渝黔鐵路天坪隧道有害氣體預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法

張忠愛， 楊仁春

(1. 中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司， 重慶 401123； 2. 中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司， 天津 300133)

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渝黔鐵路天坪隧道有害氣體預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法

張忠愛1， 楊仁春2

(1. 中鐵隧道集團(tuán)一處有限公司， 重慶 401123； 2. 中鐵隧道勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司， 天津 300133)

天坪隧道穿越含有害氣體非煤地層，為解決采用大量地質(zhì)鉆探預(yù)報(bào)成本高且嚴(yán)重影響施工進(jìn)度的問題，根據(jù)前期有害氣體的出現(xiàn)位置以及巖層厚度、產(chǎn)狀等信息，利用隧道與巖層走向間的已知條件，采用區(qū)域地層厚度和產(chǎn)狀測(cè)量、隧道與巖層關(guān)系投影計(jì)算、斜井預(yù)報(bào)正洞等綜合預(yù)報(bào)方法，計(jì)算出有害氣體在某一巖層的賦存范圍，進(jìn)而推測(cè)出下一階段有害氣體在隧道內(nèi)出現(xiàn)的位置，然后通過少量鉆探進(jìn)行驗(yàn)證，使超前地質(zhì)鉆孔更有針對(duì)性，可大大縮減鉆孔數(shù)量，節(jié)約施工時(shí)間。天坪隧道采用該方法取得了較好的應(yīng)用效果，能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)有害氣體的位置，為提前進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化和施工組織提供依據(jù)。

渝黔鐵路； 天坪隧道； 有害氣體預(yù)報(bào)； 地質(zhì)投影計(jì)算； 巖層產(chǎn)狀； 地質(zhì)鉆探

0 引言

深埋長(zhǎng)隧道通常穿越復(fù)雜的地質(zhì)條件,在施工過程中常遇到一系列特殊的地質(zhì)災(zāi)害問題, 如巖爆、有害氣體、高壓涌水、高地溫等，其中，有害氣體因會(huì)惡化隧道施工條件甚至造成災(zāi)難性破壞而受到廣泛關(guān)注[1]。 采取有效的方法對(duì)有害氣體進(jìn)行預(yù)報(bào)并提前采取對(duì)策，對(duì)深埋長(zhǎng)大隧道的工程實(shí)踐具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[2]。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于隧道施工領(lǐng)域有害氣體預(yù)報(bào)技術(shù)的研究多側(cè)重于煤層瓦斯預(yù)報(bào)方面，主要是把煤層作為軟弱夾層，通過物探法和地質(zhì)法來預(yù)報(bào)煤層瓦斯[3-4],如： 梅嶺關(guān)隧道[5]、通渝隧道[6]采用超前鉆孔探測(cè)瓦斯，蘭渝鐵路LYS-10標(biāo)瓦斯隧道群采用超前探孔及加深炮眼探測(cè)瓦斯[7]。非煤系地層瓦斯含量低、壓力小，在隧道影響區(qū)域普遍存在[8]，要準(zhǔn)確預(yù)報(bào)瓦斯出沒和匯聚情況，應(yīng)根據(jù)圍巖的完整性和裂隙、破碎帶的位置、規(guī)模和性質(zhì)等選擇地質(zhì)法或物探法[9]，其中以地質(zhì)法為主，主要采取超前鉆孔探測(cè)瓦斯。這種先施工超前地質(zhì)鉆孔，再通過鉆孔進(jìn)行有害氣體監(jiān)測(cè)的預(yù)報(bào)方法，需要施工大量超前地質(zhì)鉆孔，預(yù)報(bào)成本高，且嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。本文從區(qū)域地質(zhì)角度出發(fā)，通過地質(zhì)調(diào)查，對(duì)有害氣體的發(fā)育機(jī)制及其附著地層的巖性、厚度、標(biāo)志層、產(chǎn)狀進(jìn)行分析，結(jié)合隧道線路走向、類似工程或同一工程的斜井、橫洞、平導(dǎo)同種地層氣體的逸出情況，再通過投影計(jì)算得出隧道穿越地段有害氣體發(fā)育范圍，輔以少量孔內(nèi)有害氣體檢測(cè)驗(yàn)證，可以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出有害氣體的發(fā)育位置。

