鐵路高瓦斯隧道油氣評(píng)價(jià)及處治技術(shù)研究
——以黔張常鐵路唐家寨隧道為例

朵生君

(陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院),西安 710043)

引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)高速公路、鐵路的大力建設(shè)，施工中不可避免地會(huì)遇到瓦斯隧道。瓦斯是各種有毒有害氣體的總稱，其主要成分是甲烷(CH4)[1]。根據(jù)瓦斯來(lái)源，瓦斯隧道可以分為煤系瓦斯隧道和非煤系瓦斯隧道[2]，對(duì)于非煤系瓦斯隧道，由于其賦存無(wú)規(guī)律，因此目前尚無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)[3]。在瓦斯隧道開挖掘進(jìn)過程中，圍巖平衡被破壞，瓦斯等有毒有害氣體會(huì)沿著圍巖裂隙等涌入開挖空間，容易引發(fā)瓦斯燃燒、瓦斯爆炸和瓦斯窒息等事故，嚴(yán)重威脅隧道施工安全，加大隧道施工難度[4-5]。

隨著隧道施工瓦斯災(zāi)害事故的不斷增加，人們?cè)絹?lái)越認(rèn)識(shí)到防范和減輕瓦斯災(zāi)害的重要性[6-7]。為此，專家學(xué)者對(duì)瓦斯隧道的評(píng)價(jià)和處治等方面進(jìn)行了大量研究。孫建國(guó)等[8]針對(duì)平陽(yáng)隧道含可燃性油氣段提出了注漿封堵為主，結(jié)合結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、防水全封閉的處治方案；茍彪[9]以蘭渝鐵路13標(biāo)瓦斯隧道群為例，提出了隧道瓦斯的預(yù)測(cè)、檢測(cè)和防治措施；張小林[10]以成都地鐵龍泉山隧道為例，對(duì)其瓦斯賦存特征進(jìn)行詳細(xì)分析和預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)；武磊[11]結(jié)合梅花箐隧道施工經(jīng)驗(yàn)闡述隧道瓦斯綜合防治技術(shù)；唐小兵[12]研究總結(jié)了非煤系地層瓦斯隧道的成因類型，分為構(gòu)造連通型、圍巖變質(zhì)型和復(fù)合型；李固華等[13]針對(duì)炮臺(tái)山隧道滲漏病害，采用對(duì)隧道襯砌進(jìn)行化學(xué)壓漿封堵和縱向截流等進(jìn)行綜合治理；梁東等[14]對(duì)紅石巖隧道瓦斯成分進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上提出了相關(guān)瓦斯隧道施工技術(shù)措施。但是關(guān)于瓦斯隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和處治的總結(jié)性研究目前還比較少。

以黔張常鐵路唐家寨隧道出口油氣處治工程為研究對(duì)象，進(jìn)行了唐家寨隧道出口地質(zhì)分析，評(píng)價(jià)了出口段的瓦斯風(fēng)險(xiǎn)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果從隧道開挖支護(hù)設(shè)計(jì)、施工措施和瓦斯檢測(cè)三方面制定瓦斯施工處治方案。

1 工程概況及瓦斯地質(zhì)分析

1.1 工程概況

黔張常鐵路唐家寨隧道位于湖南省龍山縣境內(nèi)，起訖里程DK 114+760～DK 118+382.4，全長(zhǎng)3 622.4 km，高程450～1 400 m，最大埋深為513 m，位于中低山地區(qū)，為時(shí)速200 km電氣化客貨共線鐵路單洞雙線越嶺隧道。

隧道DK 117+298～DK 118+092段施工中出現(xiàn)頁(yè)巖氣和可燃輕質(zhì)油，范圍內(nèi)地層為二疊系下統(tǒng)馬鞍山組、棲霞組灰?guī)r夾炭質(zhì)頁(yè)巖(P1mn+qLs+cSh)、泥盆系中上統(tǒng)砂巖(D2+3Ss)、志留系上統(tǒng)紗帽群頁(yè)巖夾泥質(zhì)粉砂巖(S3shSh+Ss)。其中，二疊系地層位于可溶巖段落，巖溶極其發(fā)育，巖體表面溶溝、溶槽隨處可見；砂巖表層風(fēng)化嚴(yán)重，節(jié)理裂隙較發(fā)育。工區(qū)段主要位于巖溶裂隙溶洞水垂直滲流帶之中，屬碳酸巖巖溶裂隙溶洞水強(qiáng)富水區(qū)。該區(qū)域位于猛必斜歪向斜西北翼，屬于單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀N40°～50°E/40°～65°S為主，產(chǎn)狀變化較小。工點(diǎn)范圍內(nèi)斷裂構(gòu)造不發(fā)育。

