兰渝铁路图山寺隧道瓦斯探测预测技术

鱼海晔,张善稳

(1.中铁一局集团有限公司,西安 710054;2.西安市地下铁道有限公司,西安 710054)

兰渝铁路图山寺隧道瓦斯探测预测技术

鱼海晔1,张善稳2

(1.中铁一局集团有限公司,西安 710054;2.西安市地下铁道有限公司,西安 710054)

瓦斯隧道的超前探测预测,是防止隧道瓦斯灾害性事故发生的有效措施之一。施工中采用地质勘查、地质描述法,中、远距离物探,超前钻孔以及加深炮孔探测的方法,对图山寺隧道瓦斯进行超前探测和预报,并根据探测预报的结果采取合理、有效的施工措施,降低瓦斯的含量到允许的范围内,确保了隧道的施工安全。

铁路隧道;瓦斯探测;瓦斯监测;施工

1 工程概况

兰渝铁路图山寺单线隧道是兰渝铁路高风险隧道之一,长3216m,位于四川省南充市境内。隧道进出口各设800m的平导,平导与正洞线间距为30m,最大埋深160m,最小埋深77m。

隧道所处区域为西山向斜的西北翼,分别穿过第四系土层和侏罗系泥岩夹砂岩地层,岩层为缓倾岩层,节理较发育,围岩基本分级为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级,地下水不发育。

隧道位于川东浅层天然气发育地区,在其2000～2800m以下为含气地层,天然气等有害气体可能顺着岩层裂隙上逸,并在隧道洞身范围基岩裂隙或裂缝中局部游离富集,形成气囊,并具有随机性和不均匀性。勘察设计钻孔测试结果显示单孔天然气最高浓度9500ppm,计算隧道天然气含量6087m3,瓦斯压力0.2kPa,天然气绝对涌出量3.03m3/min,存在溢出天然气危害,天然气的主要成分是瓦斯,设计判定为高瓦斯隧道[1]。施工揭示天然气瓦斯浓度最高达6.4%。

2 瓦斯超前探测方法

隧道所处区域地层较单一,地质构造简单,没有大的地质构造,隧道的超前地质预报主要是探测隧道掌子面前方的瓦斯含量和瓦斯溢出性,根据探测结果采取相应的措施,防止灾害性事故的发生。由于图山寺隧道为高瓦斯隧道,存在天然气逸出危害,施工过程中全隧道开展综合超前地质预报工作,并将其作为重要的工序。主要通过施工中地质勘察及地质素描,HSP的中、远距离物探,超前钻孔以及每一掘进循环的加深炮眼实现超前瓦斯探测预报工作[2]。

2.1 地质勘查、地质描述法

每一次隧道开挖后,通过对隧道掌子面地质勘查、隧道掌子面的地质描述,查明实时地质条件,主要针对围岩岩性、节理裂隙参数和地下水的状况,判断围岩条件、分析围岩节理裂隙发育情况,分析裂隙对天然气逸出的影响,预测前方围岩的地质条件及可能的天然气逸出的情况。

2.2 通过中、远距离物探的方法

由于图山寺隧道的瓦斯是从2000～2800m以下为含气地层岩岩层裂隙上逸进入隧道同时在岩层裂隙中富存,所以应先把探明地质构造的发育程度和节理裂隙的发育作为超前地质探测的重点。隧道采用HSP的物探方法对隧道情况进行中、远距离围岩地质条件探测,主要探测前方的地质构造、围岩节理裂隙的发育情况。根据预测结果,把构造和围岩节理裂隙发育带作为瓦斯检测的重点地段。HSP探测每150m施做1次,连续两次的预报重叠10m[2]。

2.3 采用超前钻孔的方法探测地质情况和前方隧道瓦斯的发育情况

超前探孔可直观地探明前方的地质情况,可以通过检测测探孔里的天然气浓度、涌出量、压力等参数,预测和评价前方的瓦斯涌出的位置、瓦斯含量和参数,以便制定针对性的措施[3]。

超前钻孔采用φ76mm的超前地质钻孔,每25m施作1次,每次至少3孔,每孔长30m,每次搭接长度不得小于5m。探孔布设在隧道开挖轮廓线位置,并向外插施作,探孔的终孔连线应位于隧道开挖轮廓线外3m以上[1]。如图1所示。

