川東北紅層地區(qū)引水隧洞有害氣體形成原因及安全施工對(duì)策研究

董 源,趙 芹,羅文品

(1.四川省水利發(fā)展集團(tuán)有限公司,成都 610094;2.四川省亭子口灌區(qū)建設(shè)開發(fā)有限公司,四川 南充 637000)

0 引言

川東北紅層主要由侏羅系和白堊系等中生代和新生代的土體經(jīng)陸相碎屑沉積形成,一般由砂泥巖等組成[1]。紅層巖體具有強(qiáng)度低、遇水易膨脹、軟化、崩解等工程特性,在隧洞開挖施工過(guò)程中易引起塑性大變形、局部坍塌等諸多地質(zhì)災(zāi)害問(wèn)題,其中,隧洞掘進(jìn)過(guò)程中有害氣體的產(chǎn)生和積聚日益引起設(shè)計(jì)和施工作業(yè)人員的重視。隧洞內(nèi)空間狹小且通風(fēng)條件差,有害氣體的產(chǎn)生不僅會(huì)給人員和設(shè)備帶來(lái)極大危害,且因其突然噴涌、燃燒或爆炸使隧道施工條件急劇惡化,容易引發(fā)安全事故[2]。

國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者針對(duì)紅層地區(qū)隧洞工程開挖產(chǎn)生有害氣體展開了相應(yīng)研究。任光明等[3]認(rèn)為地下有害氣體災(zāi)害的發(fā)生與其所處的地形條件、構(gòu)造、巖性密切相關(guān);孫意[4]通過(guò)對(duì)成貴鐵路樂(lè)山至興文段紅層地區(qū)隧道鉆孔瓦斯測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,研究地層年代、構(gòu)造、隧道埋深等因素對(duì)瓦斯逸出影響;郝俊鎖[5]研究了隧洞穿越非煤系地層產(chǎn)生天燃?xì)獾脑?紀(jì)云靜[6]采用多種試驗(yàn)方法,獲取可靠的隧洞瓦斯基本參數(shù),理論上計(jì)算瓦斯涌出量,評(píng)估瓦斯對(duì)隧洞掘進(jìn)的工程影響;陳波等[7]對(duì)龍泉山隧洞開挖采用超前打孔,瓦斯防治監(jiān)控系統(tǒng),施工工藝控制,防爆改造,制度健全等方法,做到了及時(shí)預(yù)警、有效防治。

某大型灌區(qū)工程位于四川盆地中部,嘉陵江以東,渠江及流江河以西的狹長(zhǎng)地帶。渠線總體上由北向南延伸,地勢(shì)北高南低。隧洞施工過(guò)程中連續(xù)發(fā)現(xiàn)有害氣體逸出。隧洞區(qū)有害氣體的賦存與煤、油氣等地區(qū)不同,其巖類主要為紅層地區(qū)沉積巖,且隧洞開挖采用鉆爆法施工,安全風(fēng)險(xiǎn)極大。本文依托某大型灌區(qū)隧洞工程,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)收集資料、勘查測(cè)定、數(shù)據(jù)分析等,判別有害氣體出現(xiàn)的地質(zhì)條件,分析有害氣體的成分及形成原因,針對(duì)性提出預(yù)防和應(yīng)對(duì)措施,這對(duì)于川東北紅層地區(qū)預(yù)測(cè)有害氣體分布及引水隧洞安全施工具有重要意義。

1 工程概況

某大型灌區(qū)隧洞工程起止里程為總88+518.61～總90+876.52,總長(zhǎng)2 357.91 m。計(jì)劃分別從進(jìn)口和出口相向掘進(jìn)施工,當(dāng)隧洞開挖到總90+590時(shí),進(jìn)行側(cè)幫現(xiàn)場(chǎng)鋼筋網(wǎng)片掛網(wǎng)施工焊接,電焊火花引燃少量可燃?xì)怏w,導(dǎo)致隧洞停止施工,需要進(jìn)一步查明有害氣體賦存情況,評(píng)估其對(duì)隧洞開挖的影響程度后才能施工,隧洞地質(zhì)情況如圖1、圖2所示。

圖1 隧洞地質(zhì)縱斷面

圖2 隧洞出口開挖斷面(總90+850)

2 區(qū)域地質(zhì)環(huán)境

2.1 地層巖性及結(jié)構(gòu)

根據(jù)鉆探揭露及洞室開挖圍巖情況,隧洞各段圍巖分類見表1。

表1 隧洞圍巖分類、分段統(tǒng)計(jì)

