南道高速馬嘴隧道頁巖氣段處治設計

劉 彥 波

(重慶市交通規劃勘察設計院，重慶 401121)

“頁巖氣”是指賦存于富有機質泥頁巖及其夾層中，以吸附和游離狀態為主要存在方式的非常規天然氣，成分以甲烷為主，是一種清潔、高效的能源資源和化工原料。頁巖氣作為一種新興的能源，在我國儲量豐富，能帶來長期的經濟效益，但在隧道工程建設中遇到頁巖氣，頁巖氣可能產生燃燒、爆炸，危及隧道施工安全，需要采取合理的工程措施對其進行處治。

1 工程概況

重慶南川至貴州道真高速公路屬于重慶市“三環+射三聯線”中的第六射第一支線，為設計車速80 km/h的雙向四車道高速公路。馬嘴隧道是該高速公路上的一座特長隧道，左洞長3 729.59 m，右洞長3 693.047 m，隧道凈寬10.66 m，凈高7.23 m。隧道穿越金佛山向斜末端，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。

2 頁巖氣成分檢測及瓦斯等級劃分

隧道在施工至志留系龍馬溪組頁巖地層時(地質情況見圖1)，在進、出口掌子面處先后發現不明可燃氣體，根據地質情況，初步定性為頁巖氣。

根據檢測單位提供的檢測報告，馬嘴隧道超前鉆孔逸出氣體主要由甲烷(CH4)和氮氣(N2)構成，同時含有少量的乙烷(C2H6)和二氧化碳(CO2)，為典型的瓦斯氣體。氣體成分如表1所示。

根據絕對瓦斯涌出量測定結果，隧道進口左線絕對瓦斯涌出量為1.45 m3/min，進口右線絕對瓦斯涌出量為0.73 m3/min；出口左線絕對瓦斯涌出量為0.71 m3/min，出口右線絕對瓦斯涌出量為0.46 m3/min。依據《鐵路瓦斯隧道技術規范》可以判定：馬嘴隧道為高瓦斯隧道，不存在瓦斯突出的問題。

表1 鉆孔氣體校正后成果表

取樣地點校正后氣體成分體積占比CH4/%C2H6/ppmCO2/%N2/%進口左線1號鉆孔47.641 311.490.4050.83進口左線1號鉆孔55.07136.140.1543.39出口左線2號鉆孔26.562 695.65069.02

3 隧道穿越頁巖氣段處治設計

3.1 總體原則

按動態設計、信息化施工的原則，以超前地質預報資料為基礎，加強施工中的通風、瓦斯檢測，據瓦斯絕對涌出量情況，對隧道瓦斯工區進行分級，根據不同瓦斯工區等級，采用相應的處治方案。

3.2 超前地質預報設計

超前地質預報主要采用超前鉆孔探測(超深炮眼+超前探孔)的方式。通過超前探孔，標定可能存在的頁巖氣段段落，掌握其情況及頁巖氣狀況。

超深炮眼共布置了11個(上臺階6個，下臺階5個)，均布在掌子面上，與掌子面爆破炮眼同時施工。超前探孔布置5個，孔徑為80 mm，鉆孔外偏角為10°；每次探孔段長30 m，開挖25 m，保留5 m開始下一次探孔。

3.3 施工通風設計

通風方式：根據規范規定，高瓦斯隧道宜采用巷道式通風。設計在綜合考慮現場條件、施工機具配置、評審專家意見等因素，將馬嘴隧道施工通風方式改為壓入式通風。

需風量：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分別計算，并按允許風速進行檢驗，采用其中的最大值。經計算，隧道進口、出口均以同時工作的最大人數和設備所需需風量為最大需風量，Q=2 084.6 m3/min(爆破排煙所需通風時間進口不小于90 min，出口不小于60 min)。考慮漏風因素，實際需風量為Q進口=2 693.6 m3/min，Q出口=2 349.2 m3/min。

風壓：考慮工程造價和隧道空間等因素，隧道進、出口分別選用φ1.8 m和φ1.6 m直徑風管，其所需風壓分別為6 475 Pa和4 884 Pa。

通風要求：在施工期間進行不間斷通風；施工中防止瓦斯聚積的風速不宜小于1 m/s，全隧道最低風速不小于0.5 m/s；對瓦斯易積聚的空間和襯砌模板臺車附近區域，增加局扇，消除瓦斯積聚。對已經貫通的橫洞，必須將兩端的洞口封閉，以避免形成循環風。

3.4 瓦斯檢測設計

檢測方式：采用人工檢測與自動監測相結合的方式。

檢測頻率：

1)開挖工作面檢測頻率：正常情況下，日常巡檢頻率每班應不少于3次；有瓦斯噴出危險的工作面和瓦斯涌出較大、變化異常的工作面，必須有專人經常檢查，并安設甲烷傳感器。

2)隧道內其他檢測點的檢測頻率：隧道內瓦斯濃度小于0.5%時，每小時不小于1次，瓦斯濃度達到0.5%及以上時，應隨時在作業地點檢測。

檢測要求：

瓦斯檢測應由施工單位、有資質的第三方檢測單位負責，兩家單位必須同時進行檢測，檢測的結果應相互印證。監理單位應設置專職瓦斯監理工程師和監理員，配備瓦斯檢測儀，對施工單位、第三方檢測單位瓦斯檢測工作進行監督檢查和定期平行檢驗，填寫瓦斯平行檢驗表。

