铁路高瓦斯隧道油气评价及处治技术研究——以黔张常铁路唐家寨隧道为例

朵生君

(陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院),西安 710043)

引言

近年来，随着我国高速公路、铁路的大力建设，施工中不可避免地会遇到瓦斯隧道。瓦斯是各种有毒有害气体的总称，其主要成分是甲烷(CH4)[1]。根据瓦斯来源，瓦斯隧道可以分为煤系瓦斯隧道和非煤系瓦斯隧道[2]，对于非煤系瓦斯隧道，由于其赋存无规律，因此目前尚无统一的认识[3]。在瓦斯隧道开挖掘进过程中，围岩平衡被破坏，瓦斯等有毒有害气体会沿着围岩裂隙等涌入开挖空间，容易引发瓦斯燃烧、瓦斯爆炸和瓦斯窒息等事故，严重威胁隧道施工安全，加大隧道施工难度[4-5]。

随着隧道施工瓦斯灾害事故的不断增加，人们越来越认识到防范和减轻瓦斯灾害的重要性[6-7]。为此，专家学者对瓦斯隧道的评价和处治等方面进行了大量研究。孙建国等[8]针对平阳隧道含可燃性油气段提出了注浆封堵为主，结合结构加强、防水全封闭的处治方案；苟彪[9]以兰渝铁路13标瓦斯隧道群为例，提出了隧道瓦斯的预测、检测和防治措施；张小林[10]以成都地铁龙泉山隧道为例，对其瓦斯赋存特征进行详细分析和预测评价；武磊[11]结合梅花箐隧道施工经验阐述隧道瓦斯综合防治技术；唐小兵[12]研究总结了非煤系地层瓦斯隧道的成因类型，分为构造连通型、围岩变质型和复合型；李固华等[13]针对炮台山隧道渗漏病害，采用对隧道衬砌进行化学压浆封堵和纵向截流等进行综合治理；梁东等[14]对红石岩隧道瓦斯成分进行分析，并在此基础上提出了相关瓦斯隧道施工技术措施。但是关于瓦斯隧道风险评估和处治的总结性研究目前还比较少。

以黔张常铁路唐家寨隧道出口油气处治工程为研究对象，进行了唐家寨隧道出口地质分析，评价了出口段的瓦斯风险，并根据评价结果从隧道开挖支护设计、施工措施和瓦斯检测三方面制定瓦斯施工处治方案。

1 工程概况及瓦斯地质分析

1.1 工程概况

黔张常铁路唐家寨隧道位于湖南省龙山县境内，起讫里程DK 114+760～DK 118+382.4，全长3 622.4 km，高程450～1 400 m，最大埋深为513 m，位于中低山地区，为时速200 km电气化客货共线铁路单洞双线越岭隧道。

隧道DK 117+298～DK 118+092段施工中出现页岩气和可燃轻质油，范围内地层为二叠系下统马鞍山组、栖霞组灰岩夹炭质页岩(P1mn+qLs+cSh)、泥盆系中上统砂岩(D2+3Ss)、志留系上统纱帽群页岩夹泥质粉砂岩(S3shSh+Ss)。其中，二叠系地层位于可溶岩段落，岩溶极其发育，岩体表面溶沟、溶槽随处可见；砂岩表层风化严重，节理裂隙较发育。工区段主要位于岩溶裂隙溶洞水垂直渗流带之中，属碳酸岩岩溶裂隙溶洞水强富水区。该区域位于猛必斜歪向斜西北翼，属于单斜构造，岩层产状N40°～50°E/40°～65°S为主，产状变化较小。工点范围内断裂构造不发育。

2015年11月6日，隧道DK 118+040上台阶掌子面爆破后，发现线路左右两侧有不明气体燃烧，其中线路右拱腰处和拱脚处燃烧较强烈，火焰高达1 m多，有明显气体喷燃的声音，燃烧共持续约2 h后熄灭。现场立即停止作业并全速通风，采用JCB4便携式甲烷监测报警仪监测到甲烷浓度从洞口到掌子面0.61%～0.16%不等(通风后甲烷浓度已被稀释)。次日，在掌子面右侧底板处发现有不明液体流出，采集液体后观察，液体呈淡黄色、带柴油气味，极易点燃。隧道瓦斯揭示情况如图1所示。