隧洞所在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單,巖層產(chǎn)狀為N10°～30°W/SW∠1°～4°,砂巖中主要發(fā)育兩組構(gòu)造裂隙:①N65°～70°W/NE(SW)∠72°～85°,延伸長(zhǎng)6～10 m,間距2～3 m,充填巖屑夾泥;②N15°～20°E/NW∠86°,延伸長(zhǎng)2～5 m,間距0.1～2 m,充填巖屑夾泥。巖體強(qiáng)、弱風(fēng)化帶厚度分別為2.8～8.0 m和11.1～23.9 m。

2.2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

隧洞工程區(qū)在大地構(gòu)造位置上位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)四川臺(tái)坳之川北臺(tái)陷(I2-3)和川中臺(tái)拱(I2-1)內(nèi),北側(cè)為漢南臺(tái)拱(I1-2)及龍門山陷褶斷束(I1-1),南側(cè)為川東陷褶皺束(I2-4)。近場(chǎng)區(qū)及場(chǎng)址區(qū)的主要斷裂構(gòu)造有華鎣山斷裂北段,且與背斜共生而成。

川中低緩構(gòu)造帶內(nèi)普遍分布中生界侏羅系-白堊系砂泥巖為主要特征,主要為南充-射洪區(qū)域擠壓性構(gòu)造帶,儀隴-巴中蓮花區(qū)域旋鈕構(gòu)造帶和營(yíng)山區(qū)域斷裂構(gòu)造帶,由擠壓性和旋鈕性褶皺組成,主要呈弧狀,構(gòu)造行跡、作用力等十分復(fù)雜[8]。褶皺帶構(gòu)造多為北東東向,受華鎣山斷裂帶抬升的影響,東側(cè)出露地層老,向西依次變新。隧洞臨近雙河場(chǎng)背斜,該背斜與營(yíng)山背斜鞍狀相接,軸線N25°W,延伸長(zhǎng)度為7 km,兩翼對(duì)稱,傾角4°～6°。

2.3 隧洞與主要油氣田、油氣層的關(guān)系

川中油氣區(qū)北至平昌、儀隴,南到資中、大足一線,華鎣山、龍泉山作為其東西界,其中,發(fā)育有三套烴源巖層,分別為須家河組、大安寨段和涼高山組,大安寨段和涼高山組具有良好的生油條件,須家河組為一套自生自儲(chǔ)的氣藏。區(qū)域內(nèi)油氣儲(chǔ)層基本信息統(tǒng)計(jì)見表2。20世紀(jì)50年代以來(lái)相繼發(fā)現(xiàn)了南充、龍女、蓬萊等油田[9]。

表2 四川盆地川中地區(qū)部分油氣儲(chǔ)集層基本特征統(tǒng)計(jì)

隧洞周邊分布營(yíng)山含氣構(gòu)造、龍崗含氣構(gòu)造、雙河含氣構(gòu)造和儀隴含氣構(gòu)造[10]。此外,川中公山廟構(gòu)造沙一段儲(chǔ)層內(nèi)部發(fā)育了大量規(guī)模不等、方位不同、性質(zhì)各異的斷裂,其中包括了大量“正斷層”[8],這類構(gòu)造十分有利于有害氣體運(yùn)移和儲(chǔ)存,為隧洞開挖過(guò)程中有害氣體的逸出提供了先決條件。

2.4 不良地質(zhì)條件

在對(duì)隧洞的地層巖性、地層結(jié)構(gòu)及區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造有了初步判斷的基礎(chǔ)上,中煤科工集團(tuán)重慶研究院走訪調(diào)查了隧洞周邊并對(duì)該隧洞進(jìn)行超前預(yù)報(bào)及有害氣體檢測(cè)[11]。

(1)隧洞周邊走訪調(diào)查。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)隧洞出口2 km范圍內(nèi)有3個(gè)異常水井,見表3。

表3 隧洞出口附近異常水井

(2)超前預(yù)報(bào)。在隧洞出口掌子面(總90+590)向小樁號(hào)方向布置3個(gè)超前地質(zhì)鉆孔,采用濕式鉆進(jìn)的方法,鉆孔深度均為100 m,根據(jù)鉆孔揭露的巖屑和返水情況判斷,掌子面前方100 m(總90+490～總90+590)范圍內(nèi)為紫紅色粉砂質(zhì)泥巖。

(3)有害氣體跟蹤檢測(cè)。鉆進(jìn)過(guò)程中每5 m停鉆進(jìn)行一次洞內(nèi)有害氣體跟蹤檢測(cè),在孔內(nèi)0.5～1 m處進(jìn)行了瓦斯和二氧化碳檢測(cè),并在孔口處進(jìn)行了硫化氫和一氧化碳檢測(cè)。鉆孔過(guò)程中3個(gè)孔持續(xù)有瓦斯氣體逸出,但未檢測(cè)到氣流壓力。

