蘭渝鐵路圖山寺隧道瓦斯探測預(yù)測技術(shù)

魚海曄,張善穩(wěn)

(1.中鐵一局集團(tuán)有限公司,西安 710054;2.西安市地下鐵道有限公司,西安 710054)

蘭渝鐵路圖山寺隧道瓦斯探測預(yù)測技術(shù)

魚海曄1,張善穩(wěn)2

(1.中鐵一局集團(tuán)有限公司,西安 710054;2.西安市地下鐵道有限公司,西安 710054)

瓦斯隧道的超前探測預(yù)測,是防止隧道瓦斯災(zāi)害性事故發(fā)生的有效措施之一。施工中采用地質(zhì)勘查、地質(zhì)描述法,中、遠(yuǎn)距離物探,超前鉆孔以及加深炮孔探測的方法,對圖山寺隧道瓦斯進(jìn)行超前探測和預(yù)報,并根據(jù)探測預(yù)報的結(jié)果采取合理、有效的施工措施,降低瓦斯的含量到允許的范圍內(nèi),確保了隧道的施工安全。

鐵路隧道;瓦斯探測;瓦斯監(jiān)測;施工

1 工程概況

蘭渝鐵路圖山寺單線隧道是蘭渝鐵路高風(fēng)險隧道之一,長3216m,位于四川省南充市境內(nèi)。隧道進(jìn)出口各設(shè)800m的平導(dǎo),平導(dǎo)與正洞線間距為30m,最大埋深160m,最小埋深77m。

隧道所處區(qū)域為西山向斜的西北翼,分別穿過第四系土層和侏羅系泥巖夾砂巖地層,巖層為緩傾巖層,節(jié)理較發(fā)育,圍巖基本分級為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級,地下水不發(fā)育。

隧道位于川東淺層天然氣發(fā)育地區(qū),在其2000～2800m以下為含氣地層,天然氣等有害氣體可能順著巖層裂隙上逸,并在隧道洞身范圍基巖裂隙或裂縫中局部游離富集,形成氣囊,并具有隨機(jī)性和不均勻性?？辈煸O(shè)計鉆孔測試結(jié)果顯示單孔天然氣最高濃度9500ppm,計算隧道天然氣含量6087m3,瓦斯壓力0.2kPa,天然氣絕對涌出量3.03m3/min,存在溢出天然氣危害,天然氣的主要成分是瓦斯,設(shè)計判定為高瓦斯隧道[1]。施工揭示天然氣瓦斯?jié)舛茸罡哌_(dá)6.4%。

2 瓦斯超前探測方法

隧道所處區(qū)域地層較單一,地質(zhì)構(gòu)造簡單,沒有大的地質(zhì)構(gòu)造,隧道的超前地質(zhì)預(yù)報主要是探測隧道掌子面前方的瓦斯含量和瓦斯溢出性,根據(jù)探測結(jié)果采取相應(yīng)的措施,防止災(zāi)害性事故的發(fā)生。由于圖山寺隧道為高瓦斯隧道,存在天然氣逸出危害,施工過程中全隧道開展綜合超前地質(zhì)預(yù)報工作,并將其作為重要的工序。主要通過施工中地質(zhì)勘察及地質(zhì)素描,HSP的中、遠(yuǎn)距離物探,超前鉆孔以及每一掘進(jìn)循環(huán)的加深炮眼實現(xiàn)超前瓦斯探測預(yù)報工作[2]。

2.1 地質(zhì)勘查、地質(zhì)描述法

每一次隧道開挖后,通過對隧道掌子面地質(zhì)勘查、隧道掌子面的地質(zhì)描述,查明實時地質(zhì)條件,主要針對圍巖巖性、節(jié)理裂隙參數(shù)和地下水的狀況,判斷圍巖條件、分析圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育情況,分析裂隙對天然氣逸出的影響,預(yù)測前方圍巖的地質(zhì)條件及可能的天然氣逸出的情況。

