綜合瓦斯預測技術在隧道施工中的應用

彭忠成

摘 要：公路工程建設過程中隧道穿過區域可能受瓦斯災害威脅，所以隧道瓦斯安全管理工作受到社會各界及相關管理部門的高度重視。隧道瓦斯災害的產生應同時具備三個條件：存在瓦斯源、瓦斯通道及具備瓦斯封閉條件。綜合采用TMP物探、超前地質鉆探和鉆孔瓦斯涌出量測算形成的“三合一”綜合瓦斯預測技術，可較為準確地預測隧道掌子面前方未開挖區域是否存在瓦斯源、瓦斯通道及具備瓦斯封閉條件，估算地層封存瓦斯量，從而準確的預測瓦斯的威脅程度。本研究在結合實際情況的基礎上選取某案例，采用“三合一”綜合瓦斯預測技術。為同類型瓦斯隧道未開挖區域瓦斯預測工作提供進一步可借鑒的實用方法。

關鍵詞：隧道未開挖區域;TMP超前地質預報系統;超前地質鉆探;瓦斯涌出量;綜合瓦斯預測技術

隨著我國交通快速通道項目的大力建設，隧道施工開挖工作面前方瓦斯情況的預測是國內外工程地質和隧道工程界關注而又沒有得到很好解決的難題[1]。眾所周知，預測瓦斯的首要任務是判斷是否有瓦斯存在[2-6]。目前在施工過程中主要通過人工瓦斯檢測、自動瓦斯濃度監測手段獲取已揭露巖層的瓦斯濃度、含量，進行瓦斯安全管理[7-9]。

本文以某高速公路隧道為依托工程，研究瓦斯預測技術在瓦斯隧道中的應用。在施工階段對隧道掌子面前方未開挖區域瓦斯預測技術進行研究。

1 隧道地質概況

某高速公路隧道概況，設計雙洞單向行車，右線樁號K8+370～K9+633，長1 263 m;瓦斯段樁號K8+750～K9+350，長600 m。預測區巖性以強～中風化頁巖、泥質粉砂巖、砂巖夾煤層為主，巖體破碎，風化層厚度大，圍巖穩定性差。預測區埋深50 m～80 m，隧道揭煤層在K9+050～K9+140樁號之間，煤層與隧道推進方向成約40°夾角，厚約15 m。

2 設備及方法

2.1 探測儀器設備及方法

2.1.1 TMP地震波超前預報系統

TMP多功能地質探測系統，該系統基于航空無線電定位3C檢波器的工作原理提出了一個定向覆蓋錐形雷達（錐角為45°），經過極化處理收到地層可靠而穩定的參數化三維圖像。該參數圖像可以可靠地識別地層分離元素從而可以判別破碎帶等前方不良地質體。

2.1.2 超前地質鉆探

超前地質鉆探法的鉆頭分為：（1）一般沖擊鉆。沖擊鉆不能取芯，但可通過沖擊器的響聲、鉆速及其變化、巖粉、卡鉆情況、鉆桿震動情況、沖洗液的顏色及流量變化等粗略探明巖性、巖石強度、巖體完整程度、溶洞、暗河及地下發育情況等;（2）回轉取芯鉆。回轉取芯鉆巖芯鑒定準確可靠，地層變化里程可準確確定，一般只在特殊地層、特殊目的地段、需要精確判定的情況下使用。比如煤層取芯及試驗、溶洞及斷層破碎帶物質成分的鑒定、巖土強度試驗取芯等。

2.1.3 瓦斯涌出量測定[10]

利用光干涉甲烷檢測儀采用人工方式隨機檢測超前鉆時掌子面及掌子面后方約40 m處回風流中的瓦斯濃度。一般，在掌子面布置8～12個測點，其中鉆孔口處布置1～2個測點;在掌子面回風流處布置5～10個測點，根據鉆孔瓦斯涌出情況確定檢測頻度。

3 瓦斯存在條件預測

3.1 布置

3.1.1 TMP超前地質預報

本次TMP超前地質預報在隧道進口右幅K8+953上臺階掌子面位置，采用錘擊產生震源，對前方100 m范圍內地質條件及異常預測

3.1.2 超前地質鉆探

本次超前鉆探，在隧道進口右幅K8+953上臺階掌子面位置，中間及掌子面兩側位置共布設3個超前地質鉆孔，采用沖擊鉆，每個鉆孔深度為51 m。

3.1.3 鉆孔瓦斯檢測

在進行超前地質鉆探時，對鉆孔口、掌子面拱頂及掌子面后方約40 m處回風流中的瓦斯濃度進行檢測。掌子面布置7個測點（其中3個為孔口點）;在掌子面回風流處布置5個測點。

3.2 數據分析

3.2.1 TMP物探成果分析

根據TMP地質探測數據圖像分析，結合掌子面地質條件及相關設計勘察資料，前方100 m范圍內地質條件及異常預測結果見表1。

3.2.2 瓦斯涌出量計算分析

由掌子面回風流中的瓦斯濃度、風量、溫度、大氣壓值計算結果見表2。

4 瓦斯預測結果分析

通過綜合分析TMP物探、鉆探和鉆孔瓦斯涌出量“三合一”綜合瓦斯預測技術預測結果，并結合地質勘察資料，可知：

4.1 預測里程

TMP型隧道地質超前預報對K8+953～K9+053段地質預報較為清楚，予以采納;超前鉆探范圍為K8+953～K9+004。綜合物探、鉆探預測結果，本次預測里程為K8+953～K9+004。

