非煤系地層隧道瓦斯逸散規律及施工防治措施

郭宏偉

(中鐵十七局集團城市建設有限公司 貴州貴安 550025)

1 引言

在長期的地質構造作用以及封閉地層條件下，含碳質泥巖、頁巖等非煤系地層會釋放瓦斯，并存儲在封閉的圍巖裂隙或多孔隙介質中(如砂巖)[1-2]。我國西南地區廣泛分布的非煤氣地層為隧道工程的建設帶來極大挑戰[3]。與常規的煤系瓦斯地層或其他生物化石氣體不同，非煤系地層的瓦斯在空間分布上具有隨機性，逸出速率、賦存范圍、逸出壓力等在勘探前期難于準確探明和預測[4]。因此，需依賴施工階段的瓦斯監測認識和評估逸散規律，進而做出預警和防護決策，降低瓦斯災害施工風險[5]。

在非煤系地層的瓦斯預測研究方面，俞劍等[6]基于指數平滑法應用于非煤系地層瓦斯的逸出量預測，在高瓦斯段隧道的預測中誤差小于3%；何毅等[7]基于Fluent軟件對不同抽排風速度下，分析隧道內瓦斯濃度的變化規律；蘇培東等[8]基于克里金估值法對非煤系地層瓦斯的預測，并應用交叉驗證法對瓦斯濃度的空間分布建立了預估模型。在非煤系地層瓦斯隧道的防治措施方面，楊正東[9]提出了“四位一體”的綜合瓦斯防突技術體系；唐鷗玲等[10]對成都地鐵19號線瓦斯隧道進行分層濃度和抽排速率監測并給出降低瓦斯濃度的參考方案。

目前針對隧道穿越砂巖、頁巖等非煤系地層施工時，瓦斯逸散規律的研究實例較少，缺乏統一性的認識。本文以蘭海高速公路大土隧道為研究對象，采用監測手段對掌子面的瓦斯濃度進行采集，分析瓦斯濃度隨空間和時間的變化情況，并提出相應的施工防治措施。

2 工程背景

蘭州至海口國家高速公路重慶至遵義段(貴州境)擴容工程起自貴州省桐梓縣下坪，止于遵義市新蒲新區青山樞紐，路線長118.95 km，第CZTJ-14標段內大土隧道，位于貴州省綏陽縣鋪場鎮大溪村境內，為路線穿越北西走向山體而建設，左線隧道長1 112 m，右線隧道長1 108 m。

隧道位于北東向寬緩復式蒲老場背斜西翼，軸部巖層灰巖，傾角10°左右，西翼為奧陶系、志留系地層。隧道地貌單元為峰叢溶蝕地貌，小里程洞口存在第四系含碎石黏土坡積物，隧址區下伏基巖主要為志留系龍馬溪組(s/1l)泥巖、砂巖以及十字組-寶塔組(O2sh-b)頁巖、砂巖、灰巖，地層間接觸完整，未受到構造或風化破壞，如圖1所示。根據隧道瓦斯專項勘察表明，隧道頁巖和砂巖中存在瓦斯，頁巖在隧道中里程分布范圍為ZK84+980～ZK85+580，孔內取樣和室內化學試驗表明，頁巖中的孔隙率為6.2%～8.5%，瓦斯含量約為0.10～0.25 m3/t；砂巖在隧道中里程分布范圍為ZK84+780～ZK84+980、ZK85+580～ZK84+892，砂巖中的孔隙率為9.0%～12.6%，瓦斯含量約為0.30～0.47 m3/t。

圖1 左隧道地質縱斷面圖

3 瓦斯濃度監測及逸散規律分析

3.1 瓦斯濃度監測

隧道施工時，采用人工監測與自動化監測相結合的方式對隧道內瓦斯濃度進行實時監測，所有監測手段均具備抗強電磁干擾能力。人工監測采用便攜式CJG10干涉式甲烷測定器，測量范圍為0～10% CH4，目鏡分劃板小分劃值0.5% CH4。如圖2所示，自動化監測則采用自動化遙感監測系統進行，在隧道掌子面位置、施作襯砌隧洞中部以及洞口位置均設置有監測分中心，通過自動化遙感監測系統對各個分中心采集的瓦斯濃度、通風速率等參數進行觀測與分析。在掌子面位置處由于拱腰以下受開挖機械振動影響強烈，在拱頂和拱腰布置了瓦斯濃度觀測點。

