渝廣高速華鎣山隧道瓦斯超前預(yù)測預(yù)報技術(shù)

余世剛

摘 要：隨著國家中西部道路建設(shè)的不斷發(fā)展，公路隧道修建的數(shù)量也越來越多，“煤與瓦斯、巖溶、涌（突）水、斷層、高地應(yīng)力”等有害地質(zhì)現(xiàn)象給施工造成極大的難度和危害。為滿足安全生產(chǎn)的需求，本文現(xiàn)對渝（重慶）廣（四川廣安）高速華鎣山隧道進(jìn)行了瓦斯超前探測等預(yù)測預(yù)報技術(shù)，擬有效發(fā)現(xiàn)“煤與瓦斯、巖溶、涌（突）水、斷層、高地應(yīng)力”等有害地質(zhì)現(xiàn)象；預(yù)先探測發(fā)現(xiàn)地質(zhì)破碎帶和含水帶地質(zhì)形態(tài)及構(gòu)造類型；探測地質(zhì)破碎帶瓦斯富集規(guī)律；探測含煤段煤層產(chǎn)狀、瓦斯參數(shù)；探測開采礦井采空區(qū)狀態(tài)。

關(guān)健詞：隧道瓦斯；超前鉆探；預(yù)測預(yù)報

中圖分類號：U456 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-3791（2015）8（c）-0000-00

1 前言

隨著國家中西部道路建設(shè)的不斷發(fā)展，公路隧道修建的數(shù)量也越來越多，“煤與瓦斯、巖溶、涌（突）水、斷層、高地應(yīng)力”等有害地質(zhì)現(xiàn)象給施工造成極大的難度和危害。渝（重慶）廣（四川廣安）高速華鎣山隧道施工過程中煤與瓦斯現(xiàn)象的危害十分嚴(yán)重。根據(jù)都汶高速紫坪鋪隧道[1]和銅鑼山隧道[2]、廣鄰高速華鎣山隧道[3]、成渝高速中梁山[4]、以及雅瀘高速公路勒布果喇吉隧道[5]等高瓦斯隧道鉆探施工經(jīng)驗(yàn)，對隧道進(jìn)行瓦斯超前探測可以及時預(yù)測施工隧道前方瓦斯壓力、瓦斯流量、其他不良地質(zhì)現(xiàn)象，極大的降低了隧道施工的危險性和難度，為施工提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

2地質(zhì)概況

渝（重慶）廣（四川廣安）高速公路華鎣

山隧道進(jìn)口位于北碚區(qū)靜觀鎮(zhèn)西山村，出口位于合川區(qū)清平鎮(zhèn)桃李園村，隧道左右洞長度分別為5018和5000m，進(jìn)出口樁號為分別ZK23+467～ZK28+485、K23+467～K28+467。隧道橫穿華鎣山背斜中部，總體走向?yàn)镹59°W。隧道設(shè)計(jì)為相距30m分修的雙洞三車道，人字形縱坡，凈空高度8.0m寬度12.5m。

2.1地層巖性

華鎣山隧道洞身穿越的地層分別為：第四系全新統(tǒng)松散堆積層（Q4）；侏羅系中、下統(tǒng)新田溝組（J2x）、自流井組（J1-2z）、珍珠沖組（J1z）的碎屑巖；三疊系上統(tǒng)須家河組（T3xj）的碎屑巖，中下統(tǒng)雷口坡組（T2l）、嘉陵江組（T1j）的可溶巖，飛仙關(guān)組（T1f）的可溶巖與非可溶巖互層；二疊系上統(tǒng)長興組（P2c）、龍?zhí)督M（P2l）的可溶巖與非可溶巖。其中可溶碳酸鹽巖在隧址區(qū)出露面積較廣，約占40%。華鎣山隧道穿越地層圖見圖1。

