炭质泥岩区某高速公路瓦斯隧道勘察与特征分析

杨堉果，李剑伟

(四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，四川 成都 610014)



炭质泥岩区某高速公路瓦斯隧道勘察与特征分析

杨堉果，李剑伟

(四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，四川 成都 610014)

在我国西部山区，高速公路建设中的桥隧比越来越高，隧道不可避免地会遇到瓦斯问题，正确的勘察是保证瓦斯隧道高质量建成的第一步也是极为重要的一步。文章以月亮湾隧道为例，通过地质调绘和钻探，分析了该隧道瓦斯生成及储存基本特征，并对该瓦斯隧道的突出危险性和等级区段进行了评价。

炭质泥岩区；瓦斯；隧道；地质构造；勘察；瓦斯评价

0 引言

随着我国国民经济的快速发展，高速公路的建设规模也在逐渐增大。在我国西部山区，高速公路建设中的桥隧比越来越高，隧道不可避免地会遇到瓦斯问题。如果在勘察中未查明瓦斯情况，会导致在设计时不能提出正确的隧道结构和施工措施，不但会在施工时发生严重安全事故，增加建设费用，延误工期，在隧道建成后也不能保证运营安全①，因此，正确的勘察是保证瓦斯隧道高质量建成的第一步。

1 工程概况

月亮湾隧道为一座左右线分离式双线越岭隧道，长度为2 280 m。隧址区为构造剥蚀低山，为典型的褶皱断块山地貌，洞身地形中部高，两出口地段地形较低，相对高差约244 m，隧道最大埋深222 m。

2 地质调绘和钻探

隧址区主要由一系列褶皱组成，隧道位于其中的高县双河背斜北段的北东翼，隧道进口附近有福建山断层通过。

根据工程地质调绘和钻探揭露，洞身地层为三叠系上统须家河组(T3xj)砂岩、炭质泥岩夹薄煤层，含煤层透镜体。根据在隧道进出口及洞身钻孔揭露，煤层2～4层不等，厚5～40 cm，黑色，多呈块状及片状，见鲜亮光泽，具参差状断口，块状较硬不易掰断，部分可剥开成薄片状(Ⅱ类煤)①。

3 瓦斯生成及储存基本特征

区内含煤地层属区域性含煤较差的地区，含煤层数少，厚度小，厚度变化大，属不稳定煤层，有一定的生烃能力，但瓦斯生成总量有限。在隧道进口ZK01钻孔钻进至56 m时出现瓦斯气体持续溢出现象，气体溢出持续时间较长，存在深部气体沿岩体裂隙运移溢出的可能，但钻探过程中未出现卡钻、顶钻等典型瓦斯突出现象。值得注意的是，与常见的仅煤层产生瓦斯气体不同，在钻进至富含薄煤层、煤线的深度，并未有气体溢出的迹象，而当钻孔至其下的砂岩段时，气体才猛烈溢出，可见砂岩多孔的特性及构造作用致使瓦斯气体以吸附状态和游离状态赋存于砂岩孔隙和构造裂隙中，同时由于砂岩多夹煤线，因此认为此类砂岩既是生气层也是储气层。

根据区域地质及工点附近地质调绘分析其原因，隧址区处于高县双河背斜北东段的东翼并靠近背斜核部，在砂岩储气层顶部有炭质泥岩封闭盖层和隆起构造圈闭，在隧道进口外侧即为福建山逆断层，断层下盘的侏罗系中下统自流井组(J1-2z)粉砂质泥岩对气体起到了封闭作用，这些因素一起为瓦斯的富集储藏创造了条件，可以说这属于“断层及岩性圈闭”作用。气体储气圈闭构造见图1。

图1 瓦斯气体储气圈闭示意图

根据已有的工程经验综合分析，下述地层圈闭和背斜圈闭情况也利于瓦斯气体的贮存，在隧道穿越中会引起气体溢出，工程中应予以重视。简图如图2所示。

图2 气体圈闭类型示意图

4 煤与瓦斯气体测试

(1)煤样室内试验

勘察过程中在隧道进出口和洞身钻孔内均采取了煤样，后期在室内进行了部分项目测试，结果见下表1。

(2)煤层瓦斯压力测试

隧道瓦斯压力测试采用国产KZWY91-1000型勘探钻孔煤层瓦斯压力测定仪，在隧道进口ZK01号孔进行了瓦斯压力测试，测定瓦斯压力为0.255 9 MPa。

表1 煤样室内试验结果表

(3)瓦斯气体成份分析

根据室内瓦斯气体分析，气体成份中主要是甲烷CH4，占25.52%～79.14%，其次是氮气N2及CO2等。

5 隧道瓦斯评价

目前，公路瓦斯隧道方面没有适用于勘察阶段评价的相关规范，本文结合已建成的瓦斯隧道成果资料及《公路瓦斯隧道设计与施工技术指南》，并根据一些隧道老专家的总结资料，在本阶段(初步设计)对隧道在瓦斯突出危险性和瓦斯隧道等级划分方面作出评价，可满足设计要求。