3.5 消防與安全防護設計

1)消防水池及消防用砂。

根據規范要求：在隧道進、出口各增設一個儲水量為250 m3的消防水池，在隧道內鋪設消防專用水管，將消防水引到隧道內。在洞口外設置消防用砂池，并在隧道內掌子面處、上下臺階交界處、二次襯砌臺車處各設置一個移動的消防用砂池。

2)設置滅火器。

在已經施工的消防洞室內增設滅火器，在二襯與掌子面之間，每間隔25 m放置一個滅火器。

3)洞內避難所。

利用橫通道設置洞內避難所，并應有向外開啟的隔離門，配置相關安全設施和足夠數量的自救器。避難所每500 m設置一處。

3.6 隧道襯砌防瓦斯設計

馬嘴隧道頁巖氣段瓦斯防護采用一級防護，主要措施為：在初期支護中增加仰拱，防水板采用自粘式防水板，形成全包防瓦斯滲漏結構，初支噴射混凝土、二襯模筑混凝土摻加氣密劑，以防止運營期間頁巖氣滲入隧道(見表2)。

表2 馬嘴隧道防瓦斯封閉措施

施工時，要求拱架、鋼筋網片在洞外分段加工，洞內拼接，拱架采用螺栓連接、網片采用鋼筋綁扎，嚴禁洞內焊接。

3.7 施工縫與沉降縫氣密處理

施工縫和沉降縫均采用背貼式止水帶+中埋式止水帶進行氣密處理，縱向施工縫采用中埋式止水帶進行氣密處理，防止頁巖氣滲入隧道。

3.8 水氣分離設計

在墻背縱向排水管上設置一個彎四通，當排水管中的水氣混合體通過彎四通時，水向下分流，通過橫向排水支管流入中心排水溝，順中心排水溝排出洞外，瓦斯氣體向上分流，通過埋設在電纜溝側壁的縱向φ116/100 HDPE波紋管至洞口，實現水氣分離。

3.9 注漿堵氣動態設計

依據超前探測資料，掌子面掘進至距離頁巖氣積聚位置5 m處，停止掘進，在涌出孔附近施作排放孔，進行頁巖氣排放，將頁巖氣壓力降至0.74 MPa以下且單孔頁巖氣涌出量小于5 L/min，若48 h內不能使其降低，則考慮注漿封堵措施。

以隧道軸線、上下臺階分界線(起拱線)為分界線，將隧道劃分為4個區域。

1)每個區域排放孔中滿足頁巖氣壓力不小于0.74 MPa或者涌出量不小于5 L/min的孔的個數不大于這個區域排放孔總數的30%，且位置比較分散時，采用局部注漿堵氣的方式進行處治。

2)每個區域排放孔孔中頁巖氣壓力不小于0.74 MPa或者涌出量不小于5 L/min的排放孔個數大于這個區域排放孔總數的30%，采用全斷面注漿堵氣的方式進行處治。

3)施工初噴后，局部位置仍有個別點頁巖氣涌出，且頁巖氣壓力大于0.74 MPa或者涌出量大于5 L/min，采用局部注漿堵氣的方式進行處治。

3.10 營運期間監控及通風控制設計

為確保本項目在營運期間隧道內環境質量符合相關衛生及安全要求，需要在馬嘴隧道頁巖氣段設置低濃度瓦斯探測器，通過隧道監控系統控制隧道風機啟停，達到隧道內環境質量符合相關衛生及安全標準。

3.11 其他設計措施

1)為了防止瓦斯工區中的瓦斯在中心水溝檢查井中聚集，瓦斯工區段，取消隧道中心排水溝檢查井。

2)施工期間，在隧道內布置有毒有害氣體傳感器(CH4，H2S，CO，CO2，氮氧化物)及風速傳感器。通過自動監控系統，檢測其濃度，確保濃度不超標。

4 施工注意事項

1)隧道施工時，應嚴格按照設計文件及《鐵路瓦斯隧道技術規范》《煤礦安全規程》的要求進行，嚴禁盲目施工。

2)各種電氣設備和施工機械必須采用防爆型，其防爆安全性能，必須經專職人員檢查，確認合格后方可進洞使用。

3)施工中應加強通風及瓦斯檢測，采用瓦斯濃度、風速/風量雙指標進行安全施工組織管理。

4)施工中應牢記瓦斯濃度控制指標：風流中瓦斯濃度大于0.5%時，嚴禁爆破作業，非防爆設備停止工作；風流中瓦斯濃度大于1%時，應立即斷電，撤人，停止一切作業，加強通風，待瓦斯濃度小于0.5%后，才可恢復供電，恢復施工。

5)加強火源管理，建立洞口安檢制度，嚴禁攜帶火柴、打火機等各種火源火種、易產生火花的物品(手機，相機等)以及其他易燃易爆物品入洞，嚴禁穿著和攜帶可產生靜電的物件進洞。

5 結語

目前，馬嘴隧道已經通車運營，隧道施工過程中未出現瓦斯燃燒、爆炸等施工，運營中也未出現瓦斯溢出的狀況，說明隧道瓦斯處治設計合理可行。對類似工程有以下幾點建議：

1)隧道在穿越志留系龍馬溪組頁巖地層設計時，應考慮頁巖氣的可能，根據勘察情況，采取相應的處治措施。

2)頁巖氣段的處治，重點在施工通風、瓦斯檢測、杜絕火源及防止瓦斯滲漏這四方面，施工中應嚴格遵循相應的規范，做好瓦斯防治工作。