超前地質(zhì)預報在高瓦斯隧道施工過程中的應用

李立功

(中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司，天津 300133)

超前地質(zhì)預報在高瓦斯隧道施工過程中的應用

李立功

(中鐵隧道勘測設(shè)計院有限公司，天津 300133)

以三聯(lián)高瓦斯隧道成功穿越煤系地層為例，分析整理了該隧道施工過程中超前地質(zhì)預報的工作方法及內(nèi)容，著重對超前水平探孔法進行了闡述，指出采用多種技術(shù)方法進行綜合超前地質(zhì)預報的重要性。

超前地質(zhì)預報，超前水平探孔，隧道

1 工程概況

三聯(lián)隧道位于云南省宣威縣境內(nèi)，全長12 136 m，最大埋深280 m，是貴昆鐵路增建二線六盤水至沾益段(以下簡稱六沾復線)的重點控制性工程。該隧道為單洞雙線隧道，隧道斷面面積120 m2，隧道穿越的主要地層為斷層角礫巖(Fbr)、三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)砂巖夾泥巖、頁巖、二疊系上統(tǒng)宣威群(P2xn)砂巖夾泥頁巖、煤層，峨眉山玄武巖組(P2β)玄武巖夾層狀凝灰?guī)r等，洞身大部分地段處于Ⅳ級和Ⅴ級圍巖段。其中1號斜井工區(qū)隧道穿越宣威群上部含煤地層主要集中在D1K306+770～D1K306+ 970地段，見圖1;該段含煤6層～13層，煤層厚0．13 m～1．80 m，一般厚0．39 m ～1．13 m，煤層間距 3．44 m ～24．84 m。根據(jù)地勘資料，實測的煤層瓦斯壓力除深度較淺的C1煤層較低之外，其余壓力值較大，在1．831 MPa～3．195 MPa，按瓦斯壓力梯度計算的隧道洞身段煤層瓦斯壓力在2．533 MPa～3．229 MPa，煤層瓦斯含量為7．54 m3/t～12．87 m3/t，煤層瓦斯涌出量 4．606 m3/min ～15．816 m3/min，其瓦斯壓力、瓦斯含量、瓦斯涌出量均屬高瓦斯工區(qū)。為此，設(shè)計文件明確要求開展綜合物探超前探測以及水平鉆孔超前探測來進行超前地質(zhì)預報，探測煤層位置，為揭煤施工提供依據(jù)。

2 超前預報的依據(jù)和必要性

在煤系地層中修建隧道，瓦斯爆炸和瓦斯燃燒以及煤塵爆炸等地質(zhì)災害是隧道建設(shè)主要應防止發(fā)生的地質(zhì)災害。瓦斯突出是形成瓦斯爆炸的主要原因。根據(jù)地勘資料，在隧道穿越的主要6層煤層中，C2，C3屬一般突出危險。根據(jù)鐵建設(shè)函［2006］340號《關(guān)于進一步加強鐵路隧道施工超前地質(zhì)預報工作的通知》要求，為探明掌子面前方的地質(zhì)情況、煤層位置及產(chǎn)狀、瓦斯賦存等，以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)(洞內(nèi)地質(zhì)素描)，以超前鉆探法為主，結(jié)合多種物探手段進行綜合超前地質(zhì)預報。

圖1 隧道穿越含煤地層示意圖

3 瓦斯隧道地質(zhì)預報的特點

1)瓦斯是指隧道在施工過程中產(chǎn)生的各種有害氣體的總稱。煤層中的瓦斯主要以甲烷為主，無色、無味、無嗅、可以燃燒或者爆炸。因此對超前地質(zhì)預報提出了更嚴格的要求：進洞人員禁止穿化纖服裝，禁止攜帶易燃、易爆物品，進洞的設(shè)備儀器必須防爆。