图1 隧道瓦斯揭示情况

1.2 瓦斯地质分析

根据区域地质情况分析及现场施工揭示情况，出现油、气段主要位于二叠系下统栖霞组灰岩夹炭质页岩地层中，为非煤系瓦斯隧道。

1.2.1 油、气生成条件

二叠系下统栖霞组地层以灰岩夹炭质页岩为主，其灰岩以瘤状灰岩为主，属于海陆混合相区域沉积环境，一般在岩层中常含大量水生生物遗体或水生生物化石，有机质富集形成炭质页岩，经过多个地质时期变化形成生油岩，其油、气来源为自生自储。

1.2.2 油、气储存条件

隧道通过段为猛必斜歪向斜西北翼，单斜构造，上部整合接触二叠系下统茅口组中厚层状石灰岩，岩体普遍较为完整，且其孔隙度及渗透率均较低，为油气封闭储存创造了条件。储层以缝、洞为主，有破裂缝、层间缝、溶洞等，故油气在层内具有随机性和分布不均匀等特点。且由于本段埋深较大，油气不易散逸。

2 瓦斯参数测试与风险评估

隧道现场发现不明油、气后，在掌子面前方进行钻孔取芯解吸、封孔测量瓦斯压力等，并取岩样、油样、气样进行室内试验，分析油气成分和来源等，评估其对隧道的影响。本次共设有2个钻孔，分别布设于DK 118+034掌子面左、右两侧，其钻孔详细参数见表1。

表1 钻孔位置详细参数

2.1 油、气含量测试及成分分析

2.1.1 岩样含气量测试

本次测试在1号钻孔钻至15 m时采集灰岩岩样1个，2号钻孔钻至28.5 m时采集炭质页岩岩样1个，装入气体解吸瓦斯罐内，采用FHJ-2型瓦斯解吸速度测定仪进行现场解吸速度测定，测得1号钻孔气体损失量为V1=0 mL，2号钻孔气体损失量为V2=10 mL。由此对比试验可以看出，在含碳量不大的灰岩中不存在瓦斯气体，而在含碳的炭质页岩中存在瓦斯气体，说明本套地层中瓦斯分布具不均匀性。

随后，于2号钻孔中采集4个岩芯样，利用高精度水浴温度控制含气量解析仪进行现场气体解吸测定，通过实验室进行气体量测试试验，经过室温解吸、低温解吸、高温解吸、损失气体量测试和残余气体量测试多项试验，测得4个岩样的含气量分别为0.056，0.054，0.055，0.054 m3/t，计算平均含气量为0.055 m3/t。

2.1.2 气体成分分析

在1号钻孔21 m深度处和2号钻孔63 m深度处内1 m左右各采集气体样1组，并将气体样送往检测中心进行分析，测试结果见表2。根据试验结果可知，隧道涌出的有害气体为含油含CO瓦斯气，已检测出甲烷、乙烷、丙烷、CO、CO2等气体成分，其中甲烷最高浓度为10%，CO最高浓度为0.597%，均超过规程允许标准值，具有一定的危险性，且气体成分中的CO等有害物质对施工人员身体有直接伤害。

表2 气体成分及含量 %

2.1.3 油样成分及油源对比分析

采集隧道掌子面底板处流出的油状液体进行检测，主要成分为易挥发、低燃点的烷类有机物，判断为轻质油。

为确定隧道掌子面油液来源，采集两块下二叠统栖霞组炭质泥灰岩的岩石样品和两份原油样品进行油源对比分析。

首先，通过Pr/nC17值和Ph/nC18值相关图研究岩样和原有的形成环境及母质类型[15]。如图2所示，可以看出原油及烃源岩样品参数投点均处于海陆混合相区域，表明两个样品的有机质母源沉积环境相似。

图2 岩样及原油Pr/nC17和Ph/nC18值相关图

不同碳数规则甾烷分布三角图可以判断样品的有机质母质来源，一般认为C27甾烷主要来自水生生物，C29主要来自高等植物[16]。从图3可以看出，两种样品的有机质母质来源比较相似，其中C27规则甾烷的相对含量占比较高，约60%，故可推断两种样品的有机质母质来源以水生生物为主。

