地質法或物探法[9]，其中以地質法為主，主要采取超前鉆孔探測瓦斯。這種先施工超前地質鉆孔，再通過鉆孔進行有害氣體監測的預報方法，需要施工大量超前地質鉆孔，預報成本高，且嚴重影響施工進度。本文從區域地質角度出發，通過地質調查，對有害氣體的發育機制及其附著地層的巖性、厚度、標志層、產狀進行分析，結合隧道線路走向、類似工程或同一工程的斜井、橫洞、平導同種地層氣體的逸出情況，再通過投影計算得出隧道穿越地段有害氣體發育范圍，輔以少量孔內有害氣體檢測驗證，可以準確預報出有害氣體的發育位置。

1 工程概況

天坪隧道工程布置見圖1，為渝黔鐵路(重慶至貴陽鐵路)的重點控制性工程，Ⅰ級高風險隧道，全長13 978.252 m，單洞雙線，設計速度為200 km/h，最大埋深980 m。穿越地層為灰巖、泥巖和頁巖，灰巖占50%，泥、頁巖占50%，灰巖分布在進口段和出口段，泥、頁巖分布在隧道中部。以酒店埡背斜核部為界，以北巖層平緩，部分接近水平，以南巖層陡傾，部分接近直立。主要地質構造有堯龍山向斜、酒店埡背斜和8個斷層破碎帶。地質條件極為復雜，存在瓦斯突出煤層、高地應力、巖溶、有害氣體、水平巖層、高地溫等諸多不良地質。輔助坑道設置為“平導+斜井+橫洞(主副井)”。隧道為人字坡，最高點在DK124+400，洞頂標高為740 m。勘察設計階段地表地質鉆孔9個，其中DZ-3、DZ-5號鉆孔鉆進時曾逸出有害氣體，在孔口可點燃。DZ-5號鉆孔位于斜井出口方向，巖層傾角很小，接近水平，其穿過的各地層厚度即可視為真實厚度。施工圖設計推斷天坪隧道在DK116+565～+920、DK121+000～DK125+880共5 235 m施工期間可能揭示有害氣體。

(a) 平面圖

(b) 剖面圖

2 施工期間有害氣體檢測及探測情況

2.1 氣體檢測及成分分析

斜井施工過程中，檢測到有害氣體地段為XDK2+000～XDK1+200(800 m)，逸出點主要集中在XDK1+999、XDK1+311、XDK1+242里程附近，從部分探孔和隧底裂隙逸出，搜集逸出氣體送實驗室進行校驗確定為瓦斯，成分分析結果見表1。

2.2 成因分析

天坪隧道進口及斜井穿越的主要地層有泥巖、頁巖和灰巖，不存在含煤、石油地層和構造，但含有豐富的腕足類、筆石、三葉蟲等古生物化石，據此可以判斷其儲存氣體為頁巖瓦斯，成因是沉積巖地層形成過程中，沉積有機質經微生物降解、發酵和合成作用，形成以甲烷為主的瓦斯[10]。

2.3 有害氣體探測手段

目前國內還沒有隧道施工超前探測氣體發育位置的物探手段，比較有效的手段是先施工超前地質探孔，然后在孔內對氣體進行檢測，但探測距離短、范圍小。如果全隧道都進行鉆孔檢測瓦斯，將增加大量的超前地質鉆探工作，延緩施工進度，給施工工期造成巨大壓力。因此，需要分析已經掌握的地質資料，結合地面調查、地質素描，從出氣地層層序、層位、厚度、產狀等信息分析隧道洞身可能逸出頁巖瓦斯的目標段落，在這些目標段落內施作超前地質探孔，并進行甲烷檢測，可以大大減少鉆探工作量，從而更經濟、有效地對隧道內有害氣體進行超前探測。

表1 有害氣體成分分析

3 有害氣體的地質條件分析及部位預測

3.1 出氣地層層位、層序分析

根據地表DZ-5號地質深孔可知，鉆探過程中有氣體逸出的地層是O2+3，其上覆地層為S1l，下伏地層為O1m； DZ-3號孔揭示有害氣體的位置并不確定，但與DZ-5號孔對照，也包含在O2+3和O1m兩地層內。XDK2+000～XDK1+200段開挖揭示圍巖為O2+3、O1m和S1l地層，與DZ-5號鉆孔出氣地層一致。根據上述分析可知隧道穿越含氣地層是O2+3奧陶系中上統灰巖、O1m奧陶系下統泥巖頁巖和S1l志留系下統龍馬溪組頁巖。

3.2 施工逸出氣體段落及長度分析

斜井瓦斯地層位置及長度見圖2。斜井施工區段穿越O2+3灰巖長度l1w=340 m，全層都包含在瓦斯逸出地段內，O1m泥、頁巖和S1l頁巖只有部分地層出氣，出氣地層長度分別為l2w=300 m和l3w=160 m。