2)瓦斯的生成、運移、賦存和聚集，受地質(zhì)條件的控制。一是煤層圍巖，二是煤層埋深，三是該地區(qū)的水文地質(zhì)，四是煤體結(jié)構(gòu)，五是地質(zhì)構(gòu)造情況，六是煤的變質(zhì)程度。三聯(lián)隧道煤層段地質(zhì)圍巖主要為泥頁巖、砂巖，其孔隙率與滲透性均低，對煤層瓦斯的封閉性良好;煤層埋深在142 m～181 m之間，其埋深較淺;受明德斷層推扭，巖層產(chǎn)狀由緩變陡到近于直立，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，局部的擠壓帶可能封閉向地表釋放瓦斯的通道，可能形成瓦斯聚集帶。

3)瓦斯的逸出具有一定的隨機性。因此準確預報掌子面前方的地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水的賦存情況是必要條件。

4 預報工作方法及內(nèi)容

由于該隧道為高風險隧道，采用了多種方法開展超前地質(zhì)預報，主要有：洞內(nèi)地質(zhì)素描、紅外探水法、TSP203+超前地質(zhì)預報法以及超前水平探孔等等，其中超前水平探孔為主要的施工方法。以上方法互相補充，形成了遠、中、近三種距離的綜合超前地質(zhì)預報體系。

超前水平探孔是TSP203+超前地質(zhì)預報的驗證和補充。在探測過程中由地質(zhì)工程師觀察鉆孔揭示的地質(zhì)情況，做好相應記錄，探孔結(jié)束后提供鉆孔柱狀圖和鉆探報告。三聯(lián)隧道煤層段采用MKD-5S型全液壓坑道鉆機實施超前水平探孔。超前鉆孔數(shù)量1個～5個不等，一般左邊的孔左偏5°，仰角3°，右邊的鉆孔右偏5°，下俯3°，中間的鉆孔從起拱線以下2．5 m施作，仰角5°。另外兩個孔的角度根據(jù)現(xiàn)場情況另定(見圖2)。

圖2 超前水平探孔

5 應對超前水平探孔時瓦斯異常的措施

由于地質(zhì)構(gòu)造的復雜性和多變性，超前地質(zhì)預報預測的位置是根據(jù)其成果圖解譯推算出的隧道穿過煤層大致位置。對于煤層是否有突出危險，必須掌握煤層的準確位置和參數(shù)，才能不致誤穿煤層造成突出事故。因此，準確掌握煤層位置和參數(shù)是必須的，同時進行超前探煤也可以了解煤層及瓦斯動力現(xiàn)象，為煤層是否有突出危險性判斷預測打下基礎(chǔ)。

在實施超前水平探孔過程中，除專業(yè)人員在掌子面采用五點式檢測瓦斯?jié)舛韧?，安排一名專職瓦檢員檢測孔內(nèi)瓦斯?jié)舛?，至少?．5 m(每次提鉆)檢查一次。如果出現(xiàn)頂鉆、夾鉆、噴孔等動力現(xiàn)象時，就可以判斷該開挖工作面為瓦斯突出危險工作面，應立即切斷鉆機電源，停止鉆進，同時觀測鉆孔內(nèi)瓦斯涌出的情況，如果動力學現(xiàn)象不明，需進一步按臨界指標法進行確認。對于鉆孔采取的芯樣，按照回次、進尺排列好，請專業(yè)人員加以判斷。如果掌子面出現(xiàn)瓦斯聚集或者瓦斯?jié)舛瘸迺r，所有人員應撤到安全的地方，同時并加大送風量，待恢復安全值以內(nèi)時方可繼續(xù)施工。

6 超前水平探孔過程及結(jié)果

1)在距煤層15 m～20 m(垂距)處的開挖工作面鉆1個超前鉆孔，初探煤層位置;

2)在距初探煤層10 m(垂距)處的開挖工作面鉆3個超前鉆孔，分別探測開挖工作面前方上部及左右部位煤層位置，并采取煤樣和氣樣進行物理、化學分析和煤層瓦斯參數(shù)測定，在現(xiàn)場進行瓦斯及天然氣含量、涌出量、壓力等測試工作;

3)按各孔見煤、出煤點計算煤層厚度、傾角、走向及與隧道的關(guān)系，并分析煤層頂、底板巖性;