2015年11月6日，隧道DK 118+040上臺(tái)階掌子面爆破后，發(fā)現(xiàn)線路左右兩側(cè)有不明氣體燃燒，其中線路右拱腰處和拱腳處燃燒較強(qiáng)烈，火焰高達(dá)1 m多，有明顯氣體噴燃的聲音，燃燒共持續(xù)約2 h后熄滅。現(xiàn)場(chǎng)立即停止作業(yè)并全速通風(fēng)，采用JCB4便攜式甲烷監(jiān)測(cè)報(bào)警儀監(jiān)測(cè)到甲烷濃度從洞口到掌子面0.61%～0.16%不等(通風(fēng)后甲烷濃度已被稀釋)。次日，在掌子面右側(cè)底板處發(fā)現(xiàn)有不明液體流出，采集液體后觀察，液體呈淡黃色、帶柴油氣味，極易點(diǎn)燃。隧道瓦斯揭示情況如圖1所示。

圖1 隧道瓦斯揭示情況

1.2 瓦斯地質(zhì)分析

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)情況分析及現(xiàn)場(chǎng)施工揭示情況，出現(xiàn)油、氣段主要位于二疊系下統(tǒng)棲霞組灰?guī)r夾炭質(zhì)頁(yè)巖地層中，為非煤系瓦斯隧道。

1.2.1 油、氣生成條件

二疊系下統(tǒng)棲霞組地層以灰?guī)r夾炭質(zhì)頁(yè)巖為主，其灰?guī)r以瘤狀灰?guī)r為主，屬于海陸混合相區(qū)域沉積環(huán)境，一般在巖層中常含大量水生生物遺體或水生生物化石，有機(jī)質(zhì)富集形成炭質(zhì)頁(yè)巖，經(jīng)過多個(gè)地質(zhì)時(shí)期變化形成生油巖，其油、氣來(lái)源為自生自儲(chǔ)。

1.2.2 油、氣儲(chǔ)存條件

隧道通過段為猛必斜歪向斜西北翼，單斜構(gòu)造，上部整合接觸二疊系下統(tǒng)茅口組中厚層狀石灰?guī)r，巖體普遍較為完整，且其孔隙度及滲透率均較低，為油氣封閉儲(chǔ)存創(chuàng)造了條件。儲(chǔ)層以縫、洞為主，有破裂縫、層間縫、溶洞等，故油氣在層內(nèi)具有隨機(jī)性和分布不均勻等特點(diǎn)。且由于本段埋深較大，油氣不易散逸。

2 瓦斯參數(shù)測(cè)試與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

隧道現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)不明油、氣后，在掌子面前方進(jìn)行鉆孔取芯解吸、封孔測(cè)量瓦斯壓力等，并取巖樣、油樣、氣樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，分析油氣成分和來(lái)源等，評(píng)估其對(duì)隧道的影響。本次共設(shè)有2個(gè)鉆孔，分別布設(shè)于DK 118+034掌子面左、右兩側(cè)，其鉆孔詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 鉆孔位置詳細(xì)參數(shù)

2.1 油、氣含量測(cè)試及成分分析

2.1.1 巖樣含氣量測(cè)試

本次測(cè)試在1號(hào)鉆孔鉆至15 m時(shí)采集灰?guī)r巖樣1個(gè)，2號(hào)鉆孔鉆至28.5 m時(shí)采集炭質(zhì)頁(yè)巖巖樣1個(gè)，裝入氣體解吸瓦斯罐內(nèi)，采用FHJ-2型瓦斯解吸速度測(cè)定儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)解吸速度測(cè)定，測(cè)得1號(hào)鉆孔氣體損失量為V1=0 mL，2號(hào)鉆孔氣體損失量為V2=10 mL。由此對(duì)比試驗(yàn)可以看出，在含碳量不大的灰?guī)r中不存在瓦斯氣體，而在含碳的炭質(zhì)頁(yè)巖中存在瓦斯氣體，說(shuō)明本套地層中瓦斯分布具不均勻性。

