炭質(zhì)泥巖區(qū)某高速公路瓦斯隧道勘察與特征分析

楊堉果，李劍偉

(四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610014)

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炭質(zhì)泥巖區(qū)某高速公路瓦斯隧道勘察與特征分析

楊堉果，李劍偉

(四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610014)

在我國(guó)西部山區(qū)，高速公路建設(shè)中的橋隧比越來越高，隧道不可避免地會(huì)遇到瓦斯問題，正確的勘察是保證瓦斯隧道高質(zhì)量建成的第一步也是極為重要的一步。文章以月亮灣隧道為例，通過地質(zhì)調(diào)繪和鉆探，分析了該隧道瓦斯生成及儲(chǔ)存基本特征，并對(duì)該瓦斯隧道的突出危險(xiǎn)性和等級(jí)區(qū)段進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

炭質(zhì)泥巖區(qū)；瓦斯；隧道；地質(zhì)構(gòu)造；勘察；瓦斯評(píng)價(jià)

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高速公路的建設(shè)規(guī)模也在逐漸增大。在我國(guó)西部山區(qū)，高速公路建設(shè)中的橋隧比越來越高，隧道不可避免地會(huì)遇到瓦斯問題。如果在勘察中未查明瓦斯情況，會(huì)導(dǎo)致在設(shè)計(jì)時(shí)不能提出正確的隧道結(jié)構(gòu)和施工措施，不但會(huì)在施工時(shí)發(fā)生嚴(yán)重安全事故，增加建設(shè)費(fèi)用，延誤工期，在隧道建成后也不能保證運(yùn)營(yíng)安全①，因此，正確的勘察是保證瓦斯隧道高質(zhì)量建成的第一步。

1 工程概況

月亮灣隧道為一座左右線分離式雙線越嶺隧道，長(zhǎng)度為2 280 m。隧址區(qū)為構(gòu)造剝蝕低山，為典型的褶皺斷塊山地貌，洞身地形中部高，兩出口地段地形較低，相對(duì)高差約244 m，隧道最大埋深222 m。

2 地質(zhì)調(diào)繪和鉆探

隧址區(qū)主要由一系列褶皺組成，隧道位于其中的高縣雙河背斜北段的北東翼，隧道進(jìn)口附近有福建山斷層通過。

根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪和鉆探揭露，洞身地層為三疊系上統(tǒng)須家河組(T3xj)砂巖、炭質(zhì)泥巖夾薄煤層，含煤層透鏡體。根據(jù)在隧道進(jìn)出口及洞身鉆孔揭露，煤層2～4層不等，厚5～40 cm，黑色，多呈塊狀及片狀，見鮮亮光澤，具參差狀斷口，塊狀較硬不易掰斷，部分可剝開成薄片狀(Ⅱ類煤)①。

3 瓦斯生成及儲(chǔ)存基本特征

區(qū)內(nèi)含煤地層屬區(qū)域性含煤較差的地區(qū)，含煤層數(shù)少，厚度小，厚度變化大，屬不穩(wěn)定煤層，有一定的生烴能力，但瓦斯生成總量有限。在隧道進(jìn)口ZK01鉆孔鉆進(jìn)至56 m時(shí)出現(xiàn)瓦斯氣體持續(xù)溢出現(xiàn)象，氣體溢出持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，存在深部氣體沿巖體裂隙運(yùn)移溢出的可能，但鉆探過程中未出現(xiàn)卡鉆、頂鉆等典型瓦斯突出現(xiàn)象。值得注意的是，與常見的僅煤層產(chǎn)生瓦斯氣體不同，在鉆進(jìn)至富含薄煤層、煤線的深度，并未有氣體溢出的跡象，而當(dāng)鉆孔至其下的砂巖段時(shí)，氣體才猛烈溢出，可見砂巖多孔的特性及構(gòu)造作用致使瓦斯氣體以吸附狀態(tài)和游離狀態(tài)賦存于砂巖孔隙和構(gòu)造裂隙中，同時(shí)由于砂巖多夾煤線，因此認(rèn)為此類砂巖既是生氣層也是儲(chǔ)氣層。

