蘭渝鐵路梅嶺關(guān)隧道地質(zhì)特征與有害氣體防治的探討

郝俊鎖

(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北豐潤(rùn) 064000)

0 引言

蘭渝鐵路是國(guó)家《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》西北西南區(qū)際間的新通道，經(jīng)廣元進(jìn)入四川盆地后，穿越川西北、川北和川中油氣區(qū)，所經(jīng)地層以侏羅系為主。其中，廣元至重慶段正線新建雙線隧道111座，長(zhǎng)138．1 km，都有可能遇到淺層天然氣從而引發(fā)次生地質(zhì)災(zāi)害［1］。在設(shè)計(jì)勘察階段開(kāi)展了蘭渝鐵路廣元—南充段淺層天然氣對(duì)隧道影響的研究，經(jīng)分析認(rèn)為熊洞灣隧道、軒盤(pán)嶺隧道和梅嶺關(guān)隧道受淺層天然氣影響較嚴(yán)重。目前，在這種含有害氣體地層進(jìn)行地下工程建設(shè)的工程經(jīng)驗(yàn)和研究成果較少，且無(wú)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)可循。長(zhǎng)期以來(lái)，淺層氣主要被作為一種集中于氣體的分布、開(kāi)采與利用的能源進(jìn)行研究［2］，而含有淺層氣的地層對(duì)土木工程影響研究尚不多見(jiàn)。隨著鐵路、公路、城市地下工程建設(shè)領(lǐng)域的拓寬和地下空間的開(kāi)發(fā)，將會(huì)越來(lái)越多地遇到受不同成因的淺層天然氣影響的地下工程。如何把握含淺層氣地層對(duì)地下工程的影響和成災(zāi)機(jī)制，采取何種有效措施消除或避免災(zāi)害發(fā)生，研究解決這一難題對(duì)隧道等地下工程安全施工和順利運(yùn)營(yíng)具有重要意義。本文通過(guò)對(duì)蘭渝鐵路梅嶺關(guān)隧道地質(zhì)特征的進(jìn)一步研究以及總結(jié)、分析隧道開(kāi)挖揭露圍巖的地質(zhì)和瓦斯涌出情況與規(guī)律，提出施工過(guò)程中針對(duì)性預(yù)防措施。

1 工程概況

新建蘭渝鐵路高風(fēng)險(xiǎn)控制工程之一的梅嶺關(guān)隧道，位于四川盆地北東部的廣元市元壩區(qū)梅樹(shù)鄉(xiāng)、石井鋪鄉(xiāng)，起止里程為 DK607+329．1～DK615+600，全長(zhǎng)8 270．9 m，為單洞雙線隧道(見(jiàn)圖1)。本隧道設(shè)進(jìn)出口平行導(dǎo)坑輔助施工，該導(dǎo)坑中線與左線線路中線平行，間距30 m。隧道進(jìn)口平導(dǎo)長(zhǎng)2 660 m，出口平導(dǎo)長(zhǎng)2 242 m。該隧道屬低山溝谷侵蝕地貌，地形起伏較大，陡緩坡相間，地面坡度15～50°，局部為陡崖，標(biāo)高為580～1 000 m，相對(duì)高差約420 m。隧道最大埋深約 407 m，最小埋深約58 m。

圖1 梅嶺關(guān)隧道進(jìn)口段縱斷面與平面示意圖Fig．1 Longitudinal profile and plan layout of entrance section of Meilingguan tunnel

2 隧址區(qū)域地質(zhì)環(huán)境

2．1 隧址區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征

隧道區(qū)覆蓋層主要為第四系全新統(tǒng)滑坡堆積層、沖洪積層、坡洪積層、坡殘積層及崩坡積層，下伏基巖為白堊系下統(tǒng)劍門(mén)關(guān)組礫巖、砂巖與泥巖，侏羅系上統(tǒng)蓮花口組砂巖、泥巖。隧道位于龍門(mén)山印支褶皺帶東部、四川中坳斜燕山褶皺區(qū)之川北凹斜東部，新場(chǎng)向斜軸在DK616+500穿越隧道。

2．2 隧道與主要油氣田、油氣層的關(guān)系

隧道位于川東北油氣區(qū)，東距九龍山氣田約30 km，西距射箭河氣田約10 km，緊鄰吳家壩、牟家山潛伏構(gòu)造，下伏地層上三疊統(tǒng)須家河二段和下二疊統(tǒng)茅口組是很好的產(chǎn)氣層［3］。從地質(zhì)構(gòu)造角度分析，梅嶺關(guān)隧道雖不是油氣聚積的場(chǎng)所，但卻是區(qū)域油氣運(yùn)移的必經(jīng)之路，而地腹潼梓關(guān)潛伏鼻狀構(gòu)造的含氣層可能通過(guò)裂隙等方式向上移串侵染上覆地層，對(duì)隧道施工有較大影響。