隨后，于2號(hào)鉆孔中采集4個(gè)巖芯樣，利用高精度水浴溫度控制含氣量解析儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)氣體解吸測(cè)定，通過實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行氣體量測(cè)試試驗(yàn)，經(jīng)過室溫解吸、低溫解吸、高溫解吸、損失氣體量測(cè)試和殘余氣體量測(cè)試多項(xiàng)試驗(yàn)，測(cè)得4個(gè)巖樣的含氣量分別為0.056，0.054，0.055，0.054 m3/t，計(jì)算平均含氣量為0.055 m3/t。

2.1.2 氣體成分分析

在1號(hào)鉆孔21 m深度處和2號(hào)鉆孔63 m深度處內(nèi)1 m左右各采集氣體樣1組，并將氣體樣送往檢測(cè)中心進(jìn)行分析，測(cè)試結(jié)果見表2。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，隧道涌出的有害氣體為含油含CO瓦斯氣，已檢測(cè)出甲烷、乙烷、丙烷、CO、CO2等氣體成分，其中甲烷最高濃度為10%，CO最高濃度為0.597%，均超過規(guī)程允許標(biāo)準(zhǔn)值，具有一定的危險(xiǎn)性，且氣體成分中的CO等有害物質(zhì)對(duì)施工人員身體有直接傷害。

表2 氣體成分及含量 %

2.1.3 油樣成分及油源對(duì)比分析

采集隧道掌子面底板處流出的油狀液體進(jìn)行檢測(cè)，主要成分為易揮發(fā)、低燃點(diǎn)的烷類有機(jī)物，判斷為輕質(zhì)油。

為確定隧道掌子面油液來(lái)源，采集兩塊下二疊統(tǒng)棲霞組炭質(zhì)泥灰?guī)r的巖石樣品和兩份原油樣品進(jìn)行油源對(duì)比分析。

首先，通過Pr/nC17值和Ph/nC18值相關(guān)圖研究巖樣和原有的形成環(huán)境及母質(zhì)類型[15]。如圖2所示，可以看出原油及烴源巖樣品參數(shù)投點(diǎn)均處于海陸混合相區(qū)域，表明兩個(gè)樣品的有機(jī)質(zhì)母源沉積環(huán)境相似。

圖2 巖樣及原油Pr/nC17和Ph/nC18值相關(guān)圖

不同碳數(shù)規(guī)則甾烷分布三角圖可以判斷樣品的有機(jī)質(zhì)母質(zhì)來(lái)源，一般認(rèn)為C27甾烷主要來(lái)自水生生物，C29主要來(lái)自高等植物[16]。從圖3可以看出，兩種樣品的有機(jī)質(zhì)母質(zhì)來(lái)源比較相似，其中C27規(guī)則甾烷的相對(duì)含量占比較高，約60%，故可推斷兩種樣品的有機(jī)質(zhì)母質(zhì)來(lái)源以水生生物為主。

圖3 巖樣及原油不同碳數(shù)規(guī)則甾烷分布

圖4 巖樣及原油三茐組成三角圖

三芴組成三角圖可以判定樣品沉積環(huán)境，芳烴中的三芴系列化合物(芴、氧芴、硫芴)具有相似的結(jié)構(gòu)[17]。一般認(rèn)為氧芴是芴在氧化環(huán)境中演化而成，硫芴是芴在還原環(huán)境中演化而成。從圖4可以看出，兩種樣品的三芴系列化合物組成特征極為相似，均以硫芴占主體，并含有一定量的芴，表明兩個(gè)樣品均沉積于還原環(huán)境中。

綜上所述，原油樣品和巖樣的生物標(biāo)志特征較為相似，表明他們的有機(jī)質(zhì)既有可能具有繼承性，即該原有樣品極有可能源自該烴源巖，表明隧道油氣來(lái)源于下二疊統(tǒng)棲霞組地層中，這與瓦斯地質(zhì)分析中的判斷一致。

