渝广高速华蓥山隧道瓦斯超前预测预报技术

余世刚

摘 要：随着国家中西部道路建设的不断发展，公路隧道修建的数量也越来越多，“煤与瓦斯、岩溶、涌（突）水、断层、高地应力”等有害地质现象给施工造成极大的难度和危害。为满足安全生产的需求，本文现对渝（重庆）广（四川广安）高速华蓥山隧道进行了瓦斯超前探测等预测预报技术，拟有效发现“煤与瓦斯、岩溶、涌（突）水、断层、高地应力”等有害地质现象；预先探测发现地质破碎带和含水带地质形态及构造类型；探测地质破碎带瓦斯富集规律；探测含煤段煤层产状、瓦斯参数；探测开采矿井采空区状态。

关健词：隧道瓦斯；超前钻探；预测预报

中图分类号：U456 文献标识码：A

文章编号：1672-3791（2015）8（c）-0000-00

1 前言

随着国家中西部道路建设的不断发展，公路隧道修建的数量也越来越多，“煤与瓦斯、岩溶、涌（突）水、断层、高地应力”等有害地质现象给施工造成极大的难度和危害。渝（重庆）广（四川广安）高速华蓥山隧道施工过程中煤与瓦斯现象的危害十分严重。根据都汶高速紫坪铺隧道[1]和铜锣山隧道[2]、广邻高速华蓥山隧道[3]、成渝高速中梁山[4]、以及雅泸高速公路勒布果喇吉隧道[5]等高瓦斯隧道钻探施工经验，对隧道进行瓦斯超前探测可以及时预测施工隧道前方瓦斯压力、瓦斯流量、其他不良地质现象，极大的降低了隧道施工的危险性和难度，为施工提供了坚实的保障。

2地质概况

渝（重庆）广（四川广安）高速公路华蓥

山隧道进口位于北碚区静观镇西山村，出口位于合川区清平镇桃李园村，隧道左右洞长度分别为5018和5000m，进出口桩号为分别ZK23+467～ZK28+485、K23+467～K28+467。隧道横穿华蓥山背斜中部，总体走向为N59°W。隧道设计为相距30m分修的双洞三车道，人字形纵坡，净空高度8.0m宽度12.5m。

2.1地层岩性

华蓥山隧道洞身穿越的地层分别为：第四系全新统松散堆积层（Q4）；侏罗系中、下统新田沟组（J2x）、自流井组（J1-2z）、珍珠冲组（J1z）的碎屑岩；三叠系上统须家河组（T3xj）的碎屑岩，中下统雷口坡组（T2l）、嘉陵江组（T1j）的可溶岩，飞仙关组（T1f）的可溶岩与非可溶岩互层；二叠系上统长兴组（P2c）、龙潭组（P2l）的可溶岩与非可溶岩。其中可溶碳酸盐岩在隧址区出露面积较广，约占40%。华蓥山隧道穿越地层图见图1。

图1 华蓥山隧道穿越地层图

Fig.1 stratigraphic map of Huaying mountain tunnel

2.2地质构造

区域内构造较发育，以川东隔档式构造为框架，形成具有明显特征的“重庆褶皱束”，重庆褶皱束由一系列平行雁行排列的隔挡式梳状褶皱构造和走向压性断裂组成，呈NNE向展布，在川东隔挡式褶皱中，华蓥山背斜、铜锣山背斜、明月山背斜延伸最长，而华蓥山复式背斜构造南端在合川区三汇镇撒开，形成向北东收敛的华蓥山帚状构造带，包括沥鼻峡、温塘峡和观音峡背斜。隧道位于华蓥山帚状褶皱束，区内有西山、沥鼻峡、温塘峡、观音峡、龙王洞等背斜及其间的向斜，是该帚状褶皱束的南延部分，其主要特点是背斜褶皱紧密，两翼不对称多西陡东缓，背斜轴线扭摆多弯曲，呈反“S”型，轴向倾斜变化多，构造分支多，独立高点多，断裂多。华蓥山隧道穿越构造为观音峡背斜，并发育多条断层，地质构造较为复杂。华蓥山隧道区域地质构造见图2。

图2 华蓥山隧道区域地质构造图

Fig.2 geological structure map of area around Huaying mountain tunnel

2.3不良地质体

华蓥山地质体类型很多，如一般岩体破碎带、断层、软弱地层、岩爆段、岩溶、地下水、土洞、膨胀岩、煤层及瓦斯发育段等，查阅《重庆渝北至四川广安高速公路（重庆段）TJ-2标段工程地质详细勘察》[6]等有关地质资料可知，渝广高速华蓥山隧道的施工中，构造地带和煤层地段对施工的危害最为严重，对这些不良地质体进行瓦斯超前钻探预测预报，在有效的预测煤与瓦斯的同时，也可以及时的发现涌（突）水、老窑采空区等现象。