图3 岩样及原油不同碳数规则甾烷分布

图4 岩样及原油三茐组成三角图

三芴组成三角图可以判定样品沉积环境，芳烃中的三芴系列化合物(芴、氧芴、硫芴)具有相似的结构[17]。一般认为氧芴是芴在氧化环境中演化而成，硫芴是芴在还原环境中演化而成。从图4可以看出，两种样品的三芴系列化合物组成特征极为相似，均以硫芴占主体，并含有一定量的芴，表明两个样品均沉积于还原环境中。

综上所述，原油样品和岩样的生物标志特征较为相似，表明他们的有机质既有可能具有继承性，即该原有样品极有可能源自该烃源岩，表明隧道油气来源于下二叠统栖霞组地层中，这与瓦斯地质分析中的判断一致。

2.2 瓦斯隧道等级及突出危险性评估

2.2.1 瓦斯隧道等级评估

瓦斯隧道等级是由隧道内瓦斯工区的最高级确定，瓦斯工区的等级可依据绝对瓦斯涌出量进行评定，预测瓦斯绝对涌出量可采用回风流瓦斯浓度法进行计算，计算公式为

Qg=Q×c/100

(1)

式中，Qg为绝对瓦斯涌出量，m3/min；Q为风量，m3/min；c为风流中的平均瓦斯浓度，%。

在正常通风及停止隧道施工的情况下，对唐家寨隧道掌子面顶部1.5～2 m内进行瓦斯浓度测定，分别测得线路左侧、中间和右侧3处位置的瓦斯浓度分别为0.4%，0.36%，0.32%，计算平均瓦斯浓度c为0.36%；并且测得风机风筒平均风速为235.08 m/min，风筒直径为1.5 m，风筒断面积为1.767 m2，计算隧道通风量Q为415.34 m3/min；隧道内绝对瓦斯涌出量Qg为1.5 m3/min>0.5 m3/min，根据TB10120—2002/J160—2002《铁路隧道技术规范》(以下简称“规范”)评定唐家寨隧道为高瓦斯隧道。

2.2.2 瓦斯突出危险性评估

通过现场钻孔并采集岩样对其瓦斯突出危险性参数进行测试分析。瓦斯压力测试在1号钻孔钻至21 m、2号钻孔钻至63 m时进行，现场检测结果瓦斯压力P为0 MPa；在2号钻孔中采集进尺25～27 m和57～59 m的2个岩样，测得岩样坚固性系数f值为3.0和3.42，瓦斯放散初速度ΔP值为0.9和0.7。3项参数均在规范规定的瓦斯突出评判值域外，故判定隧道无瓦斯突出危险性。

2.2.3 瓦斯隧道等级分析

本隧道含油气段位于一古油气床中，为非伴煤瓦斯隧道，其瓦斯气体一般存在于炭质页岩处以吸附状态为主，局部为游离态，在隧道施工过程中瓦斯涌出具有随机性及分布不均匀等特点。虽然钻孔内瓦斯一般无压力，且取样岩体瓦斯含量为0.055 m3/t，小于规范规定的0.5 m3/t，但考虑气体分布不均匀性，并含有易燃、易挥发的轻质油及CO、挥发性油气等有毒有害物质，建议瓦斯地段结构设防等级按二级考虑。

综上，唐家寨隧道DK 117+348～DK 118+040段瓦斯地段等级定为二级，局部三级，隧道变更设计及施工需执行TB10120—2002/J160—2002《铁路瓦斯隧道技术规范》的相关要求。

3 隧道油气处治方案研究

根据隧道出口段油、气的检测结果及分析结果可判定，油气问题严重，并伴有不均匀性和随机性的特点，须制定严谨可靠的处治方案。根据隧规及瓦斯规范的相关要求，并结合专家论证会意见，对本隧道出口高瓦斯工区进行了油气处治专项设计。从隧道开挖支护、施工方法和瓦斯检测三方面制定处治方案，有效封堵、实时监测瓦斯浓度，确保隧道施工及运营安全。