2.2 瓦斯隧道等級(jí)及突出危險(xiǎn)性評(píng)估

2.2.1 瓦斯隧道等級(jí)評(píng)估

瓦斯隧道等級(jí)是由隧道內(nèi)瓦斯工區(qū)的最高級(jí)確定，瓦斯工區(qū)的等級(jí)可依據(jù)絕對(duì)瓦斯涌出量進(jìn)行評(píng)定，預(yù)測(cè)瓦斯絕對(duì)涌出量可采用回風(fēng)流瓦斯?jié)舛确ㄟM(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為

Qg=Q×c/100

(1)

式中，Qg為絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min；Q為風(fēng)量，m3/min；c為風(fēng)流中的平均瓦斯?jié)舛龋?。

在正常通風(fēng)及停止隧道施工的情況下，對(duì)唐家寨隧道掌子面頂部1.5～2 m內(nèi)進(jìn)行瓦斯?jié)舛葴y(cè)定，分別測(cè)得線路左側(cè)、中間和右側(cè)3處位置的瓦斯?jié)舛确謩e為0.4%，0.36%，0.32%，計(jì)算平均瓦斯?jié)舛萩為0.36%；并且測(cè)得風(fēng)機(jī)風(fēng)筒平均風(fēng)速為235.08 m/min，風(fēng)筒直徑為1.5 m，風(fēng)筒斷面積為1.767 m2，計(jì)算隧道通風(fēng)量Q為415.34 m3/min；隧道內(nèi)絕對(duì)瓦斯涌出量Qg為1.5 m3/min>0.5 m3/min，根據(jù)TB10120—2002/J160—2002《鐵路隧道技術(shù)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)評(píng)定唐家寨隧道為高瓦斯隧道。

2.2.2 瓦斯突出危險(xiǎn)性評(píng)估

通過現(xiàn)場(chǎng)鉆孔并采集巖樣對(duì)其瓦斯突出危險(xiǎn)性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試分析。瓦斯壓力測(cè)試在1號(hào)鉆孔鉆至21 m、2號(hào)鉆孔鉆至63 m時(shí)進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果瓦斯壓力P為0 MPa；在2號(hào)鉆孔中采集進(jìn)尺25～27 m和57～59 m的2個(gè)巖樣，測(cè)得巖樣堅(jiān)固性系數(shù)f值為3.0和3.42，瓦斯放散初速度ΔP值為0.9和0.7。3項(xiàng)參數(shù)均在規(guī)范規(guī)定的瓦斯突出評(píng)判值域外，故判定隧道無(wú)瓦斯突出危險(xiǎn)性。

2.2.3 瓦斯隧道等級(jí)分析

本隧道含油氣段位于一古油氣床中，為非伴煤瓦斯隧道，其瓦斯氣體一般存在于炭質(zhì)頁(yè)巖處以吸附狀態(tài)為主，局部為游離態(tài)，在隧道施工過程中瓦斯涌出具有隨機(jī)性及分布不均勻等特點(diǎn)。雖然鉆孔內(nèi)瓦斯一般無(wú)壓力，且取樣巖體瓦斯含量為0.055 m3/t，小于規(guī)范規(guī)定的0.5 m3/t，但考慮氣體分布不均勻性，并含有易燃、易揮發(fā)的輕質(zhì)油及CO、揮發(fā)性油氣等有毒有害物質(zhì)，建議瓦斯地段結(jié)構(gòu)設(shè)防等級(jí)按二級(jí)考慮。

綜上，唐家寨隧道DK 117+348～DK 118+040段瓦斯地段等級(jí)定為二級(jí)，局部三級(jí)，隧道變更設(shè)計(jì)及施工需執(zhí)行TB10120—2002/J160—2002《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求。

3 隧道油氣處治方案研究

根據(jù)隧道出口段油、氣的檢測(cè)結(jié)果及分析結(jié)果可判定，油氣問題嚴(yán)重，并伴有不均勻性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，須制定嚴(yán)謹(jǐn)可靠的處治方案。根據(jù)隧規(guī)及瓦斯規(guī)范的相關(guān)要求，并結(jié)合專家論證會(huì)意見，對(duì)本隧道出口高瓦斯工區(qū)進(jìn)行了油氣處治專項(xiàng)設(shè)計(jì)。從隧道開挖支護(hù)、施工方法和瓦斯檢測(cè)三方面制定處治方案，有效封堵、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瓦斯?jié)舛龋_保隧道施工及運(yùn)營(yíng)安全。