3隧道瓦斯超前钻探预测预报技术

目前，在煤矿、隧道，超前预测预报常用方法主要有三类：地质编录法、物探法和钻探法[7]。

地质编录法是在地质勘查、勘探中，用文字、图件、影像、表格等形式，把地质勘探和矿山生产过程所观测的地质现象和矿产特点，采样、分析以及综合研究的结果，系统、客观地加以反映的工作。它为研究工作地区的地质和矿产规律，评价和开发矿床，提供准确、可靠的资料。其不足之处除了整个过程时间跨度大、工作量艰巨、成本预算高之外，地质编录法不能及时、有效、精确的发现隧道施工过程前方的不良地质条件，对于具有突发性灾害的煤与瓦斯隧道施工十分局限。

地质雷达短距离物探法根据地震波的回波原理，雷达发射天线向隧道掌子面前方或隧道底部连续发射脉冲式高频电磁波，当遇到有电性差异的界面或目标体（介电常数和电导率不同）时即发生反射波和透射波。接收天线接收反射波并经电缆传递给主机，在主机显示屏上形成实时的时间剖面。根据记录到的反射波的到达时间和求得的电磁波在介质中的传播速度，确定界面或目标体的深度；同时根据反射波的形态、强弱及其变化等因素来判定前方地层的地质力学参数[8]。其不足之处除了探测距离较小外，不同的解释人员因为对解释技术和对当地地质构造的掌握不一，可能会造成不一致的解释结果，特别是对异常的定性解释更是如此，我国某科研单位在福建某隧道进行超前探测时甚至给委托方造成了地质雷达不能用来进行超前探测的错觉[9]。

钻探法是超前地质钻探主要采用冲击钻和回转取芯钻，二者搭配使用来探测前方围岩的地质情况。一般根据冲击钻响声、钻孔速度、卡钻状况等来粗略预报岩石强度、暗河及地下水发育程度、煤与瓦斯等地质情况[10]。钻探技术超前预测预报具有更直接和更准确的特点，能准确有效地预报掌子面前方煤岩体的地质情况，及时测定瓦斯参数和含水参数，同时还可以预排掌子面前方煤岩体瓦斯、岩溶水和裂隙水，能有效控制隧道瓦斯和水异常涌出，有效预防瓦斯事故和透水事故的发生[11]。

3.1隧道瓦斯超前钻探钻孔常规布置方式

根据《煤矿安全规程》和《防治煤与瓦斯突出规定》规定，为了保证探测准确可靠，有效控制危险区域，在隧道开挖横断面上分上中下布置1～3排钻孔，钻孔深度为30～50m。石门揭煤应在端面上打不少于5个钻孔。正常地带应视情况在开挖掌子面分上中下至少应布置3个钻孔。为了保证施工安全，防止承压瓦斯和承压水大量瞬间涌入隧道开挖空间，每循环钻孔超前距离不得少于5～10m，以保证有足够的安全屏障岩柱。

为了准确探测坍塌区和岩石松散体前方原始岩体情况，在坍塌区和岩石松散体区段还应结合自进锚杆支护，采用从隧道开挖线和隧道中部范围内的掌子面分上中下布置3排多个20～30m长的超前钻孔对坍塌区和岩石松散体前方岩体实施补充探测。

在隧道坍塌区和岩石松散体区段，为了不至于对隧道上方坍塌区造成扰动，进一步扩大坍塌区域，在掌子面设计采用风动钻机实施打钻。

3.2复杂不良地质体条件下超前钻探孔布置方式

在构造地带和煤层地段的探测钻孔数量应大于正常地带，由于高速公路瓦斯隧道瓦斯异常涌出都发生在地质构造地带和煤层地段。而且为了有效控制隧道开挖范围的地质构造和煤层，以及构造带和煤层中的瓦斯赋存情况，在构造地带和煤层地段的瓦斯超前钻孔数量应增加为5个，钻孔长度缩短为30m，钻孔安全超前距离10m，超前范围内控制隧道开挖线外5m。

在坍方、采空区和松散岩体地段具有岩体松散特性，因此瓦斯超前钻探应结合坍方、采空区和松散岩体自进锚杆注浆固化钻孔相结合。超前钻探钻孔参数采用：钻孔数量5个以上，钻孔深度为30m，钻孔直径Φ65mm，钻孔在10m超前保护范围内控制隧道开挖线外5m。自进锚杆注浆固化钻孔参数采用：钻孔数量30～40个（钻孔孔底间距小于400mm），钻孔深度20m，钻孔直径Φ108mm，钻孔终孔点控制隧道开挖轮廓线外5m以上

3.3瓦斯预测工艺

瓦斯探测主要采用记录打钻过程中的瓦斯涌出、岩性变化和测定钻孔瓦斯压力、流量、流量衰减系数为主，以及隧道开挖空间的瓦斯变化情况和开挖端面岩体的变化情况。钻孔瓦斯参数测试如图3所示。

注：1-钻孔；2-测压管；3-压力表；4-阀门；5-流量计；6-钻孔封孔段；7-煤层

1-drilling， 2-piezometric tube， 3-pressure gauge， 4-valve， 5-flowmeter， 6-sealing part， 7-coal seam

