高风险长大页岩气隧道瓦斯涌出量预测及防治措施

傅 璇

(中铁二十局集团第二工程有限公司 北京 100089)

1 引言

随着交通运输需求的提高和交通行业的发展，隧道项目越来越多，而不良地质条件下隧道施工难度大，许多研究人员对此做了一系列研究[1-3]。

姚宏波等[4]将三维有限元法与实测相结合，对软土地区中隧道受上部基坑的影响进行了研究。黄强等[5]通过现场实测和有限元动力计算方法，对列车运行时软土地区中的隧道沉降进行了研究。吴贤国等[6]为研究盾构隧道在施工过程中的防渗漏情况，建立了三维云-Copula模型，对滨海隧道施工的渗漏风险进行了评估。

页岩气地段是一种较为不良的地质，常会对隧道施工造成困难[7-9]。汪莹鹤[10]通过钻探、测井和样品分析等方式，评估了页岩气对隧道的影响情况。高杨等[11]针对页岩气围岩条件下的隧道，提出了一种包含页岩气参数的隧道工区分级评价模型。张雪金等[12]针对页岩气地质条件下的隧道，对该隧道的通风设计进行了优化和加强，提高了该隧道对页岩气灾害的防控等级。

本文依托怀邵衡项目苍稼岭隧道，对页岩气地质条件下的隧道气体进行了室内试验检测，监测了隧道不同位置处的瓦斯涌出量，提出了相应的隧道施工防治措施，并根据指数平滑法建立了瓦斯涌出量预测模型。

2 工程概况

怀邵衡项目苍稼岭隧道为双线单洞隧道，最大埋深约为540 m。全长7 976 m，设有1座斗山冲斜井，长1 437 m，出口横洞全长为330 m。隧道地质构造复杂，不良地质和特殊岩土发育且种类多。主要不良地质有:高地应力、页岩气(低瓦斯)、超长断层破碎带等。隧道掘进长，通风组织难度大，为Ⅰ级风险隧道。

隧道所在区域地形起伏较大，地势西高东低。隧道穿越中低山区，山区主体高程约为300～1 100 m，自然坡度30°～65°，存在山间谷地和中低山等地貌单元。隧道在施工过程中存在一定风险，主要为页岩气等有害气体。

3 气体检测分析

3.1 气体采集

为定量分析隧道地层中页岩气的主要成分，对隧道掌子面附近的气体和岩石进行了采集工作。将采集到带有油斑的岩石和煤岩样本通过密封罐进行封装储存，而气体则通过专用气袋进行采集储存。气体采集方式主要为炮眼法，通过往掌子面打入炮眼，在炮眼基础上进行密封，再将气体采集软管通过炮眼到达岩体内部，最后通过吸气球进行气体采集。

3.2 成分分析

通过气相色谱仪和稳定同位素分析仪对采集到的气体进行定量分析。通过D/max Rapid 11 R分析仪对采集到的岩石试样进行了X射线衍射物相分析。

分析结果表明，隧道内气体成分主要包含甲烷、乙烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢以及氨气等。甲烷的浓度为15.78%，一氧化碳的浓度最高为1 152 ppm，而硫化氢的浓度为46 ppm，均远超标准值。此外，以上成分还存在一定的爆炸危险性，并且如一氧化碳、氨气等，对人身体会造成直接性的损害，危害施工人员的人身安全。

表1展示了含油斑岩样物相分析情况。从表中可以看出，苍稼岭隧道油气环境为钙质主体。

表1 苍稼岭隧道含油斑岩样物相分析

对天然气中的烃类气和CO2中的稳定同位素进行了检测，以分析苍稼岭隧道中页岩气的成因和特点，检测结果如表2所示。从表2可以看出，C1(甲烷)和C2(乙烷)属于亚生物气。煤型气标准值为-28‰，乙烷的同位素相较于标准值而言偏重(-26.87‰)，因此乙烷是由煤系地层所形成的气体，为典型的煤型气。结合干燥系数0.91偏低的特点，可以判定苍稼岭隧道所涌出的气体为低熟煤型亚生物气。