2．3 不良地質(zhì)條件

勘察中對(duì)本隧道進(jìn)行天然氣測(cè)試，結(jié)果如表1所示。鉆孔檢測(cè)結(jié)果顯示1號(hào)和4號(hào)鉆孔有天然氣逸出，隧道洞身基巖賦存淺層天然氣。隨著鉆孔深度增加，天然氣體積分?jǐn)?shù)呈增高趨勢(shì)，深度越大，天然氣體積分?jǐn)?shù)越多。從天然氣顯示段巖性來(lái)看，地層巖性主要以砂巖和泥質(zhì)砂巖為主，巖芯完整，裂縫不發(fā)育，淺層天然氣主要賦存于砂巖孔隙中。

表1 梅嶺關(guān)隧道天然氣鉆孔測(cè)試結(jié)果表［4］Table 1 Results of gas detection through borehole drilling

3 高風(fēng)險(xiǎn)原因分析

3．1 設(shè)計(jì)情況

根據(jù)梅嶺關(guān)隧道勘察階段鉆孔探測(cè)，單孔天燃?xì)庾罡唧w積分?jǐn)?shù)為0．974%，計(jì)算隧道天燃?xì)饪偭繛? 455．7 m3。該隧道 DK607+800～DK610+050和DK613+350～DK614+950段共計(jì)3850m按高瓦斯設(shè)計(jì)。

梅嶺關(guān)隧道瓦斯不良地質(zhì)主要是受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響。天然氣是地質(zhì)作用的產(chǎn)物，其形成、運(yùn)移、賦存和富集與地質(zhì)條件密切相關(guān)，并受地質(zhì)條件的制約。該隧道下伏三疊系須家河組油氣田，產(chǎn)氣層至少在地表2．4 km以下，隧道開(kāi)挖不會(huì)遇到產(chǎn)氣層，但隧道位于吳家壩潛伏構(gòu)造西端，斷裂、裂縫發(fā)育，深層天然氣會(huì)沿構(gòu)造帶破碎巖體和下部巖體的裂隙、節(jié)理上升，再沿上部巖體的節(jié)理、裂隙、巖層接觸面上升至隧道通過(guò)的地層，對(duì)該隧道影響較大。天然氣運(yùn)移模式［5］如圖 2 所示。

圖2 天然氣運(yùn)移模式Fig．2 Transmission mode of natural gas

梅嶺關(guān)隧道穿越地層主要為侏羅系紅色砂泥巖地層，該地層中不會(huì)生成天然氣，但較大規(guī)模的褶皺運(yùn)動(dòng)會(huì)使深層天然氣向隆起幅度更高的部位運(yùn)移，區(qū)域的斷裂活動(dòng)會(huì)極大提高天然氣的垂向輸通性能，受與儲(chǔ)氣層相通而圈閉條件好的張裂隙和裂隙發(fā)育的砂巖透鏡體的分布控制，在該地層形成次生天然氣儲(chǔ)層;因此，該隧道穿越地層圍巖體內(nèi)存在瓦斯，大量以游離態(tài)賦存巖體孔隙中，少量在泥巖體內(nèi)以吸附態(tài)存在，且因隧道開(kāi)挖引起圍巖體變形的影響而大量釋放。

3．2 原因分析

根據(jù)上述梅嶺關(guān)隧道區(qū)域地質(zhì)環(huán)境和勘察鉆探揭示不良地質(zhì)條件描述以及對(duì)該隧道所處的區(qū)域構(gòu)造特征、淺層天然氣認(rèn)識(shí)和天然氣危害的特點(diǎn)等詳細(xì)分析，認(rèn)為梅嶺關(guān)隧道施工存在極高風(fēng)險(xiǎn)。

1)各種氣體對(duì)隧道的影響。川東石油勘探揭示深層天然氣中硫化氫體積分?jǐn)?shù)一般為9% ～17%，二氧化碳體積分?jǐn)?shù)為5% ～9%，甲烷、硫化氫和二氧化碳三者約占天然氣總量的99%［6］。具體分析各種成分對(duì)隧道影響為:①天然氣混合氣體爆炸極限為3．6%～17%，相對(duì)煤層瓦斯爆炸極限5% ～16%來(lái)說(shuō)更易達(dá)到爆炸條件。②甲烷等輕烴本身無(wú)毒，為單純窒息性氣體;但硫化氫是一種劇毒氣體，天然氣中如含有較多的硫化氫，大量吸入會(huì)損害健康。③甲烷的燃點(diǎn)為595℃，硫化氫的燃點(diǎn)為280℃，硫化氫更易燃。

