软弱围岩特大断面隧道瓦斯预测体系及防控措施研究

【摘要】

依托成都市东西城市轴线（东段）工程龙泉山二号隧道为工程背景，通过对瓦斯探测方法及施工控制方案、瓦斯防爆措施、瓦斯监测浓度异常处理等的研究，形成了成套瓦斯气体预测体系并提出一套系统完整的隧道瓦斯防控方案。研究结果表明，龙泉山2号隧道低瓦斯工区占隧道全长约40%，高瓦斯工区占隧道全长约60%。以“地质调查法为基础、TSP+地质雷达法为主要手段、超前钻探为辅”的瓦斯气体预测体系能够准确预测隧道掌子面前方不良地质体分布情况，同时采取“规范钻爆作业、加大瓦斯排放、强化通风并结合全封闭式结构设防”的瓦斯综合防控方案可有效控制瓦斯聚集，降低瓦斯爆炸风险，确保施工安全和施工正常进行。

【关键词】软弱围岩； 特大断面； 公路隧道； 瓦斯预测； 防控措施

【中图分类号】U458.2【文献标志码】A

［定稿日期］2023-06-26

［作者简介］王进（1990—），男，博士，高级工程师，主要从事隧道工程建设管理工作。

［通信作者］陈韬（1989—），男，本科，工程师，主要从事隧道工程建设管理工作。

0 引言

诸如岩爆、大变形、突水、突泥、有毒有害气体等地质灾害的出现常给地下工程的建设带来巨大损失［1-3］。其中，有毒有害气体与隧道穿越地质条件关系密切，相较而言出现频率更高，而瓦斯是地下工程施工过程中最为常见的有毒有害气体之一，带来的瓦斯爆炸不仅严重阻碍工程进度更是威胁作业人员生命安全［4-5］。为此，提出一套系统完整的隧道瓦斯气体预测体系及关键性防控措施迫在眉睫。

由此，国内外众多学者对瓦斯隧道的建设展开了大量研究。李志鹏等［6-7］采用数值模拟的手段对瓦斯隧道瓦斯气体爆炸时产生的冲击波进行了系统分析，揭示了瓦斯爆炸孕育机理；尹平等［8］通过大量文献调研，对典型公路隧道瓦斯爆炸案例进行了归纳整理，并提出了针对性的防治措施；杨义［9］依托肖家梁隧道和黄草隧道为工程背景，系统分析了页岩气地层瓦斯分布规律，提出了一套完整的瓦斯隧道安全快速施工技术，现场实践验证了施工方案的可行性；Kang［10］提出了一种新型的基于物联网的瓦斯检测设备，能够有效地检测瓦斯浓度并发出声音报警，可实现瓦斯浓度自动监测、瓦斯信息实时反馈及控制；林志斌等［11］以某一特长高速公路瓦斯隧道为工程背景，提出了巷道式循环通风方案，解决了特长瓦斯公路隧道通风难题；黄晋睿［12］提出了独头压入式和巷道式通风低瓦斯隧道通风方案，工程实践验证了通风方案的可行性和合理性。

综上，国内外大多学者对瓦斯隧道的瓦斯爆炸的孕育机理、施工管理、通风设计等进行了深入的研究，并取得了显著成果，而目前专门针对软弱围岩特大断面高瓦斯隧道的研究特别是瓦斯预测与防治的系统研究还很匮乏，提出一套系统完整的隧道瓦斯气体预测体系及关键性防控措施迫在眉睫。依托成都市东西城市轴线（东段）工程龙泉山二号隧道为工程背景，通过对瓦斯探测方法及施工控制方案、瓦斯防爆措施、瓦斯监测浓度异常处理等的研究，形成了成套瓦斯气体预测体系并提出一套系统完整的隧道瓦斯防控方案，为科学组织施工提供依据。

1 工程概况

成都市东西城市轴线（东段）工程龙泉山二号隧道进口端为茶店镇白果村，出口端为茶店镇民主村，隧道设计为单洞双向 8 车道，设计车速为80 km/h，隧道净宽17.75 m ，净高5 m，掌子面最大开挖面积为231.4 m2，为国内外罕见的特大断面隧道。

隧道左洞起止里程为LK20+935～LK23+018，左洞全长2 083 m，右洞起止里程为RK20+972～RK23+070，全长2 098 m。如图1所示，隧道穿越地层岩性以中风化～强风化泥岩为主，岩质较软，岩体破碎，围岩等级主要为V级。