圖2 隧道瓦斯自動化遙感監測系統及掌子面監測點布置

瓦斯監測相互印證，瓦斯探測儀應帶自動報警裝置，當瓦斯超過一定含量時自動報警。人工監測和自動化監測的監測頻率如表1所示。

表1 隧道瓦斯人工監測與自動化監測頻率

3.2 瓦斯逸散規律分析

圖3為隧道掌子面鉆孔裝藥前和爆破前后的瓦斯濃度隨觀測次數的變化曲線。從圖中可以看出，隨著觀測次數的增加，鉆孔裝藥前和爆破前的瓦斯濃度相近，均有減小的趨勢，且所有數據都小于0.5%，而爆破后的瓦斯濃度則明顯比前兩者大，且隨著觀測次數的增加，呈現先增加后減小的趨勢，所有數值均大于0.5%，最大值達到1.7%。這是由于在爆破沖擊波作用下，隧道圍巖體產生了松動和破碎，導致裂隙或巖體內儲氣空間相互連通，為瓦斯的逸出提供了良好的滲透通道。在爆破剛結束，隧道掌子面原有的瓦斯賦存狀態被破壞，首先得到釋放，掌子面附近的瓦斯壓力迅速降低，巖體內其他受松動區域的瓦斯不斷向掌子面遷移和釋放，導致隨觀測時間的增加，瓦斯濃度增加。在瓦斯釋放達到平衡后，隧道掌子面的瓦斯向洞口方向逸散，因此，瓦斯濃度出現下降趨勢。

圖4為隧道掌子面爆破后瓦斯濃度在軸線方向上分布曲線。從圖中可以看出，無論是左、右線隧道，瓦斯濃度在不同的巖性段落均呈現出明顯的區別。在里程ZK84+780～ZK84+980、ZK85+580～ZK84+892的砂巖段落，瓦斯濃度范圍為1.0%～2.0%之間；在里程ZK84+980～ZK85+580的頁巖段落，瓦斯濃度范圍為0.1%～1.0%。這是因為頁巖和砂巖存在著明顯不同的天然物性，頁巖在成巖過程中，受到地質變質作用，結構致密，天然孔隙率為6.2%～8.5%，因此儲存和釋放瓦斯氣體的能力較弱；而砂巖則相反，具有大孔隙，強滲透性等特點，是良好的儲氣介質，造成其瓦斯的釋放濃度比頁巖大。

圖4 左右隧道軸線方向上瓦斯濃度分布

為掌握不同巖性條件下的瓦斯逸散規律，在頁巖段和砂巖段掌子面分別設置監測斷面，監測瓦斯濃度隨時間的變化規律，結果如圖5、圖6所示。

圖5 掌子面里程ZK85+720處的瓦斯逸散曲線

圖6 掌子面里程ZK85+400處的瓦斯逸散曲線

圖5為里程ZK85+720斷面(巖性為砂巖)處的瓦斯逸散曲線。從圖中可以看出，在同一斷面處拱頂的瓦斯初始濃度明顯比左、右拱腰位置處大，拱頂位置的瓦斯濃度約為1.8%，而左、右拱腰位置的瓦斯濃度約為1.0%，但隨著監測時間的推移，瓦斯濃度均迅速減小，在觀測時間達到5 h后，瓦斯的濃度小于0.2%，且處于基本穩定狀態。表明瓦斯的濃度可以采用通風排氣等措施進行驅散，僅需滿足通風換氣速率大于瓦斯逸出速率即可。

圖6為里程ZK85+400斷面(巖性為頁巖)處的瓦斯逸散曲線。從圖中可以看出，瓦斯的逸散規律與砂巖段表現出一致性，但瓦斯濃度趨于穩定的時間較長，在觀測時間達到9.5 h后，所有監測點的瓦斯的濃度才小于0.2%，且處于基本穩定狀態。表明頁巖的瓦斯逸散速度比砂巖的逸散速度低，在施工時需加強該巖性段落的通風、監測措施。