2)隧道受到淺層天然氣藏影響。從地質(zhì)條件來(lái)看，埋藏0～150 m內(nèi)的地層不具備形成大氣藏的條件，只能形成一些小氣包，其可能會(huì)在平面上大面積展布。埋深逾500 m的地層在生儲(chǔ)蓋條件較為優(yōu)越時(shí)才能形成較大規(guī)模的氣藏。四川盆地天然氣豐富，淺層天然氣藏的主要層位是侏羅系和白堊系砂、泥巖紅色地層，在川西、川中探明具有較高開(kāi)采價(jià)值。隧址區(qū)域淺層天然氣分布受構(gòu)造控制，由于隧道埋深較淺，在無(wú)異常高壓情況下，天然氣主要以溢流方式緩慢溢出，一般難以出現(xiàn)象煤層瓦斯一樣的涌出和突出現(xiàn)象;但不排除洞身穿越該地層可能遇到小氣囊，給施工帶來(lái)災(zāi)難性的事故隱患。

3)設(shè)計(jì)和施工原因。石油天然氣是本隧道主要危險(xiǎn)源之一，其不同于煤層瓦斯。全隧長(zhǎng)8 271 m，設(shè)計(jì)勘察階段僅設(shè)了4個(gè)地質(zhì)探孔，其中有2個(gè)探孔檢查發(fā)現(xiàn)瓦斯溢出，對(duì)瓦斯體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行了檢測(cè)，對(duì)其組成成分等未進(jìn)行仔細(xì)分析，設(shè)計(jì)采用工程類(lèi)比法。此外，天然氣瓦斯隧道工程實(shí)例較少，施工經(jīng)驗(yàn)不足。

4 天然氣涌出情況

4．1 涌出特點(diǎn)

蘭渝鐵路梅嶺關(guān)隧道自2009年10月開(kāi)工建設(shè)就按照高瓦斯隧道施工要求，采用煤礦瓦斯自動(dòng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)和人工檢測(cè)相結(jié)合的手段，對(duì)隧道掌子面等處的瓦斯體積分?jǐn)?shù)和涌出情況實(shí)施24 h不間斷檢測(cè)?；趯?duì)梅嶺關(guān)隧道大量瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集分析認(rèn)為，當(dāng)?shù)刭|(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中封閉了天然氣既有通道時(shí)，其特點(diǎn)表現(xiàn)為“隧道開(kāi)挖中揭開(kāi)封閉巖體后短時(shí)少量涌出，通風(fēng)稀釋后隨即消失”。隧道開(kāi)挖遇到的深層天然氣具有壓力低、流量低而穩(wěn)定、分布不均勻、涌出的隨機(jī)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

4．2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律分析

選擇具有普遍代表性的瓦斯體積分?jǐn)?shù)與時(shí)間的關(guān)系曲線［7］分析，找出影響瓦斯涌出異常的影響因素。

1)隧道開(kāi)挖揭露的影響。圖3是梅嶺關(guān)隧道2011年6月1日的24 h瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)曲線。從圖中可以看出，掌子面爆破后瓦斯體積分?jǐn)?shù)快速上升，通風(fēng)后又快速下降達(dá)到穩(wěn)定。由此可以說(shuō)明:①爆破振動(dòng)對(duì)瓦斯涌出路徑的連通性影響明顯;②該隧道穿越地層天然氣體積分?jǐn)?shù)有限，補(bǔ)給速度緩慢，未形成有相對(duì)高壓的氣囊。

2)不同地質(zhì)條件瓦斯體積分?jǐn)?shù)不同。圖4是梅嶺關(guān)隧道2010年10月31 d的瓦斯體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)曲線。從圖中可以看出:①不同時(shí)間、不同里程，瓦斯體積分?jǐn)?shù)的變化速率及其峰值不同，反映巖體中瓦斯的儲(chǔ)量不同;②從相鄰時(shí)間段(如以1周時(shí)間分段)分析，瓦斯體積分?jǐn)?shù)的峰值接近，反映相似地層中瓦斯的儲(chǔ)量相近;③整體看來(lái)，2010年10月共計(jì)發(fā)生瓦斯超限2次(設(shè)定超限報(bào)警值為0．5%)，瓦斯體積分?jǐn)?shù)峰值不大，個(gè)別超限，且瓦斯涌出異常表現(xiàn)為快速上升/快速下降。由此可以說(shuō)明，該隧道瓦斯涌出與其地層地質(zhì)條件密切相關(guān)，地層天然氣體積分?jǐn)?shù)有限，具有壓力低、流量低而穩(wěn)定和分布不均的特點(diǎn)。