3.1 隧道開挖支護(hù)優(yōu)化

根據(jù)隧道掌子面瓦斯揭露情況，結(jié)合隧道圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎且?guī)r溶強(qiáng)烈發(fā)育等特點(diǎn)，將圍巖等級(jí)由Ⅱ級(jí)變更為Ⅲ級(jí)對(duì)瓦斯工區(qū)進(jìn)行隧道支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，隧道襯砌支護(hù)參數(shù)見表3。采用全封閉初支及襯砌支護(hù)，加厚初期支護(hù)及二次襯砌厚度，并在混凝土中摻加氣密劑，為隔離瓦斯及擠壓出圍巖中吸附或游離的瓦斯，減少后期瓦斯溢出，采用全斷面徑向注漿封堵，注漿孔按漿液擴(kuò)散半徑R=150 cm按梅花形計(jì)算布設(shè)，孔口環(huán)向間距約140 cm，終孔環(huán)向間距約225 cm，縱向間距約225 cm，單孔注漿深度為4 m，全斷面共布設(shè)注漿孔30個(gè)。注漿設(shè)計(jì)如圖5所示，注漿參數(shù)如表4所示。

表3 隧道襯砌支護(hù)參數(shù)

瓦斯工區(qū)段環(huán)、縱向施工縫處在原設(shè)計(jì)中埋止水帶+背貼止水帶措施基礎(chǔ)上，增加雙組份聚硫密封膏嵌縫氣密性處理，其封閉瓦斯性能不應(yīng)小于襯砌本體。在瓦斯段與非瓦斯段交界處( DK117+298及DK118+092)端頭初支與二襯之間全環(huán)環(huán)向設(shè)置20 cm寬雙組份聚硫密封膏，防止有害氣體從瓦斯地段向非瓦斯地段滲透擴(kuò)散。

圖5 二級(jí)瓦斯地段全斷面徑向注漿設(shè)計(jì)斷面(單位：cm)

表4 注漿參數(shù)

3.2 隧道施工方法優(yōu)化

3.2.1 加強(qiáng)施工通風(fēng)

隧道施工通風(fēng)是排除煙塵和稀釋有害氣體的主要手段，是保證施工安全的重要前提[18-19]。本隧道瓦斯工區(qū)施工期間采用不間斷通風(fēng)，通風(fēng)方式為壓入式通風(fēng)，通風(fēng)設(shè)計(jì)原則為：

(1)通風(fēng)設(shè)計(jì)按爆破排煙、掌子面作業(yè)要求、瓦斯涌出量進(jìn)行設(shè)計(jì)；

(2)隧道內(nèi)防止瓦斯積聚的最小風(fēng)速不宜小于1 m/s；

(3)通風(fēng)管采用螺旋形，具有抗靜電、抗阻燃的性能，百米漏風(fēng)率≯1%，并且風(fēng)管口距離掌子面的距離不得大于5 m；

(4)通風(fēng)設(shè)備采用雙風(fēng)機(jī)、雙電源，根據(jù)洞內(nèi)瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)情況，在襯砌臺(tái)車等易減緩風(fēng)速的地段可增設(shè)沿程增壓風(fēng)機(jī)；在洞室等瓦斯易積聚的地方，增設(shè)小型局扇。施工通風(fēng)參數(shù)見表5。

表5 施工通風(fēng)參數(shù)

3.2.2 鉆爆作業(yè)

本隧道瓦斯工區(qū)的鉆爆開挖要堅(jiān)持“多打眼、少裝藥、短進(jìn)尺、快噴錨、強(qiáng)支護(hù)、勤檢測(cè)”的原則，要求如下。

(1)瓦斯工區(qū)鉆孔必須采用濕式鉆孔，炮眼深度不應(yīng)小于0.6 m。

(2)瓦斯工區(qū)的爆破必須采用煤礦許用炸藥，其中DK117+348～DK117+723段采用安全等級(jí)不低于一級(jí)的煤礦許用炸藥，DK117+723～DK118+040采用安全等級(jí)不低于三級(jí)的煤礦許用炸藥，應(yīng)采用煤礦許用瞬發(fā)電雷管或煤礦許用毫秒延期電雷管，使用防爆型起爆器。