表2 天然气和CO2同位素分析结果

4 瓦斯涌出量预测与现场监测

4.1 监测方案

通过自动监测和人工监测方法对苍稼岭隧道的瓦斯涌出量进行监测，人工监测数据作为印证，主要手段仍然是自动监测。通过KJ90监控系统进行自动监测，人工监测主要仪器则为手持式瓦斯检测仪。

自动监测的主要监测位置为隧道掌子面、二衬车台以及洞口位置处，对该位置的风速和瓦斯浓度无间断监测，并安排值班人员在监控室，以便于随时关注瓦斯浓度变化状况。

人工监测的主要方法是安排专门的工作人员通过瓦斯检测仪进行关键位置处的瓦斯浓度监测，主要为掌子面处、防水板处、人行通道处、上下台阶等。监测的频率为1次/2 h。此外，可根据自动监测结果，对瓦斯浓度较大的地方再额外安排人员进行人工监测，以及相应增加监测频率。

通过自动监测和人工监测得到的风流中瓦斯浓度数据，可通过下式对涌入隧道的瓦斯量进行计算:

其中，q表示隧道中瓦斯的涌出量(m3/min)；S表示当前隧道的开挖断面面积；V表示隧道断面的风流大小(m/s)；C为监测得到的瓦斯浓度(%)。

4.2 不同断面处瓦斯涌出量

图1展示了不同断面处的瓦斯涌出量随时间变化情况。从图中可以看出，随着时间的增加，瓦斯涌出量出现上下持续波动，但未出现较为显著的提高或降低，波动范围较为稳定。瓦斯涌出量最大的为隧道洞口处，其次为二衬台车处，瓦斯涌出量最低的是在掌子面处。此外，对比瓦斯涌出量波动大小可发现，掌子面处的瓦斯涌出量波动范围较大，其次为隧道洞口位置处，瓦斯涌出量波动最小的为二衬台车处。此外，隧道洞口处瓦斯涌出量与二衬台车处瓦斯涌出量之间的差值要大于二衬台车与掌子面之间的差值。

图1 不同断面处的瓦斯涌出量随时间变化曲线

造成上述现象可能是由于隧道掌子面处其风流形式主要为紊流，这导致了在掌子面处瓦斯分布并不均匀，也可能会导致监测数据不够准确，相较于实际情况偏小。相比较而言，隧道洞口与二衬台车位置处的风流形式为层流，结合瓦斯密度要小于空气密度，因此瓦斯呈现出隧道底板与顶板之间随着高度的增加浓度增大的一般性规律。

图2展示了隧道总体累计瓦斯涌出量随时间变化曲线。从图中可以看出，在3.5～5 h附近，由于施工等因素的影响，累计瓦斯涌出量随着变化曲线斜率出现增加，增长变化速度较快。在其余时间段，累计瓦斯涌出量随时间增加呈现出线性增长趋势。

图2 隧道累计瓦斯涌出量随时间变化曲线

4.3 瓦斯涌出量预测方法

指数平滑法是一种移动平均值法，通过对观测数据赋予不同的权重，来进行未知数据的预测。根据平滑数量的不同，指数平滑法可分为一次平滑法、二次平滑法和三次平滑法。在隧道开挖过程中，瓦斯涌出量可为时间的序列函数，因此通过指数平滑法对隧道开挖过程中瓦斯涌出量进行预测是可行的。指数平滑法公式如下:

式中，y′t＋1表示t时刻的平滑值，也是t＋1 时刻的预测值；yt表示在t时刻的观测值；y′t表示t-1时刻的平滑值，也是t时刻的预测值；a表示平滑系数，取值范围在0～1之间。

利用一次平滑法建立了瓦斯涌出量预测模型，通过对均方误差进行计算，当a＝0.3时，一次平滑法均方误差最小。图3展示了在a＝0.3时通过一次平滑法对瓦斯涌出量进行预测的结果与实测值对比情况。从图中可以看出，一次平滑法预测值随时间变化趋势与实测值较为接近，数值大小差异也不大，基本在变动区间内，波动较小，但在一定程度上也能反映瓦斯涌出量随时间变化的实际情况，不失为一种较好的预测方法。

