軟弱圍巖特大斷面隧道瓦斯預測體系及防控措施研究

【摘要】

依托成都市東西城市軸線（東段）工程龍泉山二號隧道為工程背景，通過對瓦斯探測方法及施工控制方案、瓦斯防爆措施、瓦斯監(jiān)測濃度異常處理等的研究，形成了成套瓦斯氣體預測體系并提出一套系統(tǒng)完整的隧道瓦斯防控方案。研究結(jié)果表明，龍泉山2號隧道低瓦斯工區(qū)占隧道全長約40%，高瓦斯工區(qū)占隧道全長約60%。以“地質(zhì)調(diào)查法為基礎、TSP+地質(zhì)雷達法為主要手段、超前鉆探為輔”的瓦斯氣體預測體系能夠準確預測隧道掌子面前方不良地質(zhì)體分布情況，同時采取“規(guī)范鉆爆作業(yè)、加大瓦斯排放、強化通風并結(jié)合全封閉式結(jié)構設防”的瓦斯綜合防控方案可有效控制瓦斯聚集，降低瓦斯爆炸風險，確保施工安全和施工正常進行。

【關鍵詞】軟弱圍巖； 特大斷面； 公路隧道； 瓦斯預測； 防控措施

【中圖分類號】U458.2【文獻標志碼】A

［定稿日期］2023-06-26

［作者簡介］王進（1990—），男，博士，高級工程師，主要從事隧道工程建設管理工作。

［通信作者］陳韜（1989—），男，本科，工程師，主要從事隧道工程建設管理工作。

0 引言

諸如巖爆、大變形、突水、突泥、有毒有害氣體等地質(zhì)災害的出現(xiàn)常給地下工程的建設帶來巨大損失［1-3］。其中，有毒有害氣體與隧道穿越地質(zhì)條件關系密切，相較而言出現(xiàn)頻率更高，而瓦斯是地下工程施工過程中最為常見的有毒有害氣體之一，帶來的瓦斯爆炸不僅嚴重阻礙工程進度更是威脅作業(yè)人員生命安全［4-5］。為此，提出一套系統(tǒng)完整的隧道瓦斯氣體預測體系及關鍵性防控措施迫在眉睫。

由此，國內(nèi)外眾多學者對瓦斯隧道的建設展開了大量研究。李志鵬等［6-7］采用數(shù)值模擬的手段對瓦斯隧道瓦斯氣體爆炸時產(chǎn)生的沖擊波進行了系統(tǒng)分析，揭示了瓦斯爆炸孕育機理；尹平等［8］通過大量文獻調(diào)研，對典型公路隧道瓦斯爆炸案例進行了歸納整理，并提出了針對性的防治措施；楊義［9］依托肖家梁隧道和黃草隧道為工程背景，系統(tǒng)分析了頁巖氣地層瓦斯分布規(guī)律，提出了一套完整的瓦斯隧道安全快速施工技術，現(xiàn)場實踐驗證了施工方案的可行性；Kang［10］提出了一種新型的基于物聯(lián)網(wǎng)的瓦斯檢測設備，能夠有效地檢測瓦斯?jié)舛炔l(fā)出聲音報警，可實現(xiàn)瓦斯?jié)舛茸詣颖O(jiān)測、瓦斯信息實時反饋及控制；林志斌等［11］以某一特長高速公路瓦斯隧道為工程背景，提出了巷道式循環(huán)通風方案，解決了特長瓦斯公路隧道通風難題；黃晉睿［12］提出了獨頭壓入式和巷道式通風低瓦斯隧道通風方案，工程實踐驗證了通風方案的可行性和合理性。

綜上，國內(nèi)外大多學者對瓦斯隧道的瓦斯爆炸的孕育機理、施工管理、通風設計等進行了深入的研究，并取得了顯著成果，而目前專門針對軟弱圍巖特大斷面高瓦斯隧道的研究特別是瓦斯預測與防治的系統(tǒng)研究還很匱乏，提出一套系統(tǒng)完整的隧道瓦斯氣體預測體系及關鍵性防控措施迫在眉睫。依托成都市東西城市軸線（東段）工程龍泉山二號隧道為工程背景，通過對瓦斯探測方法及施工控制方案、瓦斯防爆措施、瓦斯監(jiān)測濃度異常處理等的研究，形成了成套瓦斯氣體預測體系并提出一套系統(tǒng)完整的隧道瓦斯防控方案，為科學組織施工提供依據(jù)。