4 施工防治措施

4.1 人工監測與自動化監測相結合

如前文所述，由于非煤系地層隧道的瓦斯具有不均勻性以及難于預測其逸出量和逸出位置，因此在施工中應重視對非煤系地層瓦斯的監測。采用人工監測與自動化監測相互結合的措施，對隧道掌子面位置及后方已開挖20 m范圍內的瓦斯濃度進行重點監測，在隧道橫通道、防水板、集水井以及斷面轉角位置處等進行專項監測，以免瓦斯局部集聚[11]。瓦斯探測儀帶自動報警裝置，當瓦斯超過一定含量時自動報警。

按照瓦斯的監測濃度分級進行施工管理如表2所示。

表2 瓦斯濃度分級施工管理措施

在瓦斯濃度大于0.5%時，隧道內不應進行電氣焊、明火、電鉆以及放炮等作業，如果情況特殊不可避免時，應采取強通風措施，保持作業區前后20 m的瓦斯濃度均降低至0.5%以下，并在對作業前后20 m范圍內的隧洞拱頂及襯砌等易局部集聚瓦斯的部位采用空氣引射器進行瓦斯驅除處理，并設置足夠的滅火器械和供水量。

4.2 隧道通風換氣降低瓦斯濃度

瓦斯隧道的施工組織設計中，應根據里程段落長度、隧道斷面大小等設計參數，并結合擬投入機械設備、施工人員數量、施工工序、施工進度安排等因素，考慮一定富裕系數(天然氣瓦斯地層的瓦斯最大逸出量的不確定性)，提前做好通風設計計算，確定施工通風風量、風速(不小于1 m/s)，科學選配隧道施工通風所需風機、風管的性能和規格。

對于通風設備的設計，通風量由爆破后的排除煙塵量、作業工人數量以及瓦斯的逸出量分別計算后，取大值。設計的基本參數如表3所示。

表3 通風設備基本參數

4.3 防止瓦斯突出預案

隧道在施工過程中實施超前瓦斯探孔，若探孔鉆探過程中出現噴孔、阻力等異常現象時，或者孔內氣體壓力、氣水混合體噴出速率大于危險性臨界數值時，可判別開挖掌子面為瓦斯突出危險工作面，應立即停止施工，組織人員撤離，采取防突泄壓處理后方可進行下一步工序。

防止瓦斯突出采取鉆孔排放的方式進行。在有瓦斯突出危險預測孔周邊進行補孔排放，原則上1個預測孔補充3個排放鉆孔和1個排放效果檢驗鉆孔，其中至少1個排放鉆孔取芯，以準確判斷瓦斯的來源(儲集在砂體中或氣源斷裂)和前方地質情況，建議鉆孔采用φ465或φ110鉆孔。

施工時，應預留足夠的安全距離作為下階段預測距離。根據隧道開挖方法和現場地質條件等實際情況確定防突工作面以預留安全距離，一般經驗中，防突工作面的面積為8 m2時，工作面保持5 m的鉆孔超前距為安全距離，嚴禁超掘。

5 結論

以蘭海高速大土隧道為工程背景，對非煤系地層隧洞瓦斯濃度隨空間和時間的變化情況進行分析，并提出相應的施工防治措施，得出以下幾個結論:

(1)隨著觀測次數的增加，鉆孔裝藥前和爆破前的瓦斯濃度相近，均有減小的趨勢，爆破作用導致裂隙或巖體內儲氣空間相互連通，使得爆破后的瓦斯濃度明顯大于鉆孔裝藥前和爆破前，且呈現先增加后減小的趨勢。

(2)在空間分布上，瓦斯的逸出濃度明顯受到巖性的影響，砂巖段的瓦斯濃度比泥巖、頁巖段的大。

(3)在瓦斯的逸散規律上，同一掌子面拱頂的瓦斯濃度比左、右拱腰位置處大，砂巖掌子面比泥巖、頁巖掌子面的瓦斯逸散速率大，砂巖瓦斯濃度達到穩定的時間為5 h，而頁巖則需9.5 h。