超前探孔处设瓦斯监测点,监测瓦斯的浓度。在超前钻孔施工时,随时监测孔口处的瓦斯浓度,防止出现瓦斯突出等异常情况,超前探孔钻孔完成后,对孔内瓦斯浓度进行监测,通过对孔内瓦斯浓度和孔口瓦斯浓度对比,判断瓦斯是否存在压力、以及有无涌出可能。超前探孔也可以起提前排放瓦斯的作用,可降低前方瓦斯的浓度[4]。

图1 探孔断面布置示意(单位:m)

2.4 采用加深炮孔探测是否有瓦斯存在

每一个循环开挖施工时设加深炮孔,每个断面的加深炮孔不少于5个,均匀分布于掌子面,炮眼加深长度不小于5m。加深炮眼主要为探明本次开挖循环的前方5m范围内是否存在瓦斯富集区,防止隧道爆破时瓦斯大量涌出,造成灾害性的事故[5]。

3 瓦斯超前探测工序流程

图山寺隧道采用HSP的物探方法对隧道的地质构造进行远距离探测,预报前方是否有瓦斯富集的地质构造和条件[2]。同时全隧道采用超前钻孔和加深炮孔的方法探测地质情况和前方隧道瓦斯的发育情况,瓦斯的探测主要通过超前探孔探测和加深炮眼探测。超前钻孔探测瓦斯的的作业流程如图2所示。

图2 瓦斯超前探测工序流程

3.1 超前钻孔探测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岩层,通过检测超前探孔的瓦斯的压力和孔内瓦斯的涌出量以及积聚部位,判断前方地层瓦斯的赋存情况,采取有效的措施,确保施工安全。

在钻孔钻进时,在孔口位置设置瓦斯检测点,动态检测孔口瓦斯的浓度,检测防止出现瓦斯突出。每钻进5m检测一次孔内瓦斯的浓度及孔口处的浓度、瓦斯压力,掌握钻孔穿越地层的瓦斯发育情况。每次开挖爆破后,也对孔口和孔内位置的瓦斯进行检测,密切注意瓦斯涌出量和隧道开挖爆破的的关系,防止因爆破振动造成岩石裂隙而引发隧道瓦斯突出。

超前探测在隧道断面只有3个,而且是向外插,为了更详细地探测每次开挖爆破前方掌子面的瓦斯情况,配合超前探孔探测,采用每个开挖循环在掌子面布置不少于5个的加深炮孔,采用加深炮孔探测当前开挖掌子面前方的瓦斯状况,以便采取相应的措施。每一个循环开挖打眼时,先施工加深炮孔,炮孔钻眼时,在孔口位置设置瓦斯检测点,动态检测孔口瓦斯的浓度,检测防止出现瓦斯突出,成孔后,测定孔口和孔底的瓦斯浓度和压力,根据探测的结果,指导下一步施工。爆破完成后,再次监测加深炮孔的瓦斯状况,掌握瓦斯的涌出规律。

3.2 根据瓦斯的探测结果采取的施工措施[6,7]

(1)探测瓦斯压力和积聚位置,当瓦斯压力小于0.6MPa,可正常进行开挖施工。

(2)当瓦斯压力在0.6～1.0MPa,应加强通风,采取自然排放的方式排放瓦斯。

(3)当瓦斯压力大于1.0MPa,在隧道掘进至距离瓦斯积聚位置5m处,停止掘进,在涌出孔附近施作瓦斯排放孔,进行瓦斯排放,将瓦斯压力降至1.0MPa以下,若24h内不能使其降低,则应立即封闭,采取抽放的方式降低瓦斯浓度。

(4)检测孔内瓦斯涌出量,如果单孔瓦斯涌出量小于5L/min,则可正常进行开挖施工。

(5)如果单孔瓦斯涌出量大于5L/min,在隧道掘进至距离瓦斯积聚位置5m处,停止掘进,在涌出孔附近施作瓦斯排放孔,进行瓦斯排放,将单孔瓦斯涌出量降到5L/min以下,若24h内不能使其降低,则应立即封闭,采取抽放的方式降低瓦斯浓度。

(6)测量加深炮孔的瓦斯含量和压力,瓦斯含量未超过5L/min、或压力未超过1.0MPa,可正常进行其他炮眼的钻孔工作。当瓦斯含量或压力超标时,采取相应的施工措施。

