高風險長大頁巖氣隧道瓦斯涌出量預測及防治措施

傅 璇

(中鐵二十局集團第二工程有限公司 北京 100089)

1 引言

隨著交通運輸需求的提高和交通行業的發展，隧道項目越來越多，而不良地質條件下隧道施工難度大，許多研究人員對此做了一系列研究[1-3]。

姚宏波等[4]將三維有限元法與實測相結合，對軟土地區中隧道受上部基坑的影響進行了研究。黃強等[5]通過現場實測和有限元動力計算方法，對列車運行時軟土地區中的隧道沉降進行了研究。吳賢國等[6]為研究盾構隧道在施工過程中的防滲漏情況，建立了三維云-Copula模型，對濱海隧道施工的滲漏風險進行了評估。

頁巖氣地段是一種較為不良的地質，常會對隧道施工造成困難[7-9]。汪瑩鶴[10]通過鉆探、測井和樣品分析等方式，評估了頁巖氣對隧道的影響情況。高楊等[11]針對頁巖氣圍巖條件下的隧道，提出了一種包含頁巖氣參數的隧道工區分級評價模型。張雪金等[12]針對頁巖氣地質條件下的隧道，對該隧道的通風設計進行了優化和加強，提高了該隧道對頁巖氣災害的防控等級。

本文依托懷邵衡項目蒼稼嶺隧道，對頁巖氣地質條件下的隧道氣體進行了室內試驗檢測，監測了隧道不同位置處的瓦斯涌出量，提出了相應的隧道施工防治措施，并根據指數平滑法建立了瓦斯涌出量預測模型。

2 工程概況

懷邵衡項目蒼稼嶺隧道為雙線單洞隧道，最大埋深約為540 m。全長7 976 m，設有1座斗山沖斜井，長1 437 m，出口橫洞全長為330 m。隧道地質構造復雜，不良地質和特殊巖土發育且種類多。主要不良地質有:高地應力、頁巖氣(低瓦斯)、超長斷層破碎帶等。隧道掘進長，通風組織難度大，為Ⅰ級風險隧道。

隧道所在區域地形起伏較大，地勢西高東低。隧道穿越中低山區，山區主體高程約為300～1 100 m，自然坡度30°～65°，存在山間谷地和中低山等地貌單元。隧道在施工過程中存在一定風險，主要為頁巖氣等有害氣體。

3 氣體檢測分析

3.1 氣體采集

為定量分析隧道地層中頁巖氣的主要成分，對隧道掌子面附近的氣體和巖石進行了采集工作。將采集到帶有油斑的巖石和煤巖樣本通過密封罐進行封裝儲存，而氣體則通過專用氣袋進行采集儲存。氣體采集方式主要為炮眼法，通過往掌子面打入炮眼，在炮眼基礎上進行密封，再將氣體采集軟管通過炮眼到達巖體內部，最后通過吸氣球進行氣體采集。

3.2 成分分析

通過氣相色譜儀和穩定同位素分析儀對采集到的氣體進行定量分析。通過D/max Rapid 11 R分析儀對采集到的巖石試樣進行了X射線衍射物相分析。

分析結果表明，隧道內氣體成分主要包含甲烷、乙烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫以及氨氣等。甲烷的濃度為15.78%，一氧化碳的濃度最高為1 152 ppm，而硫化氫的濃度為46 ppm，均遠超標準值。此外，以上成分還存在一定的爆炸危險性，并且如一氧化碳、氨氣等，對人身體會造成直接性的損害，危害施工人員的人身安全。

表1展示了含油斑巖樣物相分析情況。從表中可以看出，蒼稼嶺隧道油氣環境為鈣質主體。

表1 蒼稼嶺隧道含油斑巖樣物相分析

對天然氣中的烴類氣和CO2中的穩定同位素進行了檢測，以分析蒼稼嶺隧道中頁巖氣的成因和特點，檢測結果如表2所示。從表2可以看出，C1(甲烷)和C2(乙烷)屬于亞生物氣。煤型氣標準值為-28‰，乙烷的同位素相較于標準值而言偏重(-26.87‰)，因此乙烷是由煤系地層所形成的氣體，為典型的煤型氣。結合干燥系數0.91偏低的特點，可以判定蒼稼嶺隧道所涌出的氣體為低熟煤型亞生物氣。