图3 洞口瓦斯涌出量实测值与预测值对比

为对比一次平滑法、二次平滑法和三次平滑法对瓦斯涌出量预测效果的差异，分别利用三种方法对瓦斯涌出量随时间变化情况进行了预测。图4展示了a＝0.3时不同次数平滑法预测值与实测值比较。从图中可以看出，三种预测方法计算得出的瓦斯涌出量随时间变化趋势均与实测值较为一致，表现出了良好的预测效果。相比之下，二次平滑法和三次平滑法曲线较为平缓，未能体现瓦斯涌出量随时间的波动情况，而一次平滑法虽然与实测值仍有差异，但在一定程度上也反映了瓦斯涌出量随时间变化而表现出的波动性。

图4 不同次数平滑法预测值与实测值比较

表3给出了三种方法在计算瓦斯涌出量时的均方误差。从表3可知，三个模型中均方误差最小的为一次平滑法模型，其次为三次平滑法模型，误差最大的为二次平滑法模型。因此，利用平滑系数a＝0.3的一次平滑法对瓦斯涌出量进行预测效果最佳。

表3 不同平滑法模型对应的均方误差

5 页岩气地层中隧道施工防治对策

根据上述隧道气体检测和瓦斯涌出量监测数据，提出了在页岩气地层中进行隧道施工的一系列防治措施。

5.1 衬砌加强

对页岩气较为突出的隧道在施工时进行全封闭衬砌处理。通过铺满防水层，在支护和二次衬砌阶段通过掺入抗腐气密剂的混凝土等方式，以此对瓦斯、CO和氨气等有害气体进行隔绝。

通过膨胀水泥砂浆对隧道的施工缝和沉降缝进行填充，将具有气密性的涂料在表面进行喷涂，以防止不良气体的串流等情况。

5.2 超前钻孔探测

在隧道施工前，需要通过地质雷达和超前钻孔等方式进行地质勘察，以对隧道周围的围岩状况和瓦斯浓度以及分布情况精确掌握。依据实际工程经验，建议3个一组进行超前钻孔勘测，孔径设置为75 mm、钻孔深度在65～75 m较佳。通过超前钻孔的方式，若勘测结果显示有害气体未超标，则可在此基础上进行50 m范围内的隧道掘进施工作业。

5.3 围岩注浆

若经过勘测，发现隧道周围的有害气体浓度较大，可以采取围岩注浆方式进行防治。即结合围岩完整度和有害气体的初压情况，通过对局部裂隙进行注浆，甚至对整个断面围岩进行注浆封堵措施来进行防治。

具体措施为，若有害气体涌出压力在0.20～0.70 MPa范围内时，通过对通风进行加强以及自然排放方式即可处理。若有害气体涌出压力大于0.7 MPa，需在加强通风的基础上，设置有害气体排放孔。直到通过以上手段使得有害气体的初始压力降低到小于0.2 MPa情况时，开挖施工才可进行，并对围岩进行注浆封堵。此外，为了防止压力回升，可设置降压管通向洞外。

6 结论

本文依托怀邵衡项目苍稼岭隧道，对页岩气地质条件下的隧道气体进行了室内试验检测，对该隧道不同位置处的瓦斯涌出量进行了监测，分析了不同位置处瓦斯涌出量随时间变化规律，提出了相应的施工防治措施。基于此，根据指数平滑法建立了瓦斯涌出量预测模型。得出主要结论如下:

(1)苍稼岭隧道所涌出的气体为低熟煤型亚生物气。主要包含甲烷、乙烷、二氧化碳、一氧化碳、硫化氢以及氨气等。

(2)瓦斯涌出量最大的为隧道洞口处，其次为二衬台车处，最低的是在掌子面处。掌子面处的瓦斯涌出量波动范围较大。

(3)三种预测方法计算得出的瓦斯涌出量随时间变化趋势均与实测值较为一致，表现出了良好的预测效果。二次平滑法和三次平滑法曲线较为平缓，未能体现瓦斯涌出量随时间的波动情况。预测均方误差最小的为一次平滑法。利用平滑系数a＝0.3的一次平滑法对瓦斯涌出量进行预测效果最佳。

(4)文中提出的页岩气地层中隧道防治对策主要为衬砌加强、超前钻孔探测、围岩注浆三种方式。