2.2 通過中、遠(yuǎn)距離物探的方法

由于圖山寺隧道的瓦斯是從2000～2800m以下為含氣地層巖巖層裂隙上逸進(jìn)入隧道同時在巖層裂隙中富存,所以應(yīng)先把探明地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育程度和節(jié)理裂隙的發(fā)育作為超前地質(zhì)探測的重點(diǎn)。隧道采用HSP的物探方法對隧道情況進(jìn)行中、遠(yuǎn)距離圍巖地質(zhì)條件探測,主要探測前方的地質(zhì)構(gòu)造、圍巖節(jié)理裂隙的發(fā)育情況。根據(jù)預(yù)測結(jié)果,把構(gòu)造和圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育帶作為瓦斯檢測的重點(diǎn)地段。HSP探測每150m施做1次,連續(xù)兩次的預(yù)報重疊10m[2]。

2.3 采用超前鉆孔的方法探測地質(zhì)情況和前方隧道瓦斯的發(fā)育情況

超前探孔可直觀地探明前方的地質(zhì)情況,可以通過檢測測探孔里的天然氣濃度、涌出量、壓力等參數(shù),預(yù)測和評價前方的瓦斯涌出的位置、瓦斯含量和參數(shù),以便制定針對性的措施[3]。

超前鉆孔采用φ76mm的超前地質(zhì)鉆孔,每25m施作1次,每次至少3孔,每孔長30m,每次搭接長度不得小于5m。探孔布設(shè)在隧道開挖輪廓線位置,并向外插施作,探孔的終孔連線應(yīng)位于隧道開挖輪廓線外3m以上[1]。如圖1所示。

超前探孔處設(shè)瓦斯監(jiān)測點(diǎn),監(jiān)測瓦斯的濃度。在超前鉆孔施工時,隨時監(jiān)測孔口處的瓦斯?jié)舛?防止出現(xiàn)瓦斯突出等異常情況,超前探孔鉆孔完成后,對孔內(nèi)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行監(jiān)測,通過對孔內(nèi)瓦斯?jié)舛群涂卓谕咚節(jié)舛葘Ρ?判斷瓦斯是否存在壓力、以及有無涌出可能。超前探孔也可以起提前排放瓦斯的作用,可降低前方瓦斯的濃度[4]。

圖1 探孔斷面布置示意(單位:m)

2.4 采用加深炮孔探測是否有瓦斯存在

每一個循環(huán)開挖施工時設(shè)加深炮孔,每個斷面的加深炮孔不少于5個,均勻分布于掌子面,炮眼加深長度不小于5m。加深炮眼主要為探明本次開挖循環(huán)的前方5m范圍內(nèi)是否存在瓦斯富集區(qū),防止隧道爆破時瓦斯大量涌出,造成災(zāi)害性的事故[5]。

3 瓦斯超前探測工序流程

圖山寺隧道采用HSP的物探方法對隧道的地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測,預(yù)報前方是否有瓦斯富集的地質(zhì)構(gòu)造和條件[2]。同時全隧道采用超前鉆孔和加深炮孔的方法探測地質(zhì)情況和前方隧道瓦斯的發(fā)育情況,瓦斯的探測主要通過超前探孔探測和加深炮眼探測。超前鉆孔探測瓦斯的的作業(yè)流程如圖2所示。

圖2 瓦斯超前探測工序流程

3.1 超前鉆孔探測隧道前方瓦斯的特性

超前探孔可以直接的揭露前方的瓦斯富集的巖層,通過檢測超前探孔的瓦斯的壓力和孔內(nèi)瓦斯的涌出量以及積聚部位,判斷前方地層瓦斯的賦存情況,采取有效的措施,確保施工安全。

在鉆孔鉆進(jìn)時,在孔口位置設(shè)置瓦斯檢測點(diǎn),動態(tài)檢測孔口瓦斯的濃度,檢測防止出現(xiàn)瓦斯突出。每鉆進(jìn)5m檢測一次孔內(nèi)瓦斯的濃度及孔口處的濃度、瓦斯壓力,掌握鉆孔穿越地層的瓦斯發(fā)育情況。每次開挖爆破后,也對孔口和孔內(nèi)位置的瓦斯進(jìn)行檢測,密切注意瓦斯涌出量和隧道開挖爆破的的關(guān)系,防止因爆破振動造成巖石裂隙而引發(fā)隧道瓦斯突出。