1 工程概況

成都市東西城市軸線（東段）工程龍泉山二號隧道進口端為茶店鎮(zhèn)白果村，出口端為茶店鎮(zhèn)民主村，隧道設計為單洞雙向 8 車道，設計車速為80 km/h，隧道凈寬17.75 m ，凈高5 m，掌子面最大開挖面積為231.4 m2，為國內(nèi)外罕見的特大斷面隧道。

隧道左洞起止里程為LK20+935～LK23+018，左洞全長2 083 m，右洞起止里程為RK20+972～RK23+070，全長2 098 m。如圖1所示，隧道穿越地層巖性以中風化～強風化泥巖為主，巖質(zhì)較軟，巖體破碎，圍巖等級主要為V級。

隧道位于龍泉山背斜西翼，受洛帶氣田影響較大，從現(xiàn)場測氣結(jié)果來看，有天然氣顯示鉆孔數(shù)占 100%，天然氣最大濃度高達15 665×10-6，這說明淺層天然氣對該隧道影響明顯。從油氣構造部位、地層巖性組合以及現(xiàn)場鉆孔測試可知，本隧道施工過程中極有可能存在瓦斯涌出風險，為確保安全，施工過程中應針對瓦斯氣體做專向施工方案。

2 特大斷面隧道瓦斯預測體系

2.1 瓦斯隧道分級

瓦斯主要成分是CH4，是易燃、易爆炸的有毒有害氣體，當瓦斯?jié)舛瘸^總空氣含量40%時，可令人窒息死亡。為了確保施工安全，根據(jù)隧道施工過程中瓦斯涌出量或瓦斯壓力定量將瓦斯隧道分為四級［13］，具體分級標準如表1所示。

2.2 瓦斯預測體系

2.2.1 預測方法

常用于隧道工程的瓦斯超前預報法包括：地質(zhì)調(diào)查法、TSP法、超前鉆孔等。地質(zhì)調(diào)查分析法常用于長距離預測，預測范圍一般超過200 m，主要根據(jù)相應地質(zhì)資料宏觀預測分析隧址區(qū)瓦斯分布特征，預測范圍廣，但預測精度不高；TSP和地質(zhì)雷達法用于中長距離預測，可對掌子面前方30～200 m范圍內(nèi)瓦斯氣體分布范圍及濃度進行較為精準的預測；紅外探測法和超前鉆孔常用于短距離預測，可精確預測掌子面前方圍巖30 m范圍內(nèi)不良地質(zhì)具體分布特征，常用于驗證中長距離不良地質(zhì)的預測結(jié)果。

結(jié)合本工程地質(zhì)條件、風險源及其風險等級，綜合采取以地質(zhì)調(diào)查法為基礎、TSP+地質(zhì)雷達法為主要手段、超前鉆探為輔的瓦斯氣體預測體系，如圖2所示。

2.2.2 超前瓦斯鉆探布設

超前地質(zhì)鉆探適用于隧道內(nèi)各種地質(zhì)問題的探測預報，鉆孔孔數(shù)、間距、深度、偏角等要素應根據(jù)隧道地質(zhì)復雜程度和預報對象的特點設計確定。預報過程中，應根據(jù)預報成果及時修改隧道地質(zhì)復雜程度分級并調(diào)整超前地質(zhì)鉆探設計方案。

如圖3所示，根據(jù)隧道地質(zhì)條件及瓦斯分布情況，每段面布設7個超前瓦斯鉆孔，鉆孔直徑為76 mm，鉆孔深度設計為68 m，其中孔6為水平鉆孔、孔1～孔5、孔7為傾斜鉆孔，鉆孔終孔點超出隧道開挖輪廓線5 m，前后兩循環(huán)鉆孔搭接長度為8 m。