4)掌握并收集鉆孔過程中的瓦斯動力現(xiàn)象。

在距煤層垂距5 m處的開挖工作面打瓦斯測壓孔，進行瓦斯突出危險性預測，測定煤層瓦斯壓力，煤的瓦斯放散初速度與堅固性系數(shù)，鉆屑瓦斯解吸指標等。采用瓦斯壓力法、綜合指標法或鉆屑指標法等進行瓦斯突出危險性預測。當預測煤與瓦斯有突出危險時，施作瓦斯排放孔。由于本隧道預測煤層與隧道中線的夾角較小(20°)，故采用分段排放的方式(三步排放)。瓦斯排放措施實施后，應進行瓦斯排放效果檢驗，以確認是否有效。若無突出危險，采用震動放炮措施揭煤。揭煤以及在煤層掘進時，放炮點應設(shè)在洞外，放炮時，隧道必須停電，全部人員撤至洞外，人員及機電設(shè)備，不要正對洞門，洞門附近滅絕火源。在爆破30 min后瓦檢員首先檢查通風情況，確認通風正常后進入洞內(nèi)檢查瓦斯?jié)舛龋敉咚節(jié)舛瘸瑯藙t應進一步加強通風直至瓦斯檢測濃度符合作業(yè)要求。

瓦斯自動監(jiān)測系統(tǒng)以及瓦檢員檢測的結(jié)果表明：在正常通風的情況下，未放炮時隧道內(nèi)風流中瓦斯?jié)舛葹?，放炮后短時間內(nèi)有瓦斯涌出，最大濃度可達0．4%，放炮后18 min～25 min隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛冉档健惰F路隧道施工規(guī)范》允許的濃度。

三聯(lián)隧道分別從煤層地段的正、反方向?qū)嵤┝?1次超前水平探孔，鉆探結(jié)果顯示，隧道多次穿越煤線、煤層以及砂巖、頁巖、泥巖和炭質(zhì)泥頁巖，巖層較為破碎，部分地段存在裂隙水，最大穿煤長度3．7 m。鉆孔結(jié)果見表1。

表1 三聯(lián)隧道超前水平探孔資料匯總表

7 體會和建議

在隧道實際開挖過程中，所揭示的煤層地段與超前預報的結(jié)果基本吻合。目前，該隧道已于2012年4月順利貫通，未發(fā)生一起與瓦斯有關(guān)的安全事故。事實證明，在瓦斯隧道施工過程中，綜合超前地質(zhì)預報是一種非常有效的手段和管理措施。只要認真實施，隧道的施工安全就可以得到保證。

目前，超前地質(zhì)預報已經(jīng)作為一道工序納入到施工過程中，受技術(shù)發(fā)展水平的限制，沒有哪一種方法可以解決施工中遇到的所有地質(zhì)問題，因此采取多種技術(shù)方法進行綜合超前地質(zhì)預報就顯得尤為重要。

［1］張立云，李 榮，周長興．超前地質(zhì)預報在洪福高瓦斯隧道施工過程中的應用［J］．西南公路，2010(4)：23-25．

［2］鐵道部．鐵路隧道超前地質(zhì)預報技術(shù)指南［S］．

［3］張子敏，張玉貴．瓦斯地質(zhì)規(guī)律與瓦斯預測［M］．北京：煤炭工業(yè)出版社，2005．

［4］TB 10120-2002，鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范［S］．

Application of advanced geological forecast in high gas tunnel construction

LI Li-gong

(China Railway Tunnel Survey＆ Design Institute Co．，Ltd，Tianjin 300133，China)

Taking Sanlian high gas tunnel successfully crossing coal stratum as an example，the paper analyzes advanced geological forecast methods and contents in the tunnel construction，mainly describes advanced horizontal hand-hole methods，and points out the significance of comprehensive advanced geological forecast by applying various techniques．

advanced geological forecast，advanced horizontal hand-hole，tunnel

U452．1

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.059

1009-6825(2013)10-0165-03

2013-01-29

李立功(1968-)，男，高級工程師