4 图山寺隧道瓦斯探测的实施

图山寺隧道的瓦斯的超前预测预报采取“长距离与短距离探测、微观与宏观探测、物探与钻探”相结合的“三结合”原则进行预报。先采取物探超前预报系统进行长距离预报,判断围岩地质构造的发育情况,是否存在瓦斯赋存的地质条件,再以超前钻孔作为中长距离的验证探测、具体探测前方的瓦斯发育情况,最后在每茬炮开挖时采用5孔加深炮眼作加深验证。预报频率为:HSP超前预报150m/次,搭接10m,超前钻孔25m/次,搭接5m,加深炮眼每茬炮施作1次。

图山寺隧道ID2K787+918～ID2K787+768段,采用HSP探测到DK787+906～DK787+877段存在3条纵波正负反射构造界面、4条横波反射构造界面;据此判断该段岩体破碎、岩石强度较低,DK787+898处存在纵波反射构造界面,可能存在局部构造带或软弱夹层。而局部构造带为隧底下埋天然气瓦斯上逸提供了良好的通道,岩体破碎及其间的裂隙,为瓦斯吸附、游离创造了较好的条件。见图3、图4。

图3 纵横波速率及反射波比率分布

图4 纵横波绕射偏移图

据HSP探测结果预留5m安全岩盘,开挖到DK787+911掌子面布置3孔30m长超前钻孔,其参数见图5,按照钻孔1、钻孔2和钻孔3的顺序施钻, DK787+903～DK787+885段钻孔12、钻孔2超前钻孔过程中有突进现象、钻速较其他段落快;采用光干涉式瓦斯检测仪每钻进1m测1次瓦斯浓度,测得钻孔1m内瓦斯浓度最大达6.4%,钻孔2、钻孔3分别为4.1%、3.6%。测量瓦斯涌出量,小于55L/min,无压力。据此判断该段围岩裂隙发育,围岩破碎,瓦斯含量高。

图5 超前探测钻孔布置(单位:cm)

每一个循环开挖施工时设5个5m的加深炮孔,测加深炮孔瓦斯浓度,孔内瓦斯浓度最高为2.1%,孔口瓦斯浓度未超过0.5%,可能是超前探孔提前排放了部分瓦斯,以及加深炮孔较浅,瓦斯容易排放和被稀疏。

5 结语

瓦斯隧道施工中瓦斯防治的手段主要是瓦斯的超前探测、瓦斯的监测、通风降低瓦斯浓度、火源及易产生明火的风险源的管理及瓦斯风险管理制度的严格执行[8]。瓦斯的超前探测是隧道向前掘进施工的首道工序,为隧道的开挖掘进工序提供指导,是瓦斯隧道安全施工的关键工序[9,10]。在隧道施工期间,超前探孔孔内一般瓦斯浓度为1.5%～4.5%,最高探测瓦斯浓度达到6.4%。隧道内一般在爆破开挖后,瓦斯浓度较高,最高达到0.84%,在隧道通风后,一般都会很快就降低到正常水平,在隧道的其他施工工序过程中,检测的瓦斯浓度在0.03% ～0.35%。图山寺隧道通过有效的瓦斯探测预测手段,预测分析隧道前方瓦斯发育情况、瓦斯涌出、岩体瓦斯压力、瓦斯含量、突出性喷出等特性,采取应对措施,制定合理的施工方案,确保了隧道的安全施工。

[1] 中铁二院工程集团有限责任公司.新建铁路兰州至重庆线广重段南充东至高兴单线图山寺隧道施工图[Z].成都:中铁二院工程集团有限责任公司,2009.

[2] 龚玉华,王勇.综合地质预报技术在坛厂隧道施工中的应用[J].现代隧道技术,2011(6):163 -168.

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[4] 李杰,黄春峰.合武铁路客运专线红石岩隧道瓦斯成因探讨[J].铁道标准设计,2007(S1):98 -99.

[5] 李斐,陈达,朱燕琴.杭州地铁1号线彭埠站 建华站区间盾构隧道下穿有害气体土层工程设计[J].铁道标准设计,2010(10): 108 -113.

[6] 国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程[S].北京:煤炭工业出版社,2009.

[7] 国家安全生产监督管理总局.防治煤与瓦斯突出规定[S].北京:煤炭工业出版社,2009.

[8] 郑思文,刘建华.瓦斯检测员[M].北京:中国矿业大学出版社,2002.

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

[10]铁道部经济规划研究院.TZ204—2008 铁路隧道工程施工技术指南[S].北京:中国铁道出版社研究,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

鱼海晔(1970—),女,高级工程师,1992年毕业于石家庄铁道学院铁道工程专业,E-mail:306798423@qq.com。