(3)爆破母線應(yīng)采用具有良好絕緣性和柔軟性的銅芯電纜，并隨用隨掛，嚴(yán)禁將其固定。

3.2.3 電器設(shè)備和作業(yè)機(jī)械

(1)瓦斯隧道內(nèi)照明燈具，開挖工作面附近的固定照明燈具，必須采用Exd Ⅰ型礦用防爆照明燈，二襯施工段固定照明可采用Exd Ⅱ型防爆照明燈，移動(dòng)照明必須使用礦燈。

(2)瓦斯工區(qū)電氣設(shè)備與機(jī)械設(shè)備可采用非防爆型。汽車、裝載機(jī)等行走機(jī)械設(shè)備需安裝車載式瓦斯監(jiān)測(cè)報(bào)警儀，應(yīng)具有瓦斯超限報(bào)警時(shí)停止運(yùn)行并熄火的功能。根據(jù)瓦斯規(guī)范要求，電器設(shè)備與機(jī)械設(shè)備必須使用防爆型；在本隧道方案論證過程中，認(rèn)為本隧道瓦斯等有害氣體無(wú)連續(xù)溢出特征，結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為加強(qiáng)施工通風(fēng)，確保瓦斯等有害氣體濃度稀釋到安全閾值以內(nèi)，即可滿足要求，如全部改造電器設(shè)備和機(jī)械設(shè)備，周期長(zhǎng)、投資大，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，該措施可行。

(3)嚴(yán)禁現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)，要求構(gòu)造鋼筋、連接鋼筋采用綁扎方式，受力主筋采用套筒鏈接。初期支護(hù)拱架在洞外加工時(shí)增加鎖腳錨桿連接鋼板，在洞內(nèi)采用螺母固定鎖腳錨桿。

3.3 瓦斯預(yù)測(cè)及檢測(cè)

為了防止瓦斯事故的發(fā)生，加強(qiáng)對(duì)瓦斯隧道地層的探測(cè)和瓦斯的檢測(cè)至關(guān)重要[20]。

3.3.1 超前鉆孔探測(cè)

根據(jù)前期探測(cè)地質(zhì)條件，本段瓦斯工區(qū)通過地層主要為二疊系下統(tǒng)棲霞區(qū)灰?guī)r夾炭質(zhì)頁(yè)巖，且位于巖溶強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)，故本段布置超前水平鉆孔4孔貫通探測(cè)及每循環(huán)實(shí)施加深炮孔13孔探測(cè)，如圖6所示，用于掌握巖層巖性、裂隙和巖溶發(fā)育情況等。

圖6 超前探測(cè)鉆孔布置(單位：m)

3.3.2 瓦斯監(jiān)測(cè)

采用“雙保險(xiǎn)”監(jiān)控措施，即遙控自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與人工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合，并建立風(fēng)、瓦、電聯(lián)鎖系統(tǒng)和聲光報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、無(wú)盲區(qū)、特殊作業(yè)跟班監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)瓦斯異常區(qū)域。遙控自動(dòng)化系統(tǒng)由洞內(nèi)監(jiān)測(cè)中心(配置主控計(jì)算機(jī))和洞內(nèi)的控制分站以及在洞內(nèi)各工作面、轉(zhuǎn)角等處設(shè)置的瓦斯等有害氣體濃度探頭、風(fēng)速探頭、自動(dòng)報(bào)警器、遠(yuǎn)程斷電儀組成。安全監(jiān)控系統(tǒng)的甲烷傳感器應(yīng)垂直懸掛在隧道上方風(fēng)流穩(wěn)定的位置，距隧道頂板≯300 mm。距隧道側(cè)壁≮200 mm。瓦斯監(jiān)測(cè)的地點(diǎn)及范圍見表6。瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)的處理根據(jù)不同區(qū)域或部位，按表7的要求進(jìn)行處置。