4.2 K8+953～K8+968段

通過TMP物探、鉆探兩種手段預測結果可以看出，該段圍巖局部較破碎，存在節理裂隙，形成瓦斯運移通道，本段埋深在64 m～76 m，有裂隙等與地表溝通，不具備瓦斯封閉條件。通過鉆孔瓦斯含量測算，當鉆進至K8+968處時，瓦斯含量約0.052 m3/min，說明該段地層中瓦斯含量較小。通過鉆探過程中沖洗液巖粉成分鑒定，該段地層巖性主要為玄武巖，未見煤層，說明該段本身不具備瓦斯生成條件，主要是通過節理、裂隙將其他地段少量的瓦斯運移至本段隧道揭穿地層，但該段總體上瓦斯含量不高。

4.3 K8+968～K8+994段

該段圍巖總體較為破碎，該段瓦斯涌出量從0.052 m3/min

增長至0.159 m3/min，變化較大，通過鉆探過程中沖洗液巖粉成分鑒定，該段地層巖性主要為玄武巖，未見煤層，說明該段本身不具備瓦斯生成條件，主要是通過節理、裂隙將其他地段少量的瓦斯運移至本段隧道揭穿地層。

4.4 K8+994～K9+004段

通過TMP物探、鉆探兩種手段預測結果可以看出，該

段圍巖總體較破碎，節理裂隙發育，可形成瓦斯運移

通道，該段埋深在50 m～56 m，無斷層、裂隙等與

地表溝通，具備瓦斯封閉條件;當鉆進至K9+004處時，瓦斯含量上升至0.264 m3/min，停鉆后14 h鉆孔瓦斯涌出基本穩定，瓦斯含量已達0.321 m3/min，說明K8+994～K9+004段地層中封存有一定量的瓦斯，通過鉆探過程中沖洗液巖粉成分鑒定，該段地層巖性以玄武巖和泥質粉砂巖為主，由物探預測結果可知該段已接近含煤地段，本身雖不具備瓦斯生成條件，通過節理、裂隙將其他地段的瓦斯運移至本段，泥質粉砂巖的存在為瓦斯封閉創造條件，在隧道開挖時會將封存的瓦斯釋放出來，形成瓦斯危害。

5 結論

（1）采用TMP型超前地質預報系統、超前鉆探可有效探測地質巖性變化界面、構造破碎帶、圍巖破碎程度，以及地層巖性等，從而判斷是否存在瓦斯源、瓦斯運移通道和瓦斯封閉條件，通過鉆孔瓦斯涌出量測定可以判斷地層保存瓦斯的多少，也可以佐證是否具備瓦斯封閉條件，因此，綜合TMP物探、鉆探、鉆孔瓦斯涌出量測算形成的“三合一”綜合瓦斯預測技術可較為準確地預測隧道前方未開挖區域瓦斯賦存情況，在隧道中實踐證明是可行的。

（2）通過“三合一”綜合瓦斯預測技術在隧道中應用來看，隧道在正常通風情況下，隧道內瓦斯濃度較低，預測區域瓦斯涌出量較小，瓦斯涌出量最大值為0.321 m3/min<

0.5 m3/min，按照《鐵路瓦斯隧道技術規范》瓦斯工區劃分標準，K8+953～K9+004段屬低瓦斯工區。

（3）通過對TMP物探、鉆探、鉆孔瓦斯涌出量測算“三合一”綜合瓦斯預測技術進行探討，結合隧道地質勘察資料，隧道K8+953～K9+004段揭穿地層在終孔前未見煤層或含煤地層，未經歷生物化學或煤化變質作用造氣時期，不存在煤及煤系地層瓦斯，瓦斯生成條件差。從鉆孔瓦斯涌出量、物探、鉆探結果可以看出該段地層具備一定的瓦斯封閉條件，周邊含煤地層的瓦斯可通過破碎帶、節理、裂隙等對隧道通過區巖層進行補給，形成運移瓦斯，若施工過程中通風、瓦斯安全管理工作落實不到位，可能造成局部瓦斯積聚或瓦斯超限，釀成瓦斯事故。在鉆孔終孔時已見煤層，說明已經具備瓦斯生成條件。

（4）《鐵路瓦斯隧道技術規范》對隧道瓦斯工區劃分主要建立在地質勘察工作的基礎上，施工實際操作中還要測定隧道掌子面瓦斯涌出量，從而對瓦斯隧道進行工區劃分。不管是依靠地勘資料還是現場測定資料，還是兩者的結合，都不能準確掌握隧道掌子面前方未開挖區域的瓦斯賦存狀況，因此，在施工階段應充分利用瓦斯超前預測技術對瓦斯隧道工區類別進行劃分。本文探討由TMP物探、鉆探、鉆孔瓦斯涌出量測算組成的“三合一”綜合瓦斯預測技術可為隧道未開挖區域瓦斯預測工作提供進一步可借鑒的實用方法。

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