图3钻孔瓦斯参数测试工艺

Fig.3 technology of detecting gas parameter in drilling

3.4超前探测钻孔施工安全

由于钻孔施工时对前方和周边岩体的扰动较大，因此在坍方、采空区和松散岩体地带钻孔施工时要求对开挖端面实施锚喷加固，以确保打钻过程的安全，减少因打钻对开挖端面的破坏，以免进一步扩大塌方。

坍方、采空区和松散岩体超前钻孔施工程序为：隧道掌子面锚喷固化——掌子面探测钻孔施工——瓦斯预测——瓦斯抽排——超前支护钻孔施工。

3.5瓦斯治理工程

当钻孔瓦斯涌出量大且衰减系数较小时，证明裂隙瓦斯有补充源，这时就应采用裂隙瓦斯抽排措施。由于隧道的供风量只能保证2000～3000m3/min，因此隧道实际排瓦斯的最大能力为10～15m3/min。如果按照钻孔瓦斯涌出量和衰减系数预测隧道瓦斯涌出超过5～7.5m3/min时就应该采用边开挖边抽排瓦斯的措施。

4隧道瓦斯超前探测实际应用

4.1以施工过程中探测到采空区为例

根据《重庆渝北至四川广安高速公路（重庆段）TJ-2标段工程地质详细勘察》显示，在隧道出口左线ZK28+091揭露三叠系须家河组T3xj5外双连煤层采空区，为准确的探测采空区位置以及采空区走向倾向等地质参数。在ZK28+112上台阶施工5个超前钻孔，钻孔分别控制隧道前方12～30m范围，施工结束后根据钻孔深度，推进速度以及瓦斯浓度推测掌子面ZK28+112前方采空区形态如图4所示。推测在掌子面ZK28+112前方最近9.5米处揭露采空区。采空区与隧道走向夹角48°2′。经过4天施工，隧道在左侧最先揭露采空区，采空区桩号为ZK28+103，与预测值只有0.5m误差。

图4 掌子面ZK28+112前方采空区预测图

Fig.4 Goaf prediction in front of tunnel face（ZK28+112）

4.2以施工过程中探测到煤层为例

根据《重庆渝北至四川广安高速公路（重庆段）TJ-2标段工程地质详细勘察》，隧道出口左线在 ZK28+073泡炭煤层、ZK28+068硬炭煤层，为确保施工的安全进行以及准确探测前方煤层走向、倾向、倾角等重要参数，在ZK28+76上台阶施工5个超前钻孔，钻孔分别控制隧道前方0～60m范围，施工结束后根据钻孔深度，推进速度以及瓦斯浓度推测在掌子面ZK28+76前方煤层分布情况如图5所示，出口左线ZK28+076掌子面上台阶左下角前方16.8m发现2.6m厚煤层、31.2m发现厚0.5m煤层，准确发现隧道施工过程中的煤层，为隧道的开挖提供了重要的施工依据。

图5掌子面ZK28+076前方煤层预测图

Fig.4 Coal seam prediction in front of tunnel face（ZK28+076）

5结语

华蓥山隧道瓦斯超前钻探预测预报技术，及时预测隧道施工过程前方岩体破碎程度及范围、岩体裂隙及发育情况、采空区或岩体空洞范围及大小、前方岩体瓦斯赋存及瓦斯涌出情况、岩体瓦斯压力、瓦斯含量、突发性喷出等特殊情况。极大的的降低了巷道施工的危险性和难度，为施工提供了坚实的保障，是渝广高速华蓥山隧道施工过程中不可缺少的重要实施方案，为我国的高瓦斯隧道施工建设提供了强有力的技术支撑和经验借鉴。

参考文献：

[1] 姜洪亮 紫坪铺隧道瓦斯灾害研究.[D].成都.西南交通大学.2010.

[2] 朱劲 超前地质预报新技术在铜锣山隧道的应用及综合分析研究.[D].成都.成都理工大学.2007.

[3] 王兴平 华蓥山隧道工程的施工监理（四川省公路工程监理事务所 成都

610041）.2000.04.15

[4] 沈庆夏 大地电磁测深法在中梁山隧道地质调查中的应用研究.[D].成都.成都理工大学.2010.

[5] 石波 雅泸高速公路勒布果喇吉隧道洞口段地震动力响应研究.[D].成都.西南交通大学.2008.

[6] 中国中铁二院工程集团有限责任有限公司 重庆渝北至四川广安高速公路（重庆段）TJ-2标段工程地质详细勘察 [Z].s=，2013.

[7] 何成 超前钻探预测预报技术在瓦斯隧道中的应用. （四川都汶公路有限责任公司， 成都 610041）

[8] 苏彦喜 超前地质预报综合物探技术在六郎隧道施工中的应用.（中铁十七局集团云桂铁路项目经理部二分部）

[9] 何继善，柳建新 隧道超前探测方法技术与应用研究. 工程地球物理学报.2004

[10] 曾晓勤，张 啸，李辉忠 超前钻探法在瓦斯隧道施工中的应用. （ 四川路桥建设股份有限公司公路隧道分公司，四川 成都 610200）

[11] 何成，江登洪，陈欣梅 特殊不良地质隧道的超前钻探法预报技术探讨. （四川都汶公路有限责任公司，成都 610041）.2010.