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)及工點(diǎn)附近地質(zhì)調(diào)繪分析其原因，隧址區(qū)處于高縣雙河背斜北東段的東翼并靠近背斜核部，在砂巖儲(chǔ)氣層頂部有炭質(zhì)泥巖封閉蓋層和隆起構(gòu)造圈閉，在隧道進(jìn)口外側(cè)即為福建山逆斷層，斷層下盤的侏羅系中下統(tǒng)自流井組(J1-2z)粉砂質(zhì)泥巖對(duì)氣體起到了封閉作用，這些因素一起為瓦斯的富集儲(chǔ)藏創(chuàng)造了條件，可以說這屬于“斷層及巖性圈閉”作用。氣體儲(chǔ)氣圈閉構(gòu)造見圖1。

圖1 瓦斯氣體儲(chǔ)氣圈閉示意圖

根據(jù)已有的工程經(jīng)驗(yàn)綜合分析，下述地層圈閉和背斜圈閉情況也利于瓦斯氣體的貯存，在隧道穿越中會(huì)引起氣體溢出，工程中應(yīng)予以重視。簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 氣體圈閉類型示意圖

4 煤與瓦斯氣體測(cè)試

(1)煤樣室內(nèi)試驗(yàn)

勘察過程中在隧道進(jìn)出口和洞身鉆孔內(nèi)均采取了煤樣，后期在室內(nèi)進(jìn)行了部分項(xiàng)目測(cè)試，結(jié)果見下表1。

(2)煤層瓦斯壓力測(cè)試

隧道瓦斯壓力測(cè)試采用國(guó)產(chǎn)KZWY91-1000型勘探鉆孔煤層瓦斯壓力測(cè)定儀，在隧道進(jìn)口ZK01號(hào)孔進(jìn)行了瓦斯壓力測(cè)試，測(cè)定瓦斯壓力為0.255 9 MPa。

表1 煤樣室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表

(3)瓦斯氣體成份分析

根據(jù)室內(nèi)瓦斯氣體分析，氣體成份中主要是甲烷CH4，占25.52%～79.14%，其次是氮?dú)釴2及CO2等。

5 隧道瓦斯評(píng)價(jià)

目前，公路瓦斯隧道方面沒有適用于勘察階段評(píng)價(jià)的相關(guān)規(guī)范，本文結(jié)合已建成的瓦斯隧道成果資料及《公路瓦斯隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》，并根據(jù)一些隧道老專家的總結(jié)資料，在本階段(初步設(shè)計(jì))對(duì)隧道在瓦斯突出危險(xiǎn)性和瓦斯隧道等級(jí)劃分方面作出評(píng)價(jià)，可滿足設(shè)計(jì)要求。

(1)隧道瓦斯突出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

《公路瓦斯隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》中表1.0.4-2列出了突出煤層鑒定的單項(xiàng)指標(biāo)臨界值，當(dāng)隧道煤層全部指標(biāo)均達(dá)到臨界值可確定為突出煤層，具體指標(biāo)見表2。

表2 突出煤層鑒定的單項(xiàng)指標(biāo)臨界值[1]表

根據(jù)本次的煤樣測(cè)試和瓦斯壓力測(cè)試，煤層瓦斯放散初速度△P=6.495，瓦斯壓力P=0.255 9MPa，對(duì)照上表各主要評(píng)判指標(biāo)，判定隧道本階段未揭露瓦斯突出煤層。

(2)瓦斯隧道等級(jí)區(qū)段劃分

依照《公路瓦斯隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》總則表1.0.4-1，隧道瓦斯等級(jí)區(qū)段劃分為微瓦斯段、低瓦斯段和高瓦斯段，其判定標(biāo)準(zhǔn)為區(qū)段瓦斯溢出量，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 瓦斯地層絕對(duì)瓦斯涌出量判定指標(biāo)值表

瓦斯氣體溢出量(q)計(jì)算參照《公路瓦斯隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》附錄E中“獨(dú)頭坑道瓦斯涌出量的計(jì)算方法”[1][2]，采用分源預(yù)測(cè)法，計(jì)算值由三部分組成：。q1為掘進(jìn)爆破后爆落巖塊中釋放出的瓦斯量；q2為掌子面(正面)及新爆巖壁(尚未噴混凝土封閉)釋放出的瓦斯量；q3為透過噴混凝土支護(hù)滲入洞內(nèi)的數(shù)量。計(jì)算中涉及的地層中氣體壓力取實(shí)測(cè)值0.255 9MPa，計(jì)算中涉及的巖體滲透系數(shù)、空隙率、氣密性噴混凝土滲透系數(shù)、施工開挖和支護(hù)速度等涉及施工的技術(shù)參數(shù)均采用推薦值或相關(guān)規(guī)范、手冊(cè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，隧道開挖斷面周長(zhǎng)按36m、面積按100m2計(jì)。經(jīng)計(jì)算瓦斯氣體溢出量總計(jì)為3.36m3/min，綜合評(píng)價(jià)，將隧道左、右線中通過含煤層段定為高瓦斯區(qū)段。