隧道位于龙泉山背斜西翼，受洛带气田影响较大，从现场测气结果来看，有天然气显示钻孔数占 100%，天然气最大浓度高达15 665×10-6，这说明浅层天然气对该隧道影响明显。从油气构造部位、地层岩性组合以及现场钻孔测试可知，本隧道施工过程中极有可能存在瓦斯涌出风险，为确保安全，施工过程中应针对瓦斯气体做专向施工方案。

2 特大断面隧道瓦斯预测体系

2.1 瓦斯隧道分级

瓦斯主要成分是CH4，是易燃、易爆炸的有毒有害气体，当瓦斯浓度超过总空气含量40%时，可令人窒息死亡。为了确保施工安全，根据隧道施工过程中瓦斯涌出量或瓦斯压力定量将瓦斯隧道分为四级［13］，具体分级标准如表1所示。

2.2 瓦斯预测体系

2.2.1 预测方法

常用于隧道工程的瓦斯超前预报法包括：地质调查法、TSP法、超前钻孔等。地质调查分析法常用于长距离预测，预测范围一般超过200 m，主要根据相应地质资料宏观预测分析隧址区瓦斯分布特征，预测范围广，但预测精度不高；TSP和地质雷达法用于中长距离预测，可对掌子面前方30～200 m范围内瓦斯气体分布范围及浓度进行较为精准的预测；红外探测法和超前钻孔常用于短距离预测，可精确预测掌子面前方围岩30 m范围内不良地质具体分布特征，常用于验证中长距离不良地质的预测结果。

结合本工程地质条件、风险源及其风险等级，综合采取以地质调查法为基础、TSP+地质雷达法为主要手段、超前钻探为辅的瓦斯气体预测体系，如图2所示。

2.2.2 超前瓦斯钻探布设

超前地质钻探适用于隧道内各种地质问题的探测预报，钻孔孔数、间距、深度、偏角等要素应根据隧道地质复杂程度和预报对象的特点设计确定。预报过程中，应根据预报成果及时修改隧道地质复杂程度分级并调整超前地质钻探设计方案。

如图3所示，根据隧道地质条件及瓦斯分布情况，每段面布设7个超前瓦斯钻孔，钻孔直径为76 mm，钻孔深度设计为68 m，其中孔6为水平钻孔、孔1～孔5、孔7为倾斜钻孔，钻孔终孔点超出隧道开挖轮廓线5 m，前后两循环钻孔搭接长度为8 m。

2.2.3 工艺流程

隧道瓦斯预测体系如图4所示，根据地质调查分析法和物探法初步确定隧道掌子面前方是否存在不良地质，再进一步采用超前钻孔精准预测掌子面前方瓦斯分布，具体流程：

（1）开挖卸荷后，首先对掌子面展开地质调查分析，并绘制掌子面素描图，在同一地层岩性段，每间隔10 m进行掌子面地质素描，当地层岩性改变时，增加素描频率。

（2）采用弹性波法长距离初步探测隧道前方地层不良地质特征，间隔100 m。

（3）根据弹性波法测试结果，进一步采用地质雷达法等物探法探测不良地质分布情况，间隔30 m。

（4）若地质雷达法预测出前方的确存在不良地质体时，进一步采用超前钻孔验证，间隔10 m。

（5）综合分析地质调查分析法、物探法及超前钻孔法预测结果，结合工程实际地质特征，判定不良地质体的范围与程度。

（6）全隧道进行瓦斯钻孔探测时，每循环设置加深炮孔，加深3 m，拱部8个，仰供5个。

2.3 测试结果

通过对整个隧道开展超前瓦斯探孔探测发现，隧道左洞LK22+220～LK23+018里程段、右洞RK22+220～ RK23+070里程段为低瓦斯工区，约占隧道总长40%；隧道左洞LK20+935～LK22+220里程段、右洞RK20+ 972～RK22+220里程段为高瓦斯工区，约占隧道总长60%，具体如表2所示。

3 瓦斯防爆关键举措

3.1 瓦斯隧道防治基本原则

（1）隧道钻爆作业必须严格执行“一炮三检制”和“三人连锁放炮制”。

（2）高瓦斯及瓦斯突出工区严禁采用反向装药。

（3）钻孔作业应采用湿式钻孔。

（4）钻爆开挖后应加强通风作业，瓦斯定级越高，通风时长越长。

（5）瓦斯隧道通风系统采用专用变压器， 专用开关， 专用线路供电。

3.2 施工关键举措

3.2.1 钻爆施工控制措施

（1）炸药选择。根据相关规范，瓦斯隧道爆破作业必须采用煤矿许用炸药，低瓦斯工区使用安全等级二级的煤矿许用炸药，高瓦斯及瓦斯突出工区使用安全等级为三级的煤矿许用炸药，具体如表3所示。