1 工程概況

天坪隧道工程布置見圖1，為渝黔鐵路(重慶至貴陽鐵路)的重點(diǎn)控制性工程，Ⅰ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道，全長(zhǎng)13 978.252 m，單洞雙線，設(shè)計(jì)速度為200 km/h，最大埋深980 m。穿越地層為灰?guī)r、泥巖和頁巖，灰?guī)r占50%，泥、頁巖占50%，灰?guī)r分布在進(jìn)口段和出口段，泥、頁巖分布在隧道中部。以酒店埡背斜核部為界，以北巖層平緩，部分接近水平，以南巖層陡傾，部分接近直立。主要地質(zhì)構(gòu)造有堯龍山向斜、酒店埡背斜和8個(gè)斷層破碎帶。地質(zhì)條件極為復(fù)雜，存在瓦斯突出煤層、高地應(yīng)力、巖溶、有害氣體、水平巖層、高地溫等諸多不良地質(zhì)。輔助坑道設(shè)置為“平導(dǎo)+斜井+橫洞(主副井)”。隧道為人字坡，最高點(diǎn)在DK124+400，洞頂標(biāo)高為740 m?？辈煸O(shè)計(jì)階段地表地質(zhì)鉆孔9個(gè)，其中DZ-3、DZ-5號(hào)鉆孔鉆進(jìn)時(shí)曾逸出有害氣體，在孔口可點(diǎn)燃。DZ-5號(hào)鉆孔位于斜井出口方向，巖層傾角很小，接近水平，其穿過的各地層厚度即可視為真實(shí)厚度。施工圖設(shè)計(jì)推斷天坪隧道在DK116+565～+920、DK121+000～DK125+880共5 235 m施工期間可能揭示有害氣體。

(a) 平面圖

(b) 剖面圖

2 施工期間有害氣體檢測(cè)及探測(cè)情況

2.1 氣體檢測(cè)及成分分析

斜井施工過程中，檢測(cè)到有害氣體地段為XDK2+000～XDK1+200(800 m)，逸出點(diǎn)主要集中在XDK1+999、XDK1+311、XDK1+242里程附近，從部分探孔和隧底裂隙逸出，搜集逸出氣體送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校驗(yàn)確定為瓦斯，成分分析結(jié)果見表1。

2.2 成因分析

天坪隧道進(jìn)口及斜井穿越的主要地層有泥巖、頁巖和灰?guī)r，不存在含煤、石油地層和構(gòu)造，但含有豐富的腕足類、筆石、三葉蟲等古生物化石，據(jù)此可以判斷其儲(chǔ)存氣體為頁巖瓦斯，成因是沉積巖地層形成過程中，沉積有機(jī)質(zhì)經(jīng)微生物降解、發(fā)酵和合成作用，形成以甲烷為主的瓦斯[10]。

2.3 有害氣體探測(cè)手段

目前國(guó)內(nèi)還沒有隧道施工超前探測(cè)氣體發(fā)育位置的物探手段，比較有效的手段是先施工超前地質(zhì)探孔，然后在孔內(nèi)對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)，但探測(cè)距離短、范圍小。如果全隧道都進(jìn)行鉆孔檢測(cè)瓦斯，將增加大量的超前地質(zhì)鉆探工作，延緩施工進(jìn)度，給施工工期造成巨大壓力。因此，需要分析已經(jīng)掌握的地質(zhì)資料，結(jié)合地面調(diào)查、地質(zhì)素描，從出氣地層層序、層位、厚度、產(chǎn)狀等信息分析隧道洞身可能逸出頁巖瓦斯的目標(biāo)段落，在這些目標(biāo)段落內(nèi)施作超前地質(zhì)探孔，并進(jìn)行甲烷檢測(cè)，可以大大減少鉆探工作量，從而更經(jīng)濟(jì)、有效地對(duì)隧道內(nèi)有害氣體進(jìn)行超前探測(cè)。

表1 有害氣體成分分析

3 有害氣體的地質(zhì)條件分析及部位預(yù)測(cè)

3.1 出氣地層層位、層序分析

根據(jù)地表DZ-5號(hào)地質(zhì)深孔可知，鉆探過程中有氣體逸出的地層是O2+3，其上覆地層為S1l，下伏地層為O1m； DZ-3號(hào)孔揭示有害氣體的位置并不確定，但與DZ-5號(hào)孔對(duì)照，也包含在O2+3和O1m兩地層內(nèi)。XDK2+000～XDK1+200段開挖揭示圍巖為O2+3、O1m和S1l地層，與DZ-5號(hào)鉆孔出氣地層一致。根據(jù)上述分析可知隧道穿越含氣地層是O2+3奧陶系中上統(tǒng)灰?guī)r、O1m奧陶系下統(tǒng)泥巖頁巖和S1l志留系下統(tǒng)龍馬溪組頁巖。

3.2 施工逸出氣體段落及長(zhǎng)度分析

斜井瓦斯地層位置及長(zhǎng)度見圖2。斜井施工區(qū)段穿越O2+3灰?guī)r長(zhǎng)度l1w=340 m，全層都包含在瓦斯逸出地段內(nèi)，O1m泥、頁巖和S1l頁巖只有部分地層出氣，出氣地層長(zhǎng)度分別為l2w=300 m和l3w=160 m。

圖2 斜井瓦斯地層位置及長(zhǎng)度示意圖(單位： m)

Fig. 2 Position of gas contained formation and its length in inclined shaft (m)

3.3 瓦斯逸出地層標(biāo)高分析

DZ-5號(hào)鉆孔在O2+3層底標(biāo)高h(yuǎn)1-1=818 m，層頂標(biāo)高h(yuǎn)1-2=918 m，可知O2+3全層出氣，真實(shí)厚度h1w=100 m，各地層產(chǎn)狀一致，根據(jù)瓦斯逸出地層厚度比例關(guān)系計(jì)算O1m出氣層真實(shí)厚度h2w=100×300/340≈88 m，S1l出氣層真實(shí)厚度h3w=100×160/340≈47 m。計(jì)算出O1m出氣層底標(biāo)高h(yuǎn)2=730 m，S1l出氣層層頂標(biāo)高h(yuǎn)3=965 m。如果巖層產(chǎn)狀水平，可以劃出出氣帶位與線路關(guān)系。