圖1 華鎣山隧道穿越地層圖

Fig.1 stratigraphic map of Huaying mountain tunnel

2.2地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域內(nèi)構(gòu)造較發(fā)育，以川東隔檔式構(gòu)造為框架，形成具有明顯特征的“重慶褶皺束”，重慶褶皺束由一系列平行雁行排列的隔擋式梳狀褶皺構(gòu)造和走向壓性斷裂組成，呈NNE向展布，在川東隔擋式褶皺中，華鎣山背斜、銅鑼山背斜、明月山背斜延伸最長，而華鎣山復(fù)式背斜構(gòu)造南端在合川區(qū)三匯鎮(zhèn)撒開，形成向北東收斂的華鎣山帚狀構(gòu)造帶，包括瀝鼻峽、溫塘峽和觀音峽背斜。隧道位于華鎣山帚狀褶皺束，區(qū)內(nèi)有西山、瀝鼻峽、溫塘峽、觀音峽、龍王洞等背斜及其間的向斜，是該帚狀褶皺束的南延部分，其主要特點(diǎn)是背斜褶皺緊密，兩翼不對稱多西陡東緩，背斜軸線扭擺多彎曲，呈反“S”型，軸向傾斜變化多，構(gòu)造分支多，獨(dú)立高點(diǎn)多，斷裂多。華鎣山隧道穿越構(gòu)造為觀音峽背斜，并發(fā)育多條斷層，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜。華鎣山隧道區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造見圖2。

圖2 華鎣山隧道區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖

Fig.2 geological structure map of area around Huaying mountain tunnel

2.3不良地質(zhì)體

華鎣山地質(zhì)體類型很多，如一般巖體破碎帶、斷層、軟弱地層、巖爆段、巖溶、地下水、土洞、膨脹巖、煤層及瓦斯發(fā)育段等，查閱《重慶渝北至四川廣安高速公路（重慶段）TJ-2標(biāo)段工程地質(zhì)詳細(xì)勘察》[6]等有關(guān)地質(zhì)資料可知，渝廣高速華鎣山隧道的施工中，構(gòu)造地帶和煤層地段對施工的危害最為嚴(yán)重，對這些不良地質(zhì)體進(jìn)行瓦斯超前鉆探預(yù)測預(yù)報，在有效的預(yù)測煤與瓦斯的同時，也可以及時的發(fā)現(xiàn)涌（突）水、老窯采空區(qū)等現(xiàn)象。

3隧道瓦斯超前鉆探預(yù)測預(yù)報技術(shù)

目前，在煤礦、隧道，超前預(yù)測預(yù)報常用方法主要有三類：地質(zhì)編錄法、物探法和鉆探法[7]。

地質(zhì)編錄法是在地質(zhì)勘查、勘探中，用文字、圖件、影像、表格等形式，把地質(zhì)勘探和礦山生產(chǎn)過程所觀測的地質(zhì)現(xiàn)象和礦產(chǎn)特點(diǎn)，采樣、分析以及綜合研究的結(jié)果，系統(tǒng)、客觀地加以反映的工作。它為研究工作地區(qū)的地質(zhì)和礦產(chǎn)規(guī)律，評價和開發(fā)礦床，提供準(zhǔn)確、可靠的資料。其不足之處除了整個過程時間跨度大、工作量艱巨、成本預(yù)算高之外，地質(zhì)編錄法不能及時、有效、精確的發(fā)現(xiàn)隧道施工過程前方的不良地質(zhì)條件，對于具有突發(fā)性災(zāi)害的煤與瓦斯隧道施工十分局限。

地質(zhì)雷達(dá)短距離物探法根據(jù)地震波的回波原理，雷達(dá)發(fā)射天線向隧道掌子面前方或隧道底部連續(xù)發(fā)射脈沖式高頻電磁波，當(dāng)遇到有電性差異的界面或目標(biāo)體（介電常數(shù)和電導(dǎo)率不同）時即發(fā)生反射波和透射波。接收天線接收反射波并經(jīng)電纜傳遞給主機(jī)，在主機(jī)顯示屏上形成實(shí)時的時間剖面。根據(jù)記錄到的反射波的到達(dá)時間和求得的電磁波在介質(zhì)中的傳播速度，確定界面或目標(biāo)體的深度；同時根據(jù)反射波的形態(tài)、強(qiáng)弱及其變化等因素來判定前方地層的地質(zhì)力學(xué)參數(shù)[8]。其不足之處除了探測距離較小外，不同的解釋人員因?yàn)閷忉尲夹g(shù)和對當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)構(gòu)造的掌握不一，可能會造成不一致的解釋結(jié)果，特別是對異常的定性解釋更是如此，我國某科研單位在福建某隧道進(jìn)行超前探測時甚至給委托方造成了地質(zhì)雷達(dá)不能用來進(jìn)行超前探測的錯覺[9]。

