含天然气地层隧道设计与施工

摘要：天然气地层中瓦斯气体以游离态型式存在，其涌出的随机性很强，隧道穿越该地层时，较之煤系地层有其独特的地方，本文以云顶山一号隧道为工程实例，分析含天然气地层中修建隧道的特点，从设计与施工方面提出合理的处理措施和防治手段。

关键词：天然气 隧道 设计 施工 防治

中图分类号：S611文献标识码：A 文章编号：

Abstract: natural gas formation in a gas pretreated with type exists, its poured out of the randomness of the strong, the tunnel when passed through the strata, compared with coal formation has its unique place, in this paper a number of genting mountain tunnel as the project example, the analysis including natural gas formation in the characteristics of tunnel construction, from the design and construction of the treatment measures are put forward and the prevention and control means.

Keywords: natural gas tunnel design construction control

随着国家加大基础设施建设投资力度，一些公路項目不可避免的穿越天然气富集区地层。而天然气地层中瓦斯涌出的随机性很强，不象煤系地层中瓦斯涌出位置可预测，因而其设计与施工较之煤系地层有其独特的地方。瓦斯隧道施工由于需要增加治理瓦斯的措施，而这些措施又需要增加工序或增加时间才能实现，往往付出较大的经济代价，同时，现有的相关设计、施工规范对于指导含天然气地层隧道工程的设计与施工还是存在一定差距，给隧道设计与施工带来一定的困难。因此，需要建设者从快速施工新工艺和新技术及配套设施等方面出发，进一步开展含天然气地层隧道设计与施工关键技术研究，获得设计和施工成套技术，为类似隧道工程建设提供技术参考，为公路隧道施工和施工技术广泛的修订提供依据。

1 工程概况

云顶山一号隧道系四川成德南高速公路上的特长隧道，左线长3577m，右线3574m，是该项目重点控制工程之一。隧道横穿龙泉山脉北段，位于龙泉山背斜断裂带的三皇庙背斜翼部和核部，最大埋深338m，穿越地层为侏罗系上统蓬莱镇组，岩性以泥岩和粉砂质泥岩为主，夹砂岩，中厚层状，产状与轴线近于垂直，倾向东，倾角9°～12°。

隧道穿越地层中天然气来源于其底部千余米下伏的四川盆地侏罗系气藏的主要气源岩“上三叠统须家河组须五段烃源岩”，其天然气沿气源断裂上窜至侏罗系储层富集成藏，形成裂隙型游离瓦斯为主的天然气，其特征是压力低、流量低而稳定、分布不均匀、天然气涌出的随机性很强，主要受裂缝系统发育情况及与储气层相通且封闭条件好的砂岩透镜体分布范围的控制，当隧道开挖遇到这种裂隙或砂岩透镜体时，就有天然气溢出。

勘察阶段结合隧道穿越的地层岩性、地层产状、地质构造及裂缝发育情况，从天然气运聚条件、盖层条件和水文地质特征对侏罗系次生气藏成藏要素综合研究，认为云顶山一号隧道在埋深小于50m的洞口段含气量较低，埋深大于50m的洞身段含气量较高，施工过程中需随时监测含气情况，预警裂缝集中段和隐伏断层、泥岩中透镜状砂岩储集体。同时根据石油钻探成果，并类比同一区域铁路隧道施工情况，该隧道为高瓦斯隧道，其瓦斯成分与煤层气相同，存在状况及危险程度与煤层气相似。

2 结构设防设计

云顶山一号隧道穿越含天然气地层，全隧道均可能遇瓦斯气体，因而设计原则的确定尤为重要。本设计采取的基本思路是预设计的办法，全隧道根据天然气中瓦斯含量高低采取分段分级设防的衬砌结构，在施工过程中根据超前水平钻孔和实时瓦斯监测情况作设计调整，加强施工通风、钻爆控制、安全防护及合理的施工工序等多个系统及相应的措施要求，以达到经济、合理修建隧道的目的。对运营期间的天然气防治采取了“防、排、堵”相结合、综合治理的原则，使天然气不渗入隧道影响运营，又使衬砌背面的天然气能够减压排放，减少渗人隧道危险性。