超前探測在隧道斷面只有3個,而且是向外插,為了更詳細(xì)地探測每次開挖爆破前方掌子面的瓦斯情況,配合超前探孔探測,采用每個開挖循環(huán)在掌子面布置不少于5個的加深炮孔,采用加深炮孔探測當(dāng)前開挖掌子面前方的瓦斯?fàn)顩r,以便采取相應(yīng)的措施。每一個循環(huán)開挖打眼時,先施工加深炮孔,炮孔鉆眼時,在孔口位置設(shè)置瓦斯檢測點(diǎn),動態(tài)檢測孔口瓦斯的濃度,檢測防止出現(xiàn)瓦斯突出,成孔后,測定孔口和孔底的瓦斯?jié)舛群蛪毫?根據(jù)探測的結(jié)果,指導(dǎo)下一步施工。爆破完成后,再次監(jiān)測加深炮孔的瓦斯?fàn)顩r,掌握瓦斯的涌出規(guī)律。

3.2 根據(jù)瓦斯的探測結(jié)果采取的施工措施[6,7]

(1)探測瓦斯壓力和積聚位置,當(dāng)瓦斯壓力小于0.6MPa,可正常進(jìn)行開挖施工。

(2)當(dāng)瓦斯壓力在0.6～1.0MPa,應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng),采取自然排放的方式排放瓦斯。

(3)當(dāng)瓦斯壓力大于1.0MPa,在隧道掘進(jìn)至距離瓦斯積聚位置5m處,停止掘進(jìn),在涌出孔附近施作瓦斯排放孔,進(jìn)行瓦斯排放,將瓦斯壓力降至1.0MPa以下,若24h內(nèi)不能使其降低,則應(yīng)立即封閉,采取抽放的方式降低瓦斯?jié)舛取?/p>

(4)檢測孔內(nèi)瓦斯涌出量,如果單孔瓦斯涌出量小于5L/min,則可正常進(jìn)行開挖施工。

(5)如果單孔瓦斯涌出量大于5L/min,在隧道掘進(jìn)至距離瓦斯積聚位置5m處,停止掘進(jìn),在涌出孔附近施作瓦斯排放孔,進(jìn)行瓦斯排放,將單孔瓦斯涌出量降到5L/min以下,若24h內(nèi)不能使其降低,則應(yīng)立即封閉,采取抽放的方式降低瓦斯?jié)舛取?/p>

(6)測量加深炮孔的瓦斯含量和壓力,瓦斯含量未超過5L/min、或壓力未超過1.0MPa,可正常進(jìn)行其他炮眼的鉆孔工作。當(dāng)瓦斯含量或壓力超標(biāo)時,采取相應(yīng)的施工措施。

4 圖山寺隧道瓦斯探測的實施

圖山寺隧道的瓦斯的超前預(yù)測預(yù)報采取“長距離與短距離探測、微觀與宏觀探測、物探與鉆探”相結(jié)合的“三結(jié)合”原則進(jìn)行預(yù)報。先采取物探超前預(yù)報系統(tǒng)進(jìn)行長距離預(yù)報,判斷圍巖地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)育情況,是否存在瓦斯賦存的地質(zhì)條件,再以超前鉆孔作為中長距離的驗證探測、具體探測前方的瓦斯發(fā)育情況,最后在每茬炮開挖時采用5孔加深炮眼作加深驗證。預(yù)報頻率為:HSP超前預(yù)報150m/次,搭接10m,超前鉆孔25m/次,搭接5m,加深炮眼每茬炮施作1次。

圖山寺隧道ID2K787+918～I(xiàn)D2K787+768段,采用HSP探測到DK787+906～DK787+877段存在3條縱波正負(fù)反射構(gòu)造界面、4條橫波反射構(gòu)造界面;據(jù)此判斷該段巖體破碎、巖石強(qiáng)度較低,DK787+898處存在縱波反射構(gòu)造界面,可能存在局部構(gòu)造帶或軟弱夾層。而局部構(gòu)造帶為隧底下埋天然氣瓦斯上逸提供了良好的通道,巖體破碎及其間的裂隙,為瓦斯吸附、游離創(chuàng)造了較好的條件。見圖3、圖4。