鉆探法是超前地質(zhì)鉆探主要采用沖擊鉆和回轉(zhuǎn)取芯鉆，二者搭配使用來探測前方圍巖的地質(zhì)情況。一般根據(jù)沖擊鉆響聲、鉆孔速度、卡鉆狀況等來粗略預(yù)報巖石強(qiáng)度、暗河及地下水發(fā)育程度、煤與瓦斯等地質(zhì)情況[10]。鉆探技術(shù)超前預(yù)測預(yù)報具有更直接和更準(zhǔn)確的特點(diǎn)，能準(zhǔn)確有效地預(yù)報掌子面前方煤巖體的地質(zhì)情況，及時測定瓦斯參數(shù)和含水參數(shù)，同時還可以預(yù)排掌子面前方煤巖體瓦斯、巖溶水和裂隙水，能有效控制隧道瓦斯和水異常涌出，有效預(yù)防瓦斯事故和透水事故的發(fā)生[11]。

3.1隧道瓦斯超前鉆探鉆孔常規(guī)布置方式

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》和《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》規(guī)定，為了保證探測準(zhǔn)確可靠，有效控制危險區(qū)域，在隧道開挖橫斷面上分上中下布置1～3排鉆孔，鉆孔深度為30～50m。石門揭煤應(yīng)在端面上打不少于5個鉆孔。正常地帶應(yīng)視情況在開挖掌子面分上中下至少應(yīng)布置3個鉆孔。為了保證施工安全，防止承壓瓦斯和承壓水大量瞬間涌入隧道開挖空間，每循環(huán)鉆孔超前距離不得少于5～10m，以保證有足夠的安全屏障巖柱。

為了準(zhǔn)確探測坍塌區(qū)和巖石松散體前方原始巖體情況，在坍塌區(qū)和巖石松散體區(qū)段還應(yīng)結(jié)合自進(jìn)錨桿支護(hù)，采用從隧道開挖線和隧道中部范圍內(nèi)的掌子面分上中下布置3排多個20～30m長的超前鉆孔對坍塌區(qū)和巖石松散體前方巖體實(shí)施補(bǔ)充探測。

在隧道坍塌區(qū)和巖石松散體區(qū)段，為了不至于對隧道上方坍塌區(qū)造成擾動，進(jìn)一步擴(kuò)大坍塌區(qū)域，在掌子面設(shè)計(jì)采用風(fēng)動鉆機(jī)實(shí)施打鉆。

3.2復(fù)雜不良地質(zhì)體條件下超前鉆探孔布置方式

在構(gòu)造地帶和煤層地段的探測鉆孔數(shù)量應(yīng)大于正常地帶，由于高速公路瓦斯隧道瓦斯異常涌出都發(fā)生在地質(zhì)構(gòu)造地帶和煤層地段。而且為了有效控制隧道開挖范圍的地質(zhì)構(gòu)造和煤層，以及構(gòu)造帶和煤層中的瓦斯賦存情況，在構(gòu)造地帶和煤層地段的瓦斯超前鉆孔數(shù)量應(yīng)增加為5個，鉆孔長度縮短為30m，鉆孔安全超前距離10m，超前范圍內(nèi)控制隧道開挖線外5m。

在坍方、采空區(qū)和松散巖體地段具有巖體松散特性，因此瓦斯超前鉆探應(yīng)結(jié)合坍方、采空區(qū)和松散巖體自進(jìn)錨桿注漿固化鉆孔相結(jié)合。超前鉆探鉆孔參數(shù)采用：鉆孔數(shù)量5個以上，鉆孔深度為30m，鉆孔直徑Φ65mm，鉆孔在10m超前保護(hù)范圍內(nèi)控制隧道開挖線外5m。自進(jìn)錨桿注漿固化鉆孔參數(shù)采用：鉆孔數(shù)量30～40個（鉆孔孔底間距小于400mm），鉆孔深度20m，鉆孔直徑Φ108mm，鉆孔終孔點(diǎn)控制隧道開挖輪廓線外5m以上

3.3瓦斯預(yù)測工藝

瓦斯探測主要采用記錄打鉆過程中的瓦斯涌出、巖性變化和測定鉆孔瓦斯壓力、流量、流量衰減系數(shù)為主，以及隧道開挖空間的瓦斯變化情況和開挖端面巖體的變化情況。鉆孔瓦斯參數(shù)測試如圖3所示。

注：1-鉆孔；2-測壓管；3-壓力表；4-閥門；5-流量計(jì)；6-鉆孔封孔段；7-煤層

1-drilling， 2-piezometric tube， 3-pressure gauge， 4-valve， 5-flowmeter， 6-sealing part， 7-coal seam