4．3 圍巖中瓦斯的流動(dòng)

根據(jù)本隧道掌子面爆破后瓦斯體積分?jǐn)?shù)快速上升，通風(fēng)后又快速下降達(dá)到穩(wěn)定的特點(diǎn)分析，模擬瓦斯涌出的流動(dòng)示意如圖5所示。當(dāng)隧道洞身穿越的地層或鄰近地層中含天然氣地層時(shí)，在隧道洞身爆破開(kāi)挖后，由于圍巖的移動(dòng)和地應(yīng)力的重新分布，在地層中造成大量的裂隙，可使頂、底板附近含天然氣地層中的瓦斯大量涌入隧道空間。

圖5 隧道爆破開(kāi)挖圍巖中瓦斯流動(dòng)示意圖Fig．5 Gas transmission after excavation

5 有害氣體的針對(duì)性預(yù)防措施

按設(shè)計(jì)要求和規(guī)范、規(guī)程，在“超前鉆孔探瓦斯、晝夜監(jiān)測(cè)測(cè)瓦斯、嚴(yán)控火源防瓦斯、加強(qiáng)通風(fēng)治瓦斯”等綜合瓦斯防治的基礎(chǔ)上，針對(duì)梅嶺關(guān)隧道地質(zhì)特征和有害氣體的特點(diǎn)以及瓦斯涌出的規(guī)律，采取以下針對(duì)性預(yù)防措施。

5．1 硫化氫氣體檢測(cè)與預(yù)防

硫化氫氣體的體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)與瓦斯監(jiān)測(cè)同時(shí)進(jìn)行，在安裝瓦斯安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)必須配置配套硫化氫氣體傳感器［8］，安裝在隧道掌子面，實(shí)施24 h不間斷監(jiān)測(cè);同時(shí)，專(zhuān)職瓦斯檢測(cè)員配備便攜式硫化氫氣體檢測(cè)儀(如GC210型，測(cè)量范圍為0～0．01%)。天然氣瓦斯隧道硫化氫氣體體積分?jǐn)?shù)檢測(cè)是安全預(yù)防必不可少的一項(xiàng)重要手段。

硫化氫氣體有劇毒，對(duì)隧道施工安全危害極大，根據(jù)硫化氫氣體特性采取以下預(yù)防措施:

1)在施工過(guò)程中檢測(cè)發(fā)現(xiàn)硫化氫氣體，應(yīng)制定專(zhuān)項(xiàng)安全施工方案和應(yīng)急預(yù)案，并通過(guò)專(zhuān)家評(píng)審后，嚴(yán)格組織實(shí)施，并指派專(zhuān)人負(fù)責(zé)硫化氫檢測(cè)。作業(yè)過(guò)程中，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)人員聽(tīng)到硫化氫報(bào)警器發(fā)出報(bào)警時(shí)，應(yīng)立即打手勢(shì)和喊叫“停止作業(yè)”，并及時(shí)組織人員撤離。如果檢測(cè)體積分?jǐn)?shù)≥0．000 65%時(shí)，不得進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)。

2)施工現(xiàn)場(chǎng)若聞到“臭雞蛋”氣味，或出現(xiàn)眼刺痛、畏光、流淚、結(jié)膜充血、咽部灼熱感、咳嗽等，或有頭痛、頭暈、乏力等癥狀，應(yīng)立即向現(xiàn)場(chǎng)施工負(fù)責(zé)人報(bào)告，加強(qiáng)硫化氫氣體檢測(cè)，查明原因。

3)硫化氫氣體比空氣重，具有極易溶于水和與石灰發(fā)生反應(yīng)等特點(diǎn)，隧道施工現(xiàn)場(chǎng)掌子面和隧道已經(jīng)施作仰拱回填段應(yīng)每天灑水保持濕潤(rùn)。此外，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)準(zhǔn)備用于稀釋硫化氫氣體體積分?jǐn)?shù)的石灰等應(yīng)急物質(zhì)。

4)隧道已施作二次襯砌地段，間隔100 m環(huán)向設(shè)置高壓水噴淋管，在每次隧道掘進(jìn)爆破后，開(kāi)啟噴淋管把水霧化成微細(xì)水滴噴射到空氣中，達(dá)到防塵防有害氣體的目的。