表2 天然氣和CO2同位素分析結果

4 瓦斯涌出量預測與現場監測

4.1 監測方案

通過自動監測和人工監測方法對蒼稼嶺隧道的瓦斯涌出量進行監測，人工監測數據作為印證，主要手段仍然是自動監測。通過KJ90監控系統進行自動監測，人工監測主要儀器則為手持式瓦斯檢測儀。

自動監測的主要監測位置為隧道掌子面、二襯車臺以及洞口位置處，對該位置的風速和瓦斯濃度無間斷監測，并安排值班人員在監控室，以便于隨時關注瓦斯濃度變化狀況。

人工監測的主要方法是安排專門的工作人員通過瓦斯檢測儀進行關鍵位置處的瓦斯濃度監測，主要為掌子面處、防水板處、人行通道處、上下臺階等。監測的頻率為1次/2 h。此外，可根據自動監測結果，對瓦斯濃度較大的地方再額外安排人員進行人工監測，以及相應增加監測頻率。

通過自動監測和人工監測得到的風流中瓦斯濃度數據，可通過下式對涌入隧道的瓦斯量進行計算:

其中，q表示隧道中瓦斯的涌出量(m3/min)；S表示當前隧道的開挖斷面面積；V表示隧道斷面的風流大小(m/s)；C為監測得到的瓦斯濃度(%)。

4.2 不同斷面處瓦斯涌出量

圖1展示了不同斷面處的瓦斯涌出量隨時間變化情況。從圖中可以看出，隨著時間的增加，瓦斯涌出量出現上下持續波動，但未出現較為顯著的提高或降低，波動范圍較為穩定。瓦斯涌出量最大的為隧道洞口處，其次為二襯臺車處，瓦斯涌出量最低的是在掌子面處。此外，對比瓦斯涌出量波動大小可發現，掌子面處的瓦斯涌出量波動范圍較大，其次為隧道洞口位置處，瓦斯涌出量波動最小的為二襯臺車處。此外，隧道洞口處瓦斯涌出量與二襯臺車處瓦斯涌出量之間的差值要大于二襯臺車與掌子面之間的差值。

圖1 不同斷面處的瓦斯涌出量隨時間變化曲線

造成上述現象可能是由于隧道掌子面處其風流形式主要為紊流，這導致了在掌子面處瓦斯分布并不均勻，也可能會導致監測數據不夠準確，相較于實際情況偏小。相比較而言，隧道洞口與二襯臺車位置處的風流形式為層流，結合瓦斯密度要小于空氣密度，因此瓦斯呈現出隧道底板與頂板之間隨著高度的增加濃度增大的一般性規律。

圖2展示了隧道總體累計瓦斯涌出量隨時間變化曲線。從圖中可以看出，在3.5～5 h附近，由于施工等因素的影響，累計瓦斯涌出量隨著變化曲線斜率出現增加，增長變化速度較快。在其余時間段，累計瓦斯涌出量隨時間增加呈現出線性增長趨勢。

圖2 隧道累計瓦斯涌出量隨時間變化曲線

4.3 瓦斯涌出量預測方法

指數平滑法是一種移動平均值法，通過對觀測數據賦予不同的權重，來進行未知數據的預測。根據平滑數量的不同，指數平滑法可分為一次平滑法、二次平滑法和三次平滑法。在隧道開挖過程中，瓦斯涌出量可為時間的序列函數，因此通過指數平滑法對隧道開挖過程中瓦斯涌出量進行預測是可行的。指數平滑法公式如下:

式中，y′t＋1表示t時刻的平滑值，也是t＋1 時刻的預測值；yt表示在t時刻的觀測值；y′t表示t-1時刻的平滑值，也是t時刻的預測值；a表示平滑系數，取值范圍在0～1之間。

利用一次平滑法建立了瓦斯涌出量預測模型，通過對均方誤差進行計算，當a＝0.3時，一次平滑法均方誤差最小。圖3展示了在a＝0.3時通過一次平滑法對瓦斯涌出量進行預測的結果與實測值對比情況。從圖中可以看出，一次平滑法預測值隨時間變化趨勢與實測值較為接近，數值大小差異也不大，基本在變動區間內，波動較小，但在一定程度上也能反映瓦斯涌出量隨時間變化的實際情況，不失為一種較好的預測方法。