計(jì)算瓦斯溢出量的目的僅為勘察階段劃分區(qū)段的瓦斯等級(jí)，由于這時(shí)隧道未施工，故只能依據(jù)勘察期間確定的煤層位置、厚度、噸煤瓦斯含量、瓦斯氣體壓力等資料結(jié)合常用的施工技術(shù)參數(shù)來計(jì)算，由于資料的可靠性限制和計(jì)算式本身誤差，計(jì)算結(jié)果會(huì)與實(shí)際有一定出入，因此應(yīng)特別注意施工階段的復(fù)查和修正。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)與通常認(rèn)為的僅煤層產(chǎn)生瓦斯氣體不同，砂巖多孔的特性加之特殊的地質(zhì)構(gòu)造致使瓦斯氣體會(huì)以吸附狀態(tài)和游離狀態(tài)賦存于砂巖孔隙和構(gòu)造裂隙中，同時(shí)由于砂巖中夾煤線，會(huì)導(dǎo)致此類砂巖既是生氣層也是儲(chǔ)氣層。

(2)本文提出的斷層及巖性圈閉、地層圈閉、背斜圈閉等氣體圈閉類型利于瓦斯氣體的貯存，在隧道穿越中會(huì)引起氣體溢出，工程中應(yīng)予以重視。

(3)目前，公路瓦斯隧道方面沒有適用于勘察階段評(píng)價(jià)的相關(guān)規(guī)范，本文結(jié)合已建成的瓦斯隧道成果資料及《公路瓦斯隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》，在勘察階段對(duì)此類隧道在瓦斯突出危險(xiǎn)性和瓦斯隧道等級(jí)區(qū)段劃分方面作出評(píng)價(jià)，滿足了設(shè)計(jì)要求，對(duì)此類工程的勘察有一定的參考價(jià)值。

(4)目前鐵路、煤炭行業(yè)的煤、瓦斯參數(shù)測(cè)試主要是適用于煤系地層，對(duì)于炭質(zhì)泥巖、炭質(zhì)頁(yè)巖等含瓦斯地層，目前尚無具體的適用規(guī)范，一般是參考煤系地層進(jìn)行測(cè)試，但計(jì)算中由于炭質(zhì)巖層揮發(fā)分?jǐn)?shù)值極高[3]，應(yīng)用此參數(shù)計(jì)算瓦斯絕對(duì)涌出量會(huì)偏高，相對(duì)于工程設(shè)計(jì)偏于安全。

[1]四川省交通運(yùn)輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院.公路瓦斯隧道設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]TB10120-2002，鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范[S].

[3]王建軍.淺談炭質(zhì)板巖瓦斯隧道勘察方法與評(píng)價(jià)[J].鐵路建筑，2013(6)：61.

Analysis on Gas Tunnel Survey and Features of An Expressway in Carbonaceous Mudstone Area

YANG Yu-guo，LI Jian-wei

(Sichuan Communication Surveying & Design Institute，Chengdu，Sichuan，610014)

In the mountainous area of western China，the bridge and tunnel portion keeps growing in the expressway construction，the tunnel will inevitably encounter the gas problem，thus the proper investiga-tion is the first step to ensure the high-quality gas tunnel construction and is also the extremely important step.Taking Yueliang Bay Tunnel as the example，and by adjusting the geological drawings and drilling，it analyzed the basic gas generation and storage characteristics of this tunnel，and evaluated the promi-nent danger and grading sections of this gas tunnel.

Carbonaceous mudstone area；Gas；Tunnel；Geological structure；Survey；Gas evaluation

楊堉果(1983—)，工程師，碩士研究生，主要從事公路、水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)工作；

U452.1

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.11.011

1673-4874(2015)11-0051-03

2015-10-09

李劍偉(1980—)，高級(jí)工程師，碩士研究生，主要從事公路工程勘察設(shè)計(jì)工作。