2.2.3 工藝流程

隧道瓦斯預測體系如圖4所示，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查分析法和物探法初步確定隧道掌子面前方是否存在不良地質(zhì)，再進一步采用超前鉆孔精準預測掌子面前方瓦斯分布，具體流程：

（1）開挖卸荷后，首先對掌子面展開地質(zhì)調(diào)查分析，并繪制掌子面素描圖，在同一地層巖性段，每間隔10 m進行掌子面地質(zhì)素描，當?shù)貙訋r性改變時，增加素描頻率。

（2）采用彈性波法長距離初步探測隧道前方地層不良地質(zhì)特征，間隔100 m。

（3）根據(jù)彈性波法測試結(jié)果，進一步采用地質(zhì)雷達法等物探法探測不良地質(zhì)分布情況，間隔30 m。

（4）若地質(zhì)雷達法預測出前方的確存在不良地質(zhì)體時，進一步采用超前鉆孔驗證，間隔10 m。

（5）綜合分析地質(zhì)調(diào)查分析法、物探法及超前鉆孔法預測結(jié)果，結(jié)合工程實際地質(zhì)特征，判定不良地質(zhì)體的范圍與程度。

（6）全隧道進行瓦斯鉆孔探測時，每循環(huán)設置加深炮孔，加深3 m，拱部8個，仰供5個。

2.3 測試結(jié)果

通過對整個隧道開展超前瓦斯探孔探測發(fā)現(xiàn)，隧道左洞LK22+220～LK23+018里程段、右洞RK22+220～ RK23+070里程段為低瓦斯工區(qū)，約占隧道總長40%；隧道左洞LK20+935～LK22+220里程段、右洞RK20+ 972～RK22+220里程段為高瓦斯工區(qū)，約占隧道總長60%，具體如表2所示。

3 瓦斯防爆關鍵舉措

3.1 瓦斯隧道防治基本原則

（1）隧道鉆爆作業(yè)必須嚴格執(zhí)行“一炮三檢制”和“三人連鎖放炮制”。

（2）高瓦斯及瓦斯突出工區(qū)嚴禁采用反向裝藥。

（3）鉆孔作業(yè)應采用濕式鉆孔。

（4）鉆爆開挖后應加強通風作業(yè)，瓦斯定級越高，通風時長越長。

（5）瓦斯隧道通風系統(tǒng)采用專用變壓器， 專用開關， 專用線路供電。

3.2 施工關鍵舉措

3.2.1 鉆爆施工控制措施

（1）炸藥選擇。根據(jù)相關規(guī)范，瓦斯隧道爆破作業(yè)必須采用煤礦許用炸藥，低瓦斯工區(qū)使用安全等級二級的煤礦許用炸藥，高瓦斯及瓦斯突出工區(qū)使用安全等級為三級的煤礦許用炸藥，具體如表3所示。

（2）雷管選擇。瓦斯隧道雷管宜采用瞬發(fā)電雷管或煤礦許用毫秒延期電雷管，當采用延期電雷管時，延期需小于130 ms。則按照規(guī)定，本工程選用1～5段的電雷管，起爆采用防爆型起爆器電力起爆。

（3）鉆孔方式。根據(jù)相關規(guī)范要求，隧道洞內(nèi)鉆爆裝藥時采用濕式鉆孔，炮眼深度設置為0.6 m。

3.2.2 瓦斯排放

為便于隧道內(nèi)涌出的瓦斯氣體大部分排向洞外，在隧道地板左右側(cè)縱向盲管每間隔50 m設置一處水氣分離裝置，環(huán)向盲管與拱頂瓦斯排放管連通，將瓦斯等氣體分離排放至隧道出口端洞口，上端管口距拱頂 3 m以上并附防雨管帽，安裝永久性提示標牌“瓦斯排放，20 m周圍禁止明火及易燃易爆物品”。