（2）雷管选择。瓦斯隧道雷管宜采用瞬发电雷管或煤矿许用毫秒延期电雷管，当采用延期电雷管时，延期需小于130 ms。则按照规定，本工程选用1～5段的电雷管，起爆采用防爆型起爆器电力起爆。

（3）钻孔方式。根据相关规范要求，隧道洞内钻爆装药时采用湿式钻孔，炮眼深度设置为0.6 m。

3.2.2 瓦斯排放

为便于隧道内涌出的瓦斯气体大部分排向洞外，在隧道地板左右侧纵向盲管每间隔50 m设置一处水气分离装置，环向盲管与拱顶瓦斯排放管连通，将瓦斯等气体分离排放至隧道出口端洞口，上端管口距拱顶 3 m以上并附防雨管帽，安装永久性提示标牌“瓦斯排放，20 m周围禁止明火及易燃易爆物品”。

3.2.3 强化通风

大量调研发现，隧道、矿井等地下工程施工工程中80%出现瓦斯聚集现象是由于施工通风不够引起的，其中，70%瓦斯爆炸事故发生在掌子面［13］。因此，掌子面加强通风是减小瓦斯聚集、降低瓦斯爆炸风险的关键举措。

隧道施工中采用6台1XAVH-R160.200.8型轴流风机送风，轴流风机功率为200 kW，每台轴流风机送风能力为54～82 m3/s；当隧道通过高瓦斯工区段时，增加12台煤矿用隔爆型压入式局部通风机，同时轴流风机风速设置为1 m/s，以防止隧道内瓦斯聚集，降低瓦斯浓度，减小施工风险。

施工中还应加强瓦斯涌出监测，可建立隧道内瓦斯信息网，配置瓦斯自动监测系统，实时反馈掌子面瓦斯含量，当瓦斯含量超过应急标准时，及时停工，撤离全部施工人员并加强通风。

3.3 全封闭式结构设防

本隧道全长按二级瓦斯设防设计，全隧设置全封复合式衬砌结构，初支与二衬之间全环设置防水板，衬砌结构混凝采用气密性钢筋混凝土。具体措施：

（1）结构型式。隧道初期支护、二次衬砌均采用带仰拱的封闭式复合衬砌。

（2）构造要求。初期支护喷射混凝土强度等级为 C25，初喷厚26～28 cm；二衬采用C40钢筋混凝土，厚60～75 cm，抗渗等级为P10。

（3）材料要求。初期支护喷射混凝土及二次衬砌混凝土均采用气密性混凝土。其中，喷射混凝土透气性不应大于 10 cm/s，模筑混凝土透气性不应大于 11 cm/s，可选用普通硅酸盐水泥并掺入气密剂或防腐蚀气密剂（一般选用TL防腐蚀气密剂、GT-A 气密剂、SF 高效复合气密剂等，掺量为水泥用量的 3%～8%）。

（4）瓦斯隔离层。衬砌结构设置全封闭隔离层，防水层兼作瓦斯隔离层，瓦斯隔离层采用厚 1.5 mmEVA 防水板，其搭接长度不得小于 100 mm，接缝宜采用热熔法搭接。

现场采用便携式瓦斯检测仪测试表明，现场施工安全一直处于可控状态，说明采取“规范钻爆作业、加大瓦斯排放、强化通风并结合全封闭式结构设防”的瓦斯综合防控方案可有效控制瓦斯聚集，降低瓦斯爆炸风险，是合理可行的。

4 结束语

本文依托成都市东西城市轴线（东段）工程龙泉山二号隧道为工程背景，通过对瓦斯探测方法及施工控制方案、瓦斯防爆措施、瓦斯监测浓度异常处理等的研究，形成了成套瓦斯气体预测体系并提出一套系统完整的隧道瓦斯防控方案，研究得到主要结论：

（1）根据瓦斯预测结果，可将龙泉山2号隧道分为低瓦斯工区和高瓦斯工区，其中，低瓦斯工区占隧道全长约40%，高瓦斯工区占隧道全长约60%。

（2）以“地质调查法为基础、TSP+地质雷达法为主要手段、超前钻探为辅”的瓦斯气体预测体系能够准确预测隧道掌子面前方不良地质体分布情况。

（3）采取“规范钻爆作业、加大瓦斯排放、强化通风并结合全封闭式结构设防”的瓦斯综合防控方案可有效控制瓦斯聚集，降低瓦斯爆炸风险。

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