圖2 斜井瓦斯地層位置及長度示意圖(單位： m)

Fig. 2 Position of gas contained formation and its length in inclined shaft (m)

3.3 瓦斯逸出地層標高分析

DZ-5號鉆孔在O2+3層底標高h1-1=818 m，層頂標高h1-2=918 m，可知O2+3全層出氣，真實厚度h1w=100 m，各地層產狀一致，根據瓦斯逸出地層厚度比例關系計算O1m出氣層真實厚度h2w=100×300/340≈88 m，S1l出氣層真實厚度h3w=100×160/340≈47 m。計算出O1m出氣層底標高h2=730 m，S1l出氣層層頂標高h3=965 m。如果巖層產狀水平，可以劃出出氣帶位與線路關系。

3.4 出氣段落分析

3.4.1 進口與斜井工區

根據已開挖段揭示巖層產狀分析： 斜井工區向進口方向出氣層位標高不斷升高，不斷偏離隧道，所以進口與斜井之間不存在含氣地層； 斜井工區向出口方向處于堯龍山向斜核部，巖層水平，埋深較大，圍巖節理密閉，透氣性差，根據出氣地層標高計算出從DK123+000起至酒店埡背斜核部(DK124+746)位于含氣地層內，長約1 746 m(見圖3)。

圖3 進口與斜井工區含氣地段分布圖(單位: m)

Fig. 3 Distribution of harmful gas contained formation in entrance section and inclined shaft (m)

3.4.2 出口工區

酒店埡背斜南翼地層產狀變陡傾，該段必定要穿越含氣地層。根據巖層產狀及其與線路間的空間關系可以估算出線路穿越含氣地層的長度。

3.4.3 探測效果

通過上述計算可知天坪隧道穿越含瓦斯地層總長約2 197 m，與原設計5 235 m相比減少了約3 km。施工開挖過程中揭示出的含氣地層與上述計算結果一致，縮減了大量鉆探和檢測工作。

圖4 DK125+880段巖層與線路空間關系(單位： m)

Fig. 4 Spacial relationship between strata and tunnel route at DK125+880 (m)

圖5 出口工區含氣地層分布位置(單位： m)

Fig. 5 Distribution of harmful gas contained formation in entrance section (m)

4 結論與討論

由于斷層、褶皺等地質構造會造成地層的錯動，同樣的地層在長大隧道施工過程中往往會穿越幾次，利用已施工地段隧道地質資料或隧道周邊深切溝谷內出露的典型地質剖面，采用地質投影計算方法能從局部預測隧道整體的地質情況。本方法能保證預報精度，為提前做好設計優化和施工組織安排提供保障，既能減少大量的物探和鉆探工作，又能降低對施工的影響。本方法同樣適用于平導、橫洞、斜井與正洞之間的相互預報。

采用地質投影計算方法進行超前地質預報適用于層狀發育且有地層界線和標志層的巖層，對于呈層狀發育的煤層、放射性物質、有害氣體等地層均有效。但該方法對巖溶的預報存在一定的局限性，原因在于巖溶發育不僅受控于圍巖層理、節理，還受地下水流向及各種隨機裂隙的影響，因此還需要針對巖溶問題將地質分析與物探方法相結合，做進一步研究和探討。

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Prediction Method for Harmful Gas in Tianping Tunnel on Chongqing-Guiyang Railway

ZHANG Zhongai1, YANG Renchun2

(1.TheFirstConstructionDivisionCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Chongqing401123,China;2.ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China)

Tianping Tunnel crosses non coal formations containing harmful gas. The harmful gas detection can not only depend on geophysical methods, and the cost would be increased and the construction period would be lengthened by carrying out a great deal of geological drilling work. In this paper, the storage range of harmful gas in a stratum is calculated and the position of harmful gas in further section is prediction by measuring thickness and attitude of strata, projection calculating relationship between tunnel and strata attitude and main tunnel prediction through inclined shaft, on the basis of position of existing harmful gas, thickness and attitude of strata and strike of tunnel and rock. And then little geological drilling work is conducted to verify the results. Good effect has been achieved and the results can provide reference for design optimization and construction organization of similar projects in the future.

Chongqing-Guiyang Railway; Tianping Tunnel; harmful gas prediction; geological projection calculation; attitude of stratum; geological drilling

2016-12-14;

2017-04-22

張忠愛(1975—)，男，內蒙古烏蘭察布人，2000年畢業于武漢科技大學，采礦專業，本科，高級工程師，現從事工程項目管理及公司市場開發工作。E-mail: saiwailang@sohu.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.05.014

U 456.3+3

A

1672-741X(2017)05-0618-04