3.1 隧道开挖支护优化

根据隧道掌子面瓦斯揭露情况，结合隧道围岩节理裂隙较发育，岩体较破碎且岩溶强烈发育等特点，将围岩等级由Ⅱ级变更为Ⅲ级对瓦斯工区进行隧道支护优化设计，隧道衬砌支护参数见表3。采用全封闭初支及衬砌支护，加厚初期支护及二次衬砌厚度，并在混凝土中掺加气密剂，为隔离瓦斯及挤压出围岩中吸附或游离的瓦斯，减少后期瓦斯溢出，采用全断面径向注浆封堵，注浆孔按浆液扩散半径R=150 cm按梅花形计算布设，孔口环向间距约140 cm，终孔环向间距约225 cm，纵向间距约225 cm，单孔注浆深度为4 m，全断面共布设注浆孔30个。注浆设计如图5所示，注浆参数如表4所示。

表3 隧道衬砌支护参数

瓦斯工区段环、纵向施工缝处在原设计中埋止水带+背贴止水带措施基础上，增加双组份聚硫密封膏嵌缝气密性处理，其封闭瓦斯性能不应小于衬砌本体。在瓦斯段与非瓦斯段交界处( DK117+298及DK118+092)端头初支与二衬之间全环环向设置20 cm宽双组份聚硫密封膏，防止有害气体从瓦斯地段向非瓦斯地段渗透扩散。

图5 二级瓦斯地段全断面径向注浆设计断面(单位：cm)

表4 注浆参数

3.2 隧道施工方法优化

3.2.1 加强施工通风

隧道施工通风是排除烟尘和稀释有害气体的主要手段，是保证施工安全的重要前提[18-19]。本隧道瓦斯工区施工期间采用不间断通风，通风方式为压入式通风，通风设计原则为：

(1)通风设计按爆破排烟、掌子面作业要求、瓦斯涌出量进行设计；

(2)隧道内防止瓦斯积聚的最小风速不宜小于1 m/s；

(3)通风管采用螺旋形，具有抗静电、抗阻燃的性能，百米漏风率≯1%，并且风管口距离掌子面的距离不得大于5 m；

(4)通风设备采用双风机、双电源，根据洞内瓦斯浓度监测情况，在衬砌台车等易减缓风速的地段可增设沿程增压风机；在洞室等瓦斯易积聚的地方，增设小型局扇。施工通风参数见表5。

表5 施工通风参数

3.2.2 钻爆作业

本隧道瓦斯工区的钻爆开挖要坚持“多打眼、少装药、短进尺、快喷锚、强支护、勤检测”的原则，要求如下。

(1)瓦斯工区钻孔必须采用湿式钻孔，炮眼深度不应小于0.6 m。

(2)瓦斯工区的爆破必须采用煤矿许用炸药，其中DK117+348～DK117+723段采用安全等级不低于一级的煤矿许用炸药，DK117+723～DK118+040采用安全等级不低于三级的煤矿许用炸药，应采用煤矿许用瞬发电雷管或煤矿许用毫秒延期电雷管，使用防爆型起爆器。

(3)爆破母线应采用具有良好绝缘性和柔软性的铜芯电缆，并随用随挂，严禁将其固定。

3.2.3 电器设备和作业机械

(1)瓦斯隧道内照明灯具，开挖工作面附近的固定照明灯具，必须采用Exd Ⅰ型矿用防爆照明灯，二衬施工段固定照明可采用Exd Ⅱ型防爆照明灯，移动照明必须使用矿灯。

(2)瓦斯工区电气设备与机械设备可采用非防爆型。汽车、装载机等行走机械设备需安装车载式瓦斯监测报警仪，应具有瓦斯超限报警时停止运行并熄火的功能。根据瓦斯规范要求，电器设备与机械设备必须使用防爆型；在本隧道方案论证过程中，认为本隧道瓦斯等有害气体无连续溢出特征，结合类似工程经验，认为加强施工通风，确保瓦斯等有害气体浓度稀释到安全阈值以内，即可满足要求，如全部改造电器设备和机械设备，周期长、投资大，现场实践证明，该措施可行。

(3)严禁现场焊接作业，要求构造钢筋、连接钢筋采用绑扎方式，受力主筋采用套筒链接。初期支护拱架在洞外加工时增加锁脚锚杆连接钢板，在洞内采用螺母固定锁脚锚杆。

3.3 瓦斯预测及检测

为了防止瓦斯事故的发生，加强对瓦斯隧道地层的探测和瓦斯的检测至关重要[20]。

3.3.1 超前钻孔探测

根据前期探测地质条件，本段瓦斯工区通过地层主要为二叠系下统栖霞区灰岩夹炭质页岩，且位于岩溶强烈发育区，故本段布置超前水平钻孔4孔贯通探测及每循环实施加深炮孔13孔探测，如图6所示，用于掌握岩层岩性、裂隙和岩溶发育情况等。