5)針對(duì)硫化氫氣體的特性和危害，加強(qiáng)安全教育工作，提高防范意識(shí)和應(yīng)急處置能力。

5．2 遠(yuǎn)距離放炮

根據(jù)瓦斯異常涌出與爆破震動(dòng)有密切關(guān)系，且天然氣可能含有硫化氫毒性氣體以及淺層天然氣可能有小氣囊危害的不確定性，采取遠(yuǎn)距離爆破是為防止預(yù)測(cè)失誤而采取的一種安全防護(hù)措施。放炮時(shí)把起爆點(diǎn)設(shè)在洞外，洞口杜絕一切火源。起爆母線采用銅芯電纜，使用煤礦安全炸藥和毫秒雷管(總延期時(shí)間不超過(guò)130 ms)，放炮時(shí)洞內(nèi)停電撤人，放炮后通風(fēng)30 min方可進(jìn)入工作面檢查。

5．3 采取短進(jìn)尺快封閉的施工措施

梅嶺關(guān)隧道瓦斯涌出具有開(kāi)挖爆破后瓦斯體積分?jǐn)?shù)快速上升，通風(fēng)后又快速下降達(dá)到穩(wěn)定的特征;因此，根據(jù)圍巖中瓦斯流動(dòng)趨勢(shì)，瓦斯的涌出量與隧道頂部巖層的卸壓變形區(qū)域、層間巖的性質(zhì)、瓦斯體積分?jǐn)?shù)和工作面長(zhǎng)度等因素有關(guān)。若在巖層中瓦斯達(dá)到一定體積分?jǐn)?shù)時(shí)，一次爆破開(kāi)挖進(jìn)尺越大，則瓦斯涌出量就越大。采取短進(jìn)尺可減少一次瓦斯涌出量，防治瓦斯體積分?jǐn)?shù)突然升高超限帶來(lái)安全隱患;快速封閉可以避免隧道頂部巖石松動(dòng)冒落，而引起更深層次瓦斯向隧道內(nèi)涌出。

6 施工效果

自新建蘭渝鐵路梅嶺關(guān)高風(fēng)險(xiǎn)瓦斯隧道開(kāi)工建設(shè)以來(lái)，經(jīng)過(guò)2年多時(shí)間的施工檢驗(yàn)，施工中所采取的措施科學(xué)有效。隧道工程相對(duì)封閉，除天然地層中的有毒氣體外，開(kāi)挖爆破、大量機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)等也會(huì)產(chǎn)生有毒氣體［9］。對(duì)有毒氣體進(jìn)行檢測(cè)并保持良好的通風(fēng)是最有效的防范手段;針對(duì)不同的氣體物化特性，采取灑水、灑石灰等措施也取得很好的預(yù)防效果;隧道開(kāi)挖過(guò)程中，采取洞外遠(yuǎn)距離放炮以及隧道掘進(jìn)采取短進(jìn)尺、快封閉等施工措施，同樣也有效地預(yù)防有毒氣體的危害和減少有害氣體的產(chǎn)生。總之，需針對(duì)工程的地質(zhì)特點(diǎn)、有毒氣體的成分特征等制定相應(yīng)的防范措施;另外，對(duì)工程參與人員進(jìn)行有毒氣體的知識(shí)及防范教育也是十分重要的。

7 結(jié)論與討論

限于目前隧道地質(zhì)勘察技術(shù)水平以及對(duì)淺層天然氣的認(rèn)識(shí)水平，難于在勘察階段發(fā)現(xiàn)低壓力、低體積分?jǐn)?shù)瓦斯，無(wú)法定性、定量預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)隧道洞身穿越地層瓦斯的分布、體積分?jǐn)?shù)和涌出情況。在對(duì)隧道區(qū)域地質(zhì)環(huán)境和洞身穿越地層巖性的分析認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，查明施工風(fēng)險(xiǎn)源，采取相應(yīng)預(yù)防措施，并進(jìn)一步通過(guò)隧道施工實(shí)踐揭示，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)采取適時(shí)監(jiān)測(cè)分析，掌握其特性和規(guī)律，采取針對(duì)性防范措施，是可以化解施工風(fēng)險(xiǎn)的?？傊?，隧道地質(zhì)條件是施工的基礎(chǔ)，特別是非煤系或煤系瓦斯隧道，詳細(xì)了解洞身穿越地層的特性，查明隧道施工風(fēng)險(xiǎn)源、合理評(píng)估其危害是杜絕安全事故發(fā)生的關(guān)鍵。

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