3 有害氣體來(lái)源初探

隧洞穿越的地層巖性粉砂質(zhì)泥巖夾薄～中厚的砂巖、泥質(zhì)粉砂巖,屬軟巖類,水平層理發(fā)育。該地層不是產(chǎn)氣層,但層內(nèi)粉砂巖、局部砂巖夾層是較好的儲(chǔ)氣層。局部地段構(gòu)造發(fā)育出的斷層和節(jié)理有一定的導(dǎo)氣和儲(chǔ)氣能力,深部有害氣體通過(guò)斷層導(dǎo)氣通道運(yùn)移至隧洞洞身范圍內(nèi),為局部氣囊的形成創(chuàng)造了良好的條件,如圖3所示。

圖3 有害氣體運(yùn)移模式

3.1 地質(zhì)構(gòu)造因素

受斷裂帶影響,地層年代遠(yuǎn)、埋深大的儲(chǔ)氣地層上升,此外,斷裂構(gòu)造部位巖石擠壓破碎,結(jié)構(gòu)裂隙極其發(fā)育,形成良好的導(dǎo)氣通道;受褶皺的影響,尤其是背斜構(gòu)造,為有害氣體提供頂部及側(cè)向封堵,因而背斜核部常大量富集有害氣體,翼部氣體含量較少[3],如圖4所示。

圖4 背斜構(gòu)造儲(chǔ)氣示意

3.2 地層巖性因素

有害氣體在巖性主要分布于半堅(jiān)硬巖及富含有機(jī)質(zhì)等特殊成分的巖石類如砂巖、泥巖類等,以及富含有機(jī)質(zhì)的淤泥、腐土層等類型,而堅(jiān)硬巖一般無(wú)有害氣體災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)育[3]。隧址區(qū)為遂寧組,符合有害氣體分布條件,見圖11,且遂寧組巖性粉砂質(zhì)泥巖中夾泥質(zhì)粉砂巖、砂巖薄層,在特定的巖性組合下,有利于形成封閉邊界。

4 有害氣體涌出情況

4.1 涌出特點(diǎn)

隧洞自發(fā)現(xiàn)有害氣體后,利用超前鉆孔并結(jié)合人工檢測(cè)的手段,對(duì)有害氣體的涌出情況進(jìn)行全方位檢測(cè),隧洞出口檢測(cè)斷面位置及瓦斯檢測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)見圖5、圖6。使用CJG-100型干涉式甲烷測(cè)定器檢測(cè)出隧洞逸出的有害氣體為甲烷的烷類氣體,進(jìn)而綜合判定甲烷和二氧化碳的含量?；跈z測(cè)數(shù)據(jù)收集分析認(rèn)為,隧洞開挖遇到的是深層有害氣體,其具有壓力低、流量低而穩(wěn)定、分布均勻、涌出規(guī)律性強(qiáng)等特點(diǎn)。

圖5 隧洞出口檢測(cè)斷面位置示意

圖6 瓦斯檢測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)示意

4.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律分析

正常通風(fēng)條件下對(duì)有害氣體濃度進(jìn)行測(cè)定,當(dāng)日涌出量的最大值為1.91 m3/min,氣體檢測(cè)結(jié)果見表4[11]。對(duì)表格進(jìn)行分析得知:

表4 檢測(cè)斷面瓦斯檢測(cè)結(jié)果

(1)在同一斷面,拱頂瓦斯?jié)舛雀哂谄溆嗖课?說(shuō)明瓦斯具有向上運(yùn)動(dòng)的規(guī)律,并在洞室頂端富集。

(2)在同一時(shí)刻,1#斷面瓦斯含量高于2#斷面,可以看出,瓦斯?jié)舛入S遠(yuǎn)離掌子面而遞減,通風(fēng)后呈穩(wěn)定下降趨勢(shì),但連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差異不大,說(shuō)明該隧洞穿越的地層瓦斯補(bǔ)給量穩(wěn)定。

5 有害氣體的針對(duì)性預(yù)防措施

在“超前鉆孔探明、晝夜監(jiān)測(cè)不停、嚴(yán)格火源管控、加強(qiáng)通風(fēng)潔凈”等對(duì)有害氣體綜合防治的基礎(chǔ)上,針對(duì)隧洞地質(zhì)特征和有害氣體的特點(diǎn)及涌出規(guī)律,采取以下針對(duì)性預(yù)防措施。

5.1 加強(qiáng)洞內(nèi)監(jiān)測(cè)、通風(fēng)