3.2.3 強化通風

大量調(diào)研發(fā)現(xiàn)，隧道、礦井等地下工程施工工程中80%出現(xiàn)瓦斯聚集現(xiàn)象是由于施工通風不夠引起的，其中，70%瓦斯爆炸事故發(fā)生在掌子面［13］。因此，掌子面加強通風是減小瓦斯聚集、降低瓦斯爆炸風險的關鍵舉措。

隧道施工中采用6臺1XAVH-R160.200.8型軸流風機送風，軸流風機功率為200 kW，每臺軸流風機送風能力為54～82 m3/s；當隧道通過高瓦斯工區(qū)段時，增加12臺煤礦用隔爆型壓入式局部通風機，同時軸流風機風速設置為1 m/s，以防止隧道內(nèi)瓦斯聚集，降低瓦斯?jié)舛龋瑴p小施工風險。

施工中還應加強瓦斯涌出監(jiān)測，可建立隧道內(nèi)瓦斯信息網(wǎng)，配置瓦斯自動監(jiān)測系統(tǒng)，實時反饋掌子面瓦斯含量，當瓦斯含量超過應急標準時，及時停工，撤離全部施工人員并加強通風。

3.3 全封閉式結(jié)構設防

本隧道全長按二級瓦斯設防設計，全隧設置全封復合式襯砌結(jié)構，初支與二襯之間全環(huán)設置防水板，襯砌結(jié)構混凝采用氣密性鋼筋混凝土。具體措施：

（1）結(jié)構型式。隧道初期支護、二次襯砌均采用帶仰拱的封閉式復合襯砌。

（2）構造要求。初期支護噴射混凝土強度等級為 C25，初噴厚26～28 cm；二襯采用C40鋼筋混凝土，厚60～75 cm，抗?jié)B等級為P10。

（3）材料要求。初期支護噴射混凝土及二次襯砌混凝土均采用氣密性混凝土。其中，噴射混凝土透氣性不應大于 10 cm/s，模筑混凝土透氣性不應大于 11 cm/s，可選用普通硅酸鹽水泥并摻入氣密劑或防腐蝕氣密劑（一般選用TL防腐蝕氣密劑、GT-A 氣密劑、SF 高效復合氣密劑等，摻量為水泥用量的 3%～8%）。

（4）瓦斯隔離層。襯砌結(jié)構設置全封閉隔離層，防水層兼作瓦斯隔離層，瓦斯隔離層采用厚 1.5 mmEVA 防水板，其搭接長度不得小于 100 mm，接縫宜采用熱熔法搭接。

現(xiàn)場采用便攜式瓦斯檢測儀測試表明，現(xiàn)場施工安全一直處于可控狀態(tài)，說明采取“規(guī)范鉆爆作業(yè)、加大瓦斯排放、強化通風并結(jié)合全封閉式結(jié)構設防”的瓦斯綜合防控方案可有效控制瓦斯聚集，降低瓦斯爆炸風險，是合理可行的。

4 結(jié)束語

本文依托成都市東西城市軸線（東段）工程龍泉山二號隧道為工程背景，通過對瓦斯探測方法及施工控制方案、瓦斯防爆措施、瓦斯監(jiān)測濃度異常處理等的研究，形成了成套瓦斯氣體預測體系并提出一套系統(tǒng)完整的隧道瓦斯防控方案，研究得到主要結(jié)論：

（1）根據(jù)瓦斯預測結(jié)果，可將龍泉山2號隧道分為低瓦斯工區(qū)和高瓦斯工區(qū)，其中，低瓦斯工區(qū)占隧道全長約40%，高瓦斯工區(qū)占隧道全長約60%。

（2）以“地質(zhì)調(diào)查法為基礎、TSP+地質(zhì)雷達法為主要手段、超前鉆探為輔”的瓦斯氣體預測體系能夠準確預測隧道掌子面前方不良地質(zhì)體分布情況。

（3）采取“規(guī)范鉆爆作業(yè)、加大瓦斯排放、強化通風并結(jié)合全封閉式結(jié)構設防”的瓦斯綜合防控方案可有效控制瓦斯聚集，降低瓦斯爆炸風險。

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