2.1 结构防水、防气系统

为尽量避免围岩中的有害气体渗入隧道内，设计中采用多道措施全封闭地层中涌出的天然气和地下水。

（1）隧道初期支护喷混凝土和模筑二次衬砌混凝土均采用防腐蚀气密性混凝土，其中喷混凝土的渗透系数不大于10-10cm/s，模筑二衬混凝土的渗透系数不大于10-11cm/s。初支与二衬之间全断面满铺防水层兼作瓦斯隔离层为第二道防线，防水层采用单面自粘式EVA防水板+无纺布，防水板厚1.5mm，无纺布300g/m2 。最后隧道衬砌变形缝和施工缝均严格气密性处理，即设置一道中埋式橡胶止水带和一道遇水膨胀止水膏，缝间结合面刷涂界面剂，缝表面两侧50cm范围刷涂水泥基渗透结晶型防水涂料防水气。

（2）考虑瓦斯等有害气体对混凝土结构的腐蚀作用，从结构的耐久性出发，适当提高混凝土强度等级，初期支护采用C25湿喷混凝土，厚度不小于15cm，二次衬砌采用C30模筑混凝土，厚度不小于40cm。

（3）初期支护施工完成后，若洞身纵向大于80m范围内未监测到瓦斯等有害气体，则及时实施动态设计，取消防水板的全断面设置、施工缝变形缝的气密处理，二次衬砌混凝土调整为普通防水混凝土结构。

2.2 结构排水、排气系统

隧道设置衬砌背面盲沟排水、排气的两套独立排放系统。盲沟均采用HDPE波纹管，喷混凝土表面环向按10m间距均匀铺设φ50HDPE单壁打孔排水、排气盲管，左右边墙底部设置φ200HDPE双壁打孔波纹管各一道，防水层和喷混凝土之间纵向按50m的间距设置水气分离装置，用于分离瓦斯设防段流出的水气混合体。通过环向排水盲沟、墙底纵向排水盲沟收集的地下水，经水气分离装置处理后，通过横向引水管汇集至中心水沟排出洞外；另一方面，由水气分离装置分离出的瓦斯气体经环向盲沟引至拱顶排气钢花管，经洞口浅埋段设置的竖向钢管排出洞外。

3 施工措施

3.1 施工通风

对于含天然气的瓦斯隧道，合理的施工通风系统是将洞内施工区域空气中瓦斯含量降至安全浓度的有力保障。施工期间需要的风量按隧道内同时工作最多人数（以每人每分钟供给新鲜空气量4m3 ）、按隧道内同时放炮使用的最多炸药量、按隧道内同时各工作面瓦斯涌出量、按瓦斯隧道所需的最小风速（防止瓦斯积聚的最小风速）分别计算风量，并取其最大值作为设计风量。

云顶山一号隧道需风量为1455～2310m3/min，选用2台SFDZ№14/2×110型对旋式隧道通风机，设2台SDS-D射流风机调节风流流向，风机风量2600m3/min，风压为2900Pa，隧道内最小风速为Vmin=0.399m/s≥0.25m/s。结合本隧道的特点，施工通风先期采用压入式，后期长距离采用双机双风筒压入式通风方式，此方式增加了风筒有效供风面积，降低了对风机供风压力的要求，双风筒破损概率较小，减小了风筒破损造成风流急剧损失风险。此外，主引流作用的射流风机能有效调节隧道内风流压力状态，使风流有序流动，利用洞内瓦斯气体沿通风设计线路排出洞外。

在施工期间，设专门的通风管理机构，负责通风系统各种设备的管理和检修，定期测试洞内风速、风量、气温、气压、瓦斯浓度等并作详细记录，计算有效风量，及时修正通风系统。

3.2 预测预报

施工中采用综合预报方法预测隧道掌子面前方地层中天然气赋存情况，预测预报以地质分析为基础，辅以物探手段，最终采用水平超前钻探加以验证。

结合地质勘察资料，主要针对掌子面的地层岩性、构造和节理裂隙发育情况、地下水状态、围岩稳定性等进行地质分析，预测前方地质状况。

采用煤矿用防爆型液压钻机进行水平超前钻孔，全断面超前水平钻孔5～7个，钻孔不小于直径89mm，每个钻孔深度为50m，钻孔终孔点超出隧道开挖轮廓线5m以上，前后两循环钻孔搭接长度为5m以上。钻孔过程中根据钻进速度的变化、岩芯岩性、冲洗液颜色等分析判断前方是否有油气浸染及存储油气的可能，成孔后采用便携式瓦斯检测仪进行浅层瓦斯测试（见图1）。

图1水平超前地质钻探流程图

对于揭露的含气层，根据需要测试开挖工作面前方含气层赋存参数、瓦斯压力、瓦斯气体组份和含量、瓦斯流量及衰减系数等，根据检测结果核对施工工区和含气地层的瓦斯等级，及时进行修正，及时进行动态变更设计。

