蕪湖城南地區礦山隧道淺層氣災害勘察結構分析及治理措施

馬楊敏，王成玲，石芳婷

（1.安徽省化工地質勘察總院，安徽 馬鞍山 243000；2.北京長城電子工程技術有限公司，北京 100195；3.馬鞍山中鑫工程質量檢測咨詢有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

1 工程簡介

蕪湖城南過江礦山隧道是安徽省發改委在長江干流橋梁（隧道）布局規劃中確定的一條礦產隧道運輸路網過江通道，主要連接蕪湖市城南主城區和無為市。該項目路線起于江北二壩鎮，向東南跨越長江。本次礦山隧道工程專項勘察主要為盾構段的第四系覆蓋層（如圖1所示），其中左線里程范圍為ZK5+520～ZK6+395、右線里程范圍為YK5+500～YK6+404。

圖1 代表性工程地質縱斷圖

2 地層巖性

據詳細勘察報告揭示，礦山隧道場區覆蓋層上而下可分為5個大層，共8個亞層。主要為流塑淤泥質粉質粘土（Q4al）、軟塑-可塑粉質黏土（Q4al）、粉土（Q4al）和砂（Q4al）等，典型地質縱斷面如圖2所示，均為全新統沖洪積地層。在詳細勘察過程中現場部分靜力觸探孔揭示出淺層氣，為確保礦山隧道工程的順利建設，開展了此次淺層氣專項勘察。

3 礦山隧道內淺層氣體勘察方法

本次礦山隧道內勘察采用“地下淺層探測儀”（圖2）進行淺層地質結構壓力測試，頂、底板埋深測定及氣體流量大小的測定。主要操作步驟有靜壓、上拔（間隔0.5m拔一次）、檢測、測壓和采氣，必要時在上拔之后進行一次吹氣（0.7MPa壓力）過程。頂底板埋深測定采用靜壓設備探桿壓入法，通過查看氣體有無溢出情況來判斷頂底板埋深。

圖2 礦山隧道內淺層氣體勘探測試儀示意圖

實際流量結果根據如下公式測定。

式中：PN,TN,ρN一空氣在標準狀態下的絕對壓力、絕對溫度、密度；PS,TS,ρSN一被測氣體的絕對壓力、絕對溫度、密度；QN,ZSN,ZS一被測氣體流量計讀數、標準狀態下的壓縮系數、被測氣體在PS,TS時的壓縮系數。

4 礦山隧道內淺層氣體勘察成果分析

（1）礦山隧道內淺層氣體測試結果。本文礦山隧道內淺層氣體勘察外業共完成勘探孔69個，其中13個孔揭示出淺層氣，絕大部分淺層氣體氣量小、氣壓低。綜合分析壓力測試結果得出：實測最大中心峰值壓力為0.10MPa，其理論峰值壓力0.18Mpa。綜合分析隧道氣體流量測試結果得出：實測流量范圍為14.3L/min～33.7L/min。通過不同孔位探桿上拔至同一層位的礦層時，根據探桿頂口井噴的強烈程度與井噴持續時間，可以判定隧道淺層氣體是呈團塊狀或透鏡體狀。本文通過現場所采集的氣樣品，由中科學蘭州油氣資源研究中心對樣品進行了氣體成分測定試驗。

（2）隧道礦層中生氣層及儲氣層。通過現場測試：當探桿上拔至（2）1淤泥質粉質黏土（Q4al）層時，井噴現象居多，得出本區間的（2）1層淤泥質粉質黏土（Q4al）層為淺層氣生氣層。通過分析本次淺層氣專項勘察資料并對比詳勘地層后可以得出：該區域淺層氣主要儲氣層為（2）1層淤泥質粉質黏土（Q4al）層中的粉土（Q4al）、粉砂（Q4al）夾層和（3）粉土（Q4al）層。

（32）含氣層頂板、底板埋深及厚度。通過現場測試：隧道內盾構沿線含氣層的頂板平均埋深約19.1m，其中QC20號探孔含氣層頂板埋深最淺，在隧道頂板底面以下6.0m；QC5和QC6號探孔含氣層頂板埋深最深，在頂板底面以下25m。含氣層底板的平均埋深約22.1m，QC20號探孔含氣層底板埋深最淺，在水底面以下7.0m；QC5與QC6號探孔含氣層底板埋深最深，在水底面以下約29m。

5 礦山隧道淺層氣體防治對策

當在外部因素下作用對淺層氣體進行突發性釋放時，含氣礦層會大范圍的撓動，嚴重時造成上覆或下臥地層擾動。引起的地基不均勻沉降，誘發管片結構的嚴重變形，甚至斷裂損壞。更嚴重的是當達到5%～15%時，由于達到爆炸極限，遇明火將發生劇烈爆炸。解決礦山隧道工程施工過程中，淺層氣體的突發性釋放對工程造成的影響，最有效的防治措施是提前控制性放氣。

（1）排氣時間與設備。目前國內對于第四系淺埋隧道內含氣體礦層采取的有控釋放，是為了降低隧道施工風險主要措施之一，但其釋放時間要結合礦層、淺層氣體分布以及施工方法的特點來確定。根據國內類似工程經驗，有控釋放時間建議在礦山隧道內推進前2～3月內進行。

由于鉆孔孔徑太大及泥漿護壁，易造成孔壁坍塌和不利淺層氣體的排放，建議采用靜壓排氣。靜壓設備中通過安裝各種截止閥、減壓閥以及壓力表，可以控制放氣流量，大大降低對周圍礦層的破壞。

（2）排氣控制原則。有控放氣注重“均衡放氣”，即淺層氣體釋放的速率不產生，對放氣孔周圍礦層的較大攏動，以不帶出泥砂為控制標準，釋放過程注重壓力的動態平衡。

（3）排氣孔布置及排氣順序。排氣孔布置原則：盾構外側結構線30m～50m范圍，深度控制在礦山隧道結構線下5m～10.0m或氣囊底板下10m范圍內；隧道內盾構范圍內結構線外側3m左右處，各布置2排（呈梅花型）放氣孔，放氣孔平行對稱布置，孔間距一般為15m～20m。

（4）單孔放氣施工步驟。組織排氣施工前，核對孔位的礦層與該孔淺層氣體埋置的頂板深度、壓力。排氣施工中將探桿靜壓至含氣層內部，利用含氣層與探桿內的壓差，通過探桿使氣體逐漸釋放出來。整個放氣過程中，可通過閘閥實施控制性放氣，觀察氣壓狀態，控制好放氣流量，連續記錄有關參數。

6 結論與建議

（1）結論。本文通過利用靜力觸探改造探測儀對礦山隧道淺層氣體進行專項勘察，查明了淺層氣體的空間分布規律，氣體成份組成、氣壓及流量特征，生氣與儲氣特征。淺層氣體中主要成分為甲烷（CH4），其次為氮氣（N2）、氧氣（O2）和二氧化碳（CO2），還有一些微量的氬（Ar）。實測最大中心峰值壓力為0.10MPa，其理論峰值壓力0.18Mpa；實測流量范圍為14.3L/min～33.7L/min。本文通過分析得出隧道內淺層氣體的生氣層與儲氣層。

（2）建議。建議淺層礦山隧道區域的管片采用抗滲標準高的混凝土制作，并設立隧道淺層氣體專職監測人員，動態檢測盾構推進過程中隧道內的淺層氣體濃度，必要時可在盾構機前端采用探測設備。礦山隧道內盾構內應采用通風設備并保持空氣流暢，使隧道內作業場所淺層氣濃度小于1.0%。