圖3鉆孔瓦斯參數(shù)測試工藝

Fig.3 technology of detecting gas parameter in drilling

3.4超前探測鉆孔施工安全

由于鉆孔施工時對前方和周邊巖體的擾動較大，因此在坍方、采空區(qū)和松散巖體地帶鉆孔施工時要求對開挖端面實(shí)施錨噴加固，以確保打鉆過程的安全，減少因打鉆對開挖端面的破壞，以免進(jìn)一步擴(kuò)大塌方。

坍方、采空區(qū)和松散巖體超前鉆孔施工程序?yàn)椋核淼勒谱用驽^噴固化——掌子面探測鉆孔施工——瓦斯預(yù)測——瓦斯抽排——超前支護(hù)鉆孔施工。

3.5瓦斯治理工程

當(dāng)鉆孔瓦斯涌出量大且衰減系數(shù)較小時，證明裂隙瓦斯有補(bǔ)充源，這時就應(yīng)采用裂隙瓦斯抽排措施。由于隧道的供風(fēng)量只能保證2000～3000m3/min，因此隧道實(shí)際排瓦斯的最大能力為10～15m3/min。如果按照鉆孔瓦斯涌出量和衰減系數(shù)預(yù)測隧道瓦斯涌出超過5～7.5m3/min時就應(yīng)該采用邊開挖邊抽排瓦斯的措施。

4隧道瓦斯超前探測實(shí)際應(yīng)用

4.1以施工過程中探測到采空區(qū)為例

根據(jù)《重慶渝北至四川廣安高速公路（重慶段）TJ-2標(biāo)段工程地質(zhì)詳細(xì)勘察》顯示，在隧道出口左線ZK28+091揭露三疊系須家河組T3xj5外雙連煤層采空區(qū)，為準(zhǔn)確的探測采空區(qū)位置以及采空區(qū)走向傾向等地質(zhì)參數(shù)。在ZK28+112上臺階施工5個超前鉆孔，鉆孔分別控制隧道前方12～30m范圍，施工結(jié)束后根據(jù)鉆孔深度，推進(jìn)速度以及瓦斯?jié)舛韧茰y掌子面ZK28+112前方采空區(qū)形態(tài)如圖4所示。推測在掌子面ZK28+112前方最近9.5米處揭露采空區(qū)。采空區(qū)與隧道走向夾角48°2′。經(jīng)過4天施工，隧道在左側(cè)最先揭露采空區(qū)，采空區(qū)樁號為ZK28+103，與預(yù)測值只有0.5m誤差。

圖4 掌子面ZK28+112前方采空區(qū)預(yù)測圖

Fig.4 Goaf prediction in front of tunnel face（ZK28+112）

4.2以施工過程中探測到煤層為例

根據(jù)《重慶渝北至四川廣安高速公路（重慶段）TJ-2標(biāo)段工程地質(zhì)詳細(xì)勘察》，隧道出口左線在 ZK28+073泡炭煤層、ZK28+068硬炭煤層，為確保施工的安全進(jìn)行以及準(zhǔn)確探測前方煤層走向、傾向、傾角等重要參數(shù)，在ZK28+76上臺階施工5個超前鉆孔，鉆孔分別控制隧道前方0～60m范圍，施工結(jié)束后根據(jù)鉆孔深度，推進(jìn)速度以及瓦斯?jié)舛韧茰y在掌子面ZK28+76前方煤層分布情況如圖5所示，出口左線ZK28+076掌子面上臺階左下角前方16.8m發(fā)現(xiàn)2.6m厚煤層、31.2m發(fā)現(xiàn)厚0.5m煤層，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)隧道施工過程中的煤層，為隧道的開挖提供了重要的施工依據(jù)。

圖5掌子面ZK28+076前方煤層預(yù)測圖

Fig.4 Coal seam prediction in front of tunnel face（ZK28+076）

5結(jié)語

華鎣山隧道瓦斯超前鉆探預(yù)測預(yù)報技術(shù)，及時預(yù)測隧道施工過程前方巖體破碎程度及范圍、巖體裂隙及發(fā)育情況、采空區(qū)或巖體空洞范圍及大小、前方巖體瓦斯賦存及瓦斯涌出情況、巖體瓦斯壓力、瓦斯含量、突發(fā)性噴出等特殊情況。極大的的降低了巷道施工的危險性和難度，為施工提供了堅(jiān)實(shí)的保障，是渝廣高速華鎣山隧道施工過程中不可缺少的重要實(shí)施方案，為我國的高瓦斯隧道施工建設(shè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

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