图6 超前探测钻孔布置(单位：m)

3.3.2 瓦斯监测

采用“双保险”监控措施，即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，实现实时、无盲区、特殊作业跟班监测，及时发现瓦斯异常区域。遥控自动化系统由洞内监测中心(配置主控计算机)和洞内的控制分站以及在洞内各工作面、转角等处设置的瓦斯等有害气体浓度探头、风速探头、自动报警器、远程断电仪组成。安全监控系统的甲烷传感器应垂直悬挂在隧道上方风流稳定的位置，距隧道顶板≯300 mm。距隧道侧壁≮200 mm。瓦斯监测的地点及范围见表6。瓦斯浓度超标的处理根据不同区域或部位，按表7的要求进行处置。

瓦检人员必须跟班测定瓦斯浓度，严格执行“一炮三检制”和“三人连锁放炮制”，即在打眼后、放炮前、放炮后测试瓦斯浓度以及班长或安全员、放炮员及瓦检员三人同时在场放炮。在其余工作时间每小时测定一次瓦斯浓度。特殊地段应经常进行瓦斯监测。

表6 瓦斯监测地点和范围

表7 隧道内瓦斯浓度限值及超限处理措施

根据以上监测要求及超限处理措施，采用便携式瓦斯检测仪对掌子面及3个超前水平钻孔进行瓦斯浓度检测，瓦斯检测结果如图7所示。根据检测结果可知，在不通风情况下，掌子面施工放炮后，瓦斯浓度急剧增加，最高达到4.0%。采取加强通风措施后，瓦斯浓度急剧下降，15 min后浓度降至0.26%，达到安全范围内，并且在施工衬砌后检测不到瓦斯出现，说明全断面注浆封堵瓦斯气体效果良好。

采用以上处治技术措施后，唐家寨隧道出口油气段油气处治效果显著，隧道掘进和支护施工顺利，隧道支护于2017年底完成施工。类似的处治技术分别应用在黔张常铁路夏家堡隧道和晏家堡2号油气处治施工中，均取得了良好的工程效果。

图7 隧道内瓦斯浓度变化曲线

4 结论

(1)唐家寨隧道出口油气主要位于二叠系下统栖霞组灰岩夹炭质页岩地层中，其灰岩以瘤状灰岩为主，属于海陆混合相区域沉积环境，有机质富集达到油气生成条件，地层岩体较完整，且其孔隙度及渗透率均较低，为油气封闭储存创造了条件。

(2)通过钻孔取样进行室内试验对油、气含量测试和成分分析。根据试验结果可知，隧道涌出的有害气体为含油含CO的瓦斯气，其中气体包含甲烷、乙烷、丙烷、CO、CO2等成分，油质为轻质油，且通过油源对比分析，隧道油气主要来源于下二叠统栖霞组地层中。通过计算瓦斯绝对涌出量Qg为1.5 m3/min>0.5 m3/min，评定此隧道为高瓦斯隧道。

(3)本隧道为非伴煤瓦斯隧道，在隧道施工过程中瓦斯涌出具有随机性及分布不均匀等特点，并含有易燃、易挥发的轻质油及CO、挥发性油气等有毒有害物质，因此瓦斯地段设防等级按二级考虑。

(4)针对油气渗漏严重问题，从隧道开挖支护、施工方法和瓦斯检测三方面制定了瓦斯处治方案。加强隧道支护结构，通过添加气密剂、密封膏和周边围岩全断面径向注浆等方法封堵气体，防止其渗透扩散；明确施工措施，提高开挖钻爆作业材料工艺要求，加强通风措施稀释隧道瓦斯浓度，对作业机械进行建议改造处理，洞内严禁焊接施工；加强瓦斯检测，通过超前探孔进行瓦斯预测，采用“双保险”监测措施，实现实时、无盲区、特殊作业跟班监测，及时发现瓦斯异常区域。