瓦檢人員必須跟班測(cè)定瓦斯?jié)舛龋瑖?yán)格執(zhí)行“一炮三檢制”和“三人連鎖放炮制”，即在打眼后、放炮前、放炮后測(cè)試瓦斯?jié)舛纫约鞍嚅L(zhǎng)或安全員、放炮員及瓦檢員三人同時(shí)在場(chǎng)放炮。在其余工作時(shí)間每小時(shí)測(cè)定一次瓦斯?jié)舛取Ｌ厥獾囟螒?yīng)經(jīng)常進(jìn)行瓦斯監(jiān)測(cè)。

表6 瓦斯監(jiān)測(cè)地點(diǎn)和范圍

表7 隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛认拗导俺尢幚泶胧?/p>

根據(jù)以上監(jiān)測(cè)要求及超限處理措施，采用便攜式瓦斯檢測(cè)儀對(duì)掌子面及3個(gè)超前水平鉆孔進(jìn)行瓦斯?jié)舛葯z測(cè)，瓦斯檢測(cè)結(jié)果如圖7所示。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可知，在不通風(fēng)情況下，掌子面施工放炮后，瓦斯?jié)舛燃眲≡黾樱罡哌_(dá)到4.0%。采取加強(qiáng)通風(fēng)措施后，瓦斯?jié)舛燃眲∠陆担?5 min后濃度降至0.26%，達(dá)到安全范圍內(nèi)，并且在施工襯砌后檢測(cè)不到瓦斯出現(xiàn)，說(shuō)明全斷面注漿封堵瓦斯氣體效果良好。

采用以上處治技術(shù)措施后，唐家寨隧道出口油氣段油氣處治效果顯著，隧道掘進(jìn)和支護(hù)施工順利，隧道支護(hù)于2017年底完成施工。類似的處治技術(shù)分別應(yīng)用在黔張常鐵路夏家堡隧道和晏家堡2號(hào)油氣處治施工中，均取得了良好的工程效果。

圖7 隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛茸兓€

4 結(jié)論

(1)唐家寨隧道出口油氣主要位于二疊系下統(tǒng)棲霞組灰?guī)r夾炭質(zhì)頁(yè)巖地層中，其灰?guī)r以瘤狀灰?guī)r為主，屬于海陸混合相區(qū)域沉積環(huán)境，有機(jī)質(zhì)富集達(dá)到油氣生成條件，地層巖體較完整，且其孔隙度及滲透率均較低，為油氣封閉儲(chǔ)存創(chuàng)造了條件。

(2)通過鉆孔取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)油、氣含量測(cè)試和成分分析。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，隧道涌出的有害氣體為含油含CO的瓦斯氣，其中氣體包含甲烷、乙烷、丙烷、CO、CO2等成分，油質(zhì)為輕質(zhì)油，且通過油源對(duì)比分析，隧道油氣主要來(lái)源于下二疊統(tǒng)棲霞組地層中。通過計(jì)算瓦斯絕對(duì)涌出量Qg為1.5 m3/min>0.5 m3/min，評(píng)定此隧道為高瓦斯隧道。

(3)本隧道為非伴煤瓦斯隧道，在隧道施工過程中瓦斯涌出具有隨機(jī)性及分布不均勻等特點(diǎn)，并含有易燃、易揮發(fā)的輕質(zhì)油及CO、揮發(fā)性油氣等有毒有害物質(zhì)，因此瓦斯地段設(shè)防等級(jí)按二級(jí)考慮。

(4)針對(duì)油氣滲漏嚴(yán)重問題，從隧道開挖支護(hù)、施工方法和瓦斯檢測(cè)三方面制定了瓦斯處治方案。加強(qiáng)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)，通過添加氣密劑、密封膏和周邊圍巖全斷面徑向注漿等方法封堵氣體，防止其滲透擴(kuò)散；明確施工措施，提高開挖鉆爆作業(yè)材料工藝要求，加強(qiáng)通風(fēng)措施稀釋隧道瓦斯?jié)舛龋瑢?duì)作業(yè)機(jī)械進(jìn)行建議改造處理，洞內(nèi)嚴(yán)禁焊接施工；加強(qiáng)瓦斯檢測(cè)，通過超前探孔進(jìn)行瓦斯預(yù)測(cè)，采用“雙保險(xiǎn)”監(jiān)測(cè)措施，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、無(wú)盲區(qū)、特殊作業(yè)跟班監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)瓦斯異常區(qū)域。