3.3 瓦斯监测

采用“双保险”监测措施，即建立遥控自动化监测系统与人工现场监测相结合，并建立风、瓦、电联锁系统和声光报警系统。遥控自动化系统由洞口监测中心（配置主控计算机）和洞内的控制分站以及在洞内各工作面、各巷道、塌方空洞、巷道转角等处设置的瓦斯浓度探头、风速探头、自动报警器、远程断电仪组组成。通过各探头，洞口和监测中心随时了解洞内各处瓦斯浓度和风速情况，如有超标立即报警并通过断电器关闭洞内电器电源。各工作面和瓦斯情况可及时地被监控人员掌握，提高对事故的应变能力，特别是放炮期间，监测人员能立即观察到炮后瓦斯浓度变化曲线和涌出量，节省施工间隙。但由于设置自动监测系统的探头须离开挖面有一定的距离，还需瓦检人员采用便携式瓦斯检定仪配合检查，实行装药前，放炮前，爆破后人工进行瓦斯检查（即一炮三检查），使得开挖过程中监测瓦斯浓度做到不间断。

图2瓦斯监控系统示意图

3.3 火源管理

由于地质结构的多样性，隧道内瓦斯气体涌出位置、涌出量、涌出时间等不确定性，洞内施工需严格控制火源。洞内产生火花的原因，不外乎是放炮、电气火花、静电感应、撞击和焊接工艺。因此施工中首先严格要求使用毫秒雷管和煤矿安全炸药进行开挖掘进，再次，对进洞参与作业的动力与照明电缆、电器与保护装置、照明设备、通风设备、大型作业机械设备、各类测量与监测设备以及可能产生静电的全部机具、设备、设施，进行一体化防爆改装或直接更换为防爆型。

另外，为避免电焊、气焊、切割等工作引起瓦斯事故，瓦斯段将洞内焊接工艺均调整为不动火工艺，主要措施有：

（1）洞内钢筋网片安装采用绑扎工艺，利用系统锚杆端部垫板和钢架绑扎固定。

（2）型钢钢架上设置“U”型φ22短钢筋（双面焊），纵向连接钢筋与短钢筋绑扎连接。

（3）格栅钢架纵向连接钢筋直接与格栅主筋绑扎，绑扎长度不小于10cm。

（4）钢架锁脚锚杆尾部设10cm长直弯钩，与格栅主筋或型钢钢架预先焊接短钢筋（应尽量利用与纵向钢筋连接的短钢筋）绑扎连接。

（5）超前支护按原设计要求与钢架支撑配合使用，并从钢架腹部穿过，使尾端支于开挖面后方钢架之上，型钢钢架按超前支护环向间距与腹板上穿孔。

（6）采用单面自粘式防水板兼防气。

（7）特殊的、不可避免的焊接，实行动火审批制度，且在焊接过程中要求检测人员现场检测，瓦斯浓度须<0.5%。

3.4 其他安全保障系统

停电不仅造成停工，更严重的是造成洞内瓦斯聚集，容易酿成重要大事故，因此，可靠的供电系统，对有瓦斯的隧道施工尤为重要。施工期间采用双电源、双回路、风瓦电闭锁等措施建立可靠的供电系统，确保施工期间供电不中断。除上述诸项措施外，建立健全和完善瓦斯隧道施工的工作制度、组织机构和检测制度同样是安全施工的保障。

4 结束语

隧道施工中曾多次揭露瓦斯气体，在参建各方的共同努力下均顺利通过。施工表明云顶山一号隧道对瓦斯的预测预报和分析方法是可行的，符合实际情况；监测系统准确、可靠，具有较强的实用价值；支护形式安全可靠，对瓦斯的封闭方法满足要求；通风系统合理可行，能有效快速的降低洞内瓦斯浓度。

总之，天然气地层中瓦斯气体以游离态型式存在，其涌出的随机性很强，隧道施工不可预见和无法抗拒的因素多，安全隐患大，施工前应多作现场调查，周密计划，多准备一些应急手段，在施工中应采取针对性强的技术措施，精心组织，严格管理，把风险降低到最小的程度。

参考文献：

重庆交通科研设计院.公路隧道设计规范(JTG D70-2004) [S].北京:人民交通出版社

铁道部第二勘測设计院.铁路工程技术手册-隧道[S].北京:中国铁道出版社

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王毅才.隧道工程[M]. 北京:人民交通出版社

中华人民共和国铁道部.铁路瓦斯隧道技术规范（TB10120-2002 J160-2002）[S].北京: 中国铁道出版社

作者简介：吴志刚（1978年12月-），男，工程师，2002年毕业于中南大学，目前从事公路隧道及地下工程研究。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。