圖3 洞口瓦斯涌出量實測值與預測值對比

為對比一次平滑法、二次平滑法和三次平滑法對瓦斯涌出量預測效果的差異，分別利用三種方法對瓦斯涌出量隨時間變化情況進行了預測。圖4展示了a＝0.3時不同次數平滑法預測值與實測值比較。從圖中可以看出，三種預測方法計算得出的瓦斯涌出量隨時間變化趨勢均與實測值較為一致，表現出了良好的預測效果。相比之下，二次平滑法和三次平滑法曲線較為平緩，未能體現瓦斯涌出量隨時間的波動情況，而一次平滑法雖然與實測值仍有差異，但在一定程度上也反映了瓦斯涌出量隨時間變化而表現出的波動性。

圖4 不同次數平滑法預測值與實測值比較

表3給出了三種方法在計算瓦斯涌出量時的均方誤差。從表3可知，三個模型中均方誤差最小的為一次平滑法模型，其次為三次平滑法模型，誤差最大的為二次平滑法模型。因此，利用平滑系數a＝0.3的一次平滑法對瓦斯涌出量進行預測效果最佳。

表3 不同平滑法模型對應的均方誤差

5 頁巖氣地層中隧道施工防治對策

根據上述隧道氣體檢測和瓦斯涌出量監測數據，提出了在頁巖氣地層中進行隧道施工的一系列防治措施。

5.1 襯砌加強

對頁巖氣較為突出的隧道在施工時進行全封閉襯砌處理。通過鋪滿防水層，在支護和二次襯砌階段通過摻入抗腐氣密劑的混凝土等方式，以此對瓦斯、CO和氨氣等有害氣體進行隔絕。

通過膨脹水泥砂漿對隧道的施工縫和沉降縫進行填充，將具有氣密性的涂料在表面進行噴涂，以防止不良氣體的串流等情況。

5.2 超前鉆孔探測

在隧道施工前，需要通過地質雷達和超前鉆孔等方式進行地質勘察，以對隧道周圍的圍巖狀況和瓦斯濃度以及分布情況精確掌握。依據實際工程經驗，建議3個一組進行超前鉆孔勘測，孔徑設置為75 mm、鉆孔深度在65～75 m較佳。通過超前鉆孔的方式，若勘測結果顯示有害氣體未超標，則可在此基礎上進行50 m范圍內的隧道掘進施工作業。

5.3 圍巖注漿

若經過勘測，發現隧道周圍的有害氣體濃度較大，可以采取圍巖注漿方式進行防治。即結合圍巖完整度和有害氣體的初壓情況，通過對局部裂隙進行注漿，甚至對整個斷面圍巖進行注漿封堵措施來進行防治。

具體措施為，若有害氣體涌出壓力在0.20～0.70 MPa范圍內時，通過對通風進行加強以及自然排放方式即可處理。若有害氣體涌出壓力大于0.7 MPa，需在加強通風的基礎上，設置有害氣體排放孔。直到通過以上手段使得有害氣體的初始壓力降低到小于0.2 MPa情況時，開挖施工才可進行，并對圍巖進行注漿封堵。此外，為了防止壓力回升，可設置降壓管通向洞外。

6 結論

本文依托懷邵衡項目蒼稼嶺隧道，對頁巖氣地質條件下的隧道氣體進行了室內試驗檢測，對該隧道不同位置處的瓦斯涌出量進行了監測，分析了不同位置處瓦斯涌出量隨時間變化規律，提出了相應的施工防治措施。基于此，根據指數平滑法建立了瓦斯涌出量預測模型。得出主要結論如下:

(1)蒼稼嶺隧道所涌出的氣體為低熟煤型亞生物氣。主要包含甲烷、乙烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氫以及氨氣等。

(2)瓦斯涌出量最大的為隧道洞口處，其次為二襯臺車處，最低的是在掌子面處。掌子面處的瓦斯涌出量波動范圍較大。

(3)三種預測方法計算得出的瓦斯涌出量隨時間變化趨勢均與實測值較為一致，表現出了良好的預測效果。二次平滑法和三次平滑法曲線較為平緩，未能體現瓦斯涌出量隨時間的波動情況。預測均方誤差最小的為一次平滑法。利用平滑系數a＝0.3的一次平滑法對瓦斯涌出量進行預測效果最佳。

(4)文中提出的頁巖氣地層中隧道防治對策主要為襯砌加強、超前鉆孔探測、圍巖注漿三種方式。