圖3 縱橫波速率及反射波比率分布

圖4 縱橫波繞射偏移圖

據(jù)HSP探測結(jié)果預(yù)留5m安全巖盤,開挖到DK787+911掌子面布置3孔30m長超前鉆孔,其參數(shù)見圖5,按照鉆孔1、鉆孔2和鉆孔3的順序施鉆, DK787+903～DK787+885段鉆孔12、鉆孔2超前鉆孔過程中有突進(jìn)現(xiàn)象、鉆速較其他段落快;采用光干涉式瓦斯檢測儀每鉆進(jìn)1m測1次瓦斯?jié)舛?測得鉆孔1m內(nèi)瓦斯?jié)舛茸畲筮_(dá)6.4%,鉆孔2、鉆孔3分別為4.1%、3.6%。測量瓦斯涌出量,小于55L/min,無壓力。據(jù)此判斷該段圍巖裂隙發(fā)育,圍巖破碎,瓦斯含量高。

圖5 超前探測鉆孔布置(單位:cm)

每一個循環(huán)開挖施工時設(shè)5個5m的加深炮孔,測加深炮孔瓦斯?jié)舛?孔內(nèi)瓦斯?jié)舛茸罡邽?.1%,孔口瓦斯?jié)舛任闯^0.5%,可能是超前探孔提前排放了部分瓦斯,以及加深炮孔較淺,瓦斯容易排放和被稀疏。

5 結(jié)語

瓦斯隧道施工中瓦斯防治的手段主要是瓦斯的超前探測、瓦斯的監(jiān)測、通風(fēng)降低瓦斯?jié)舛?、火源及易產(chǎn)生明火的風(fēng)險源的管理及瓦斯風(fēng)險管理制度的嚴(yán)格執(zhí)行[8]。瓦斯的超前探測是隧道向前掘進(jìn)施工的首道工序,為隧道的開挖掘進(jìn)工序提供指導(dǎo),是瓦斯隧道安全施工的關(guān)鍵工序[9,10]。在隧道施工期間,超前探孔孔內(nèi)一般瓦斯?jié)舛葹?.5%～4.5%,最高探測瓦斯?jié)舛冗_(dá)到6.4%。隧道內(nèi)一般在爆破開挖后,瓦斯?jié)舛容^高,最高達(dá)到0.84%,在隧道通風(fēng)后,一般都會很快就降低到正常水平,在隧道的其他施工工序過程中,檢測的瓦斯?jié)舛仍?.03% ～0.35%。圖山寺隧道通過有效的瓦斯探測預(yù)測手段,預(yù)測分析隧道前方瓦斯發(fā)育情況、瓦斯涌出、巖體瓦斯壓力、瓦斯含量、突出性噴出等特性,采取應(yīng)對措施,制定合理的施工方案,確保了隧道的安全施工。

[1] 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.新建鐵路蘭州至重慶線廣重段南充東至高興單線圖山寺隧道施工圖[Z].成都:中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,2009.

[2] 龔玉華,王勇.綜合地質(zhì)預(yù)報技術(shù)在壇廠隧道施工中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2011(6):163 -168.

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[4] 李杰,黃春峰.合武鐵路客運(yùn)專線紅石巖隧道瓦斯成因探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2007(S1):98 -99.

[5] 李斐,陳達(dá),朱燕琴.杭州地鐵1號線彭埠站 建華站區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿有害氣體土層工程設(shè)計[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2010(10): 108 -113.

[6] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤礦安全規(guī)程[S].北京:煤炭工業(yè)出版社,2009.

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[9] 中華人民共和國鐵道部.TB10120—2002 鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國鐵道出版社,2002.

[10]鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院.TZ204—2008 鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[S].北京:中國鐵道出版社研究,2008.

Gas Detection and Prediction Technology of Tushan Temple Tunnel of Lanzhou-Chongqing Railway

YU Hai-ye1, ZHANG Shan-wen2
(1. China Railway First Group Co. , Ltd. , Xi'an 710054, China; 2. Xi'an Metro Co. , Ltd. , Xi'an 710054, China)

The most effective measures to prevent the catastrophe of gas exploding in tunnel are the advanced detection and prediction.Several methods such as geologic exploration,stratum description,far and middle distance geophysical prospecting,advanced borehole and deepened hole were adopted for gas detection and prediction of the Tushan Temple Tunnel.Then based on the results of detection and prediction,the reasonable and effective construction measures were employed which could reduce the gas content to an allowable range so as to ensure construction safety of the tunnel.

railway tunnel;gas detection;gas monitoring;construction

U456.3+3

A

1004 -2954(2012)12 -0078 -03

2012-04-28

魚海曄(1970—),女,高級工程師,1992年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院鐵道工程專業(yè),E-mail:306798423@qq.com。