3.4 出氣段落分析

3.4.1 進(jìn)口與斜井工區(qū)

根據(jù)已開挖段揭示巖層產(chǎn)狀分析： 斜井工區(qū)向進(jìn)口方向出氣層位標(biāo)高不斷升高，不斷偏離隧道，所以進(jìn)口與斜井之間不存在含氣地層； 斜井工區(qū)向出口方向處于堯龍山向斜核部，巖層水平，埋深較大，圍巖節(jié)理密閉，透氣性差，根據(jù)出氣地層標(biāo)高計(jì)算出從DK123+000起至酒店埡背斜核部(DK124+746)位于含氣地層內(nèi)，長(zhǎng)約1 746 m(見圖3)。

圖3 進(jìn)口與斜井工區(qū)含氣地段分布圖(單位: m)

Fig. 3 Distribution of harmful gas contained formation in entrance section and inclined shaft (m)

3.4.2 出口工區(qū)

酒店埡背斜南翼地層產(chǎn)狀變陡傾，該段必定要穿越含氣地層。根據(jù)巖層產(chǎn)狀及其與線路間的空間關(guān)系可以估算出線路穿越含氣地層的長(zhǎng)度。

3.4.3 探測(cè)效果

通過上述計(jì)算可知天坪隧道穿越含瓦斯地層總長(zhǎng)約2 197 m，與原設(shè)計(jì)5 235 m相比減少了約3 km。施工開挖過程中揭示出的含氣地層與上述計(jì)算結(jié)果一致，縮減了大量鉆探和檢測(cè)工作。

圖4 DK125+880段巖層與線路空間關(guān)系(單位： m)

Fig. 4 Spacial relationship between strata and tunnel route at DK125+880 (m)

圖5 出口工區(qū)含氣地層分布位置(單位： m)

Fig. 5 Distribution of harmful gas contained formation in entrance section (m)

4 結(jié)論與討論

由于斷層、褶皺等地質(zhì)構(gòu)造會(huì)造成地層的錯(cuò)動(dòng)，同樣的地層在長(zhǎng)大隧道施工過程中往往會(huì)穿越幾次，利用已施工地段隧道地質(zhì)資料或隧道周邊深切溝谷內(nèi)出露的典型地質(zhì)剖面，采用地質(zhì)投影計(jì)算方法能從局部預(yù)測(cè)隧道整體的地質(zhì)情況。本方法能保證預(yù)報(bào)精度，為提前做好設(shè)計(jì)優(yōu)化和施工組織安排提供保障，既能減少大量的物探和鉆探工作，又能降低對(duì)施工的影響。本方法同樣適用于平導(dǎo)、橫洞、斜井與正洞之間的相互預(yù)報(bào)。

采用地質(zhì)投影計(jì)算方法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)適用于層狀發(fā)育且有地層界線和標(biāo)志層的巖層，對(duì)于呈層狀發(fā)育的煤層、放射性物質(zhì)、有害氣體等地層均有效。但該方法對(duì)巖溶的預(yù)報(bào)存在一定的局限性，原因在于巖溶發(fā)育不僅受控于圍巖層理、節(jié)理，還受地下水流向及各種隨機(jī)裂隙的影響，因此還需要針對(duì)巖溶問題將地質(zhì)分析與物探方法相結(jié)合，做進(jìn)一步研究和探討。

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Prediction Method for Harmful Gas in Tianping Tunnel on Chongqing-Guiyang Railway

ZHANG Zhongai1, YANG Renchun2

(1.TheFirstConstructionDivisionCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Chongqing401123,China;2.ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China)

Tianping Tunnel crosses non coal formations containing harmful gas. The harmful gas detection can not only depend on geophysical methods, and the cost would be increased and the construction period would be lengthened by carrying out a great deal of geological drilling work. In this paper, the storage range of harmful gas in a stratum is calculated and the position of harmful gas in further section is prediction by measuring thickness and attitude of strata, projection calculating relationship between tunnel and strata attitude and main tunnel prediction through inclined shaft, on the basis of position of existing harmful gas, thickness and attitude of strata and strike of tunnel and rock. And then little geological drilling work is conducted to verify the results. Good effect has been achieved and the results can provide reference for design optimization and construction organization of similar projects in the future.

Chongqing-Guiyang Railway; Tianping Tunnel; harmful gas prediction; geological projection calculation; attitude of stratum; geological drilling

2016-12-14;

2017-04-22

張忠愛(1975—)，男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，2000年畢業(yè)于武漢科技大學(xué)，采礦專業(yè)，本科，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事工程項(xiàng)目管理及公司市場(chǎng)開發(fā)工作。E-mail: saiwailang@sohu.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.05.014

U 456.3+3

A

1672-741X(2017)05-0618-04