根據(jù)有害氣體涌出壓力低、流量低而穩(wěn)定的特點(diǎn),施工作業(yè)過(guò)程中要做到全孔時(shí)刻監(jiān)測(cè),保證隧洞內(nèi)有害氣體濃度保持在安全范圍;考慮到該隧洞主體為一單洞,可采用壓入式機(jī)械通風(fēng),配備抗靜電、阻燃礦用風(fēng)筒;在錯(cuò)車道、拱頂局部垮塌段和通風(fēng)不暢部位設(shè)置礦用防爆局部通風(fēng)機(jī),消除有害氣體積聚。

5.2 超前預(yù)報(bào)查明異常部位

施工按照先探后掘的原則進(jìn)行,加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào),在全面進(jìn)行地質(zhì)素描分析的基礎(chǔ)上,超前開展物探工作。施工過(guò)程中,在隧洞開挖斷面處施作1個(gè)長(zhǎng)度不小于40 m的地質(zhì)超前鉆孔,密切關(guān)注有害氣體壓力、濃度異常部位,并根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)、施工方案進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

5.3 遠(yuǎn)距離放炮

有害氣體逸出與爆破震動(dòng)有一定的關(guān)系,采取遠(yuǎn)距離爆破是為防止預(yù)測(cè)失誤而采取的一種安全防護(hù)措施。放炮時(shí)把起爆點(diǎn)設(shè)在洞外,洞口杜絕一切火源。起爆母線采用銅芯電纜,使用安全炸藥和毫秒雷管,放炮時(shí)洞內(nèi)停電撤人,放炮后延長(zhǎng)通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)。

5.4 采取短進(jìn)尺快封閉的施工措施

一次爆破開挖進(jìn)尺越大,則有害氣體涌出量越大,因此,采取短進(jìn)尺可減少一次有害氣體涌出量,降低隧洞內(nèi)有害氣體濃度;快速封閉可以避免臨空面巖體持續(xù)發(fā)生變形,以免深層巖體持續(xù)遭受應(yīng)力重分布,導(dǎo)致深層次有害氣體涌出。

5.5 各類設(shè)施設(shè)備防爆改裝

由于有害氣體隧洞施工的高風(fēng)險(xiǎn)性,普通機(jī)械設(shè)備無(wú)法在其中作業(yè),各類電氣、機(jī)械設(shè)備的防爆性能至關(guān)重要。編制隧洞施工供配電專項(xiàng)設(shè)計(jì)方案并按照方案采購(gòu)、安裝、試運(yùn)行和投入使用,并將傳統(tǒng)設(shè)備的被動(dòng)防御防爆改裝為主動(dòng)防御防爆改裝,可增設(shè)傳感器,利用監(jiān)控系統(tǒng)等,在有害氣體濃度超限等危險(xiǎn)條件下使機(jī)械設(shè)備自動(dòng)停止作業(yè),待濃度降至正常范圍后設(shè)備重新啟動(dòng)作業(yè)。

6 結(jié)論

(1)某大型灌區(qū)隧洞逸出的有害氣體初步判定為為烷類氣體甲烷。隧洞位于華鎣山斷裂帶西側(cè),周邊分布營(yíng)山含氣構(gòu)造、龍崗含氣構(gòu)造、雙河含氣構(gòu)造和儀隴含氣構(gòu)造,受構(gòu)造作用影響嚴(yán)重,巖體中結(jié)構(gòu)面發(fā)育具備形成氣體游離及運(yùn)移的良好通道。逸出的有害氣體是從深部區(qū)域沿構(gòu)造裂隙等通道運(yùn)移而來(lái)。

(2)隧洞臨近雙河場(chǎng)背斜,該背斜與營(yíng)山背斜鞍狀相接,具有良好的儲(chǔ)存封閉條件。隧洞穿越的地層巖性粉砂質(zhì)泥巖夾薄～中厚的砂巖、泥質(zhì)粉砂巖,在特定的巖性組合下,有利于形成封閉邊界。

(3)隧洞頂拱處測(cè)得有害氣體(瓦斯)濃度最高可達(dá)0.28%,當(dāng)日絕對(duì)涌出量的最大值1.91 m3/min,連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)差異不大,隧洞穿越的地層有害氣體(瓦斯)補(bǔ)給量穩(wěn)定。

(4)在“超前鉆孔探明、晝夜監(jiān)測(cè)不停、嚴(yán)格火源管控、加強(qiáng)通風(fēng)潔凈”等對(duì)有害氣體綜合防治的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步加強(qiáng)洞內(nèi)監(jiān)測(cè)、通風(fēng),采取超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、遠(yuǎn)距離放炮、短進(jìn)尺快封閉等措施并對(duì)各類設(shè)施設(shè)備進(jìn)行防爆改裝,從而有效降低開挖工作面有害氣體濃度,確保施工安全。