(1)隧道瓦斯突出危险性评价

《公路瓦斯隧道设计与施工技术指南》中表1.0.4-2列出了突出煤层鉴定的单项指标临界值，当隧道煤层全部指标均达到临界值可确定为突出煤层，具体指标见表2。

表2 突出煤层鉴定的单项指标临界值[1]表

根据本次的煤样测试和瓦斯压力测试，煤层瓦斯放散初速度△P=6.495，瓦斯压力P=0.255 9MPa，对照上表各主要评判指标，判定隧道本阶段未揭露瓦斯突出煤层。

(2)瓦斯隧道等级区段划分

依照《公路瓦斯隧道设计与施工技术指南》总则表1.0.4-1，隧道瓦斯等级区段划分为微瓦斯段、低瓦斯段和高瓦斯段，其判定标准为区段瓦斯溢出量，具体数据见表3。

表3 瓦斯地层绝对瓦斯涌出量判定指标值表

瓦斯气体溢出量(q)计算参照《公路瓦斯隧道设计与施工技术指南》附录E中“独头坑道瓦斯涌出量的计算方法”[1][2]，采用分源预测法，计算值由三部分组成：。q1为掘进爆破后爆落岩块中释放出的瓦斯量；q2为掌子面(正面)及新爆岩壁(尚未喷混凝土封闭)释放出的瓦斯量；q3为透过喷混凝土支护渗入洞内的数量。计算中涉及的地层中气体压力取实测值0.255 9MPa，计算中涉及的岩体渗透系数、空隙率、气密性喷混凝土渗透系数、施工开挖和支护速度等涉及施工的技术参数均采用推荐值或相关规范、手册经验参数，隧道开挖断面周长按36m、面积按100m2计。经计算瓦斯气体溢出量总计为3.36m3/min，综合评价，将隧道左、右线中通过含煤层段定为高瓦斯区段。

计算瓦斯溢出量的目的仅为勘察阶段划分区段的瓦斯等级，由于这时隧道未施工，故只能依据勘察期间确定的煤层位置、厚度、吨煤瓦斯含量、瓦斯气体压力等资料结合常用的施工技术参数来计算，由于资料的可靠性限制和计算式本身误差，计算结果会与实际有一定出入，因此应特别注意施工阶段的复查和修正。

4 结语

(1)与通常认为的仅煤层产生瓦斯气体不同，砂岩多孔的特性加之特殊的地质构造致使瓦斯气体会以吸附状态和游离状态赋存于砂岩孔隙和构造裂隙中，同时由于砂岩中夹煤线，会导致此类砂岩既是生气层也是储气层。

(2)本文提出的断层及岩性圈闭、地层圈闭、背斜圈闭等气体圈闭类型利于瓦斯气体的贮存，在隧道穿越中会引起气体溢出，工程中应予以重视。

(3)目前，公路瓦斯隧道方面没有适用于勘察阶段评价的相关规范，本文结合已建成的瓦斯隧道成果资料及《公路瓦斯隧道设计与施工技术指南》，在勘察阶段对此类隧道在瓦斯突出危险性和瓦斯隧道等级区段划分方面作出评价，满足了设计要求，对此类工程的勘察有一定的参考价值。

(4)目前铁路、煤炭行业的煤、瓦斯参数测试主要是适用于煤系地层，对于炭质泥岩、炭质页岩等含瓦斯地层，目前尚无具体的适用规范，一般是参考煤系地层进行测试，但计算中由于炭质岩层挥发分数值极高[3]，应用此参数计算瓦斯绝对涌出量会偏高，相对于工程设计偏于安全。

[1]四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院.公路瓦斯隧道设计与施工技术指南[M].北京：人民交通出版社，2011.

[2]TB10120-2002，铁路瓦斯隧道技术规范[S].

[3]王建军.浅谈炭质板岩瓦斯隧道勘察方法与评价[J].铁路建筑，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

杨堉果(1983—)，工程师，硕士研究生，主要从事公路、水运工程勘察设计工作；

U452.1

A

10.13282/j.cnki.wccst.2015.11.011

1673-4874(2015)11-0051-03

2015-10-09

李剑伟(1980—)，高级工程师，硕士研究生，主要从事公路工程勘察设计工作。