綜合瓦斯預(yù)測技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用

彭忠成

摘 要：公路工程建設(shè)過程中隧道穿過區(qū)域可能受瓦斯災(zāi)害威脅，所以隧道瓦斯安全管理工作受到社會各界及相關(guān)管理部門的高度重視。隧道瓦斯災(zāi)害的產(chǎn)生應(yīng)同時(shí)具備三個(gè)條件：存在瓦斯源、瓦斯通道及具備瓦斯封閉條件。綜合采用TMP物探、超前地質(zhì)鉆探和鉆孔瓦斯涌出量測算形成的“三合一”綜合瓦斯預(yù)測技術(shù)，可較為準(zhǔn)確地預(yù)測隧道掌子面前方未開挖區(qū)域是否存在瓦斯源、瓦斯通道及具備瓦斯封閉條件，估算地層封存瓦斯量，從而準(zhǔn)確的預(yù)測瓦斯的威脅程度。本研究在結(jié)合實(shí)際情況的基礎(chǔ)上選取某案例，采用“三合一”綜合瓦斯預(yù)測技術(shù)。為同類型瓦斯隧道未開挖區(qū)域瓦斯預(yù)測工作提供進(jìn)一步可借鑒的實(shí)用方法。

關(guān)鍵詞：隧道未開挖區(qū)域;TMP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng);超前地質(zhì)鉆探;瓦斯涌出量;綜合瓦斯預(yù)測技術(shù)

隨著我國交通快速通道項(xiàng)目的大力建設(shè)，隧道施工開挖工作面前方瓦斯情況的預(yù)測是國內(nèi)外工程地質(zhì)和隧道工程界關(guān)注而又沒有得到很好解決的難題[1]。眾所周知，預(yù)測瓦斯的首要任務(wù)是判斷是否有瓦斯存在[2-6]。目前在施工過程中主要通過人工瓦斯檢測、自動瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測手段獲取已揭露巖層的瓦斯?jié)舛?、含量，進(jìn)行瓦斯安全管理[7-9]。

本文以某高速公路隧道為依托工程，研究瓦斯預(yù)測技術(shù)在瓦斯隧道中的應(yīng)用。在施工階段對隧道掌子面前方未開挖區(qū)域瓦斯預(yù)測技術(shù)進(jìn)行研究。

1 隧道地質(zhì)概況

某高速公路隧道概況，設(shè)計(jì)雙洞單向行車，右線樁號K8+370～K9+633，長1 263 m;瓦斯段樁號K8+750～K9+350，長600 m。預(yù)測區(qū)巖性以強(qiáng)～中風(fēng)化頁巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖夾煤層為主，巖體破碎，風(fēng)化層厚度大，圍巖穩(wěn)定性差。預(yù)測區(qū)埋深50 m～80 m，隧道揭煤層在K9+050～K9+140樁號之間，煤層與隧道推進(jìn)方向成約40°夾角，厚約15 m。

2 設(shè)備及方法

2.1 探測儀器設(shè)備及方法

2.1.1 TMP地震波超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)

TMP多功能地質(zhì)探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于航空無線電定位3C檢波器的工作原理提出了一個(gè)定向覆蓋錐形雷達(dá)（錐角為45°），經(jīng)過極化處理收到地層可靠而穩(wěn)定的參數(shù)化三維圖像。該參數(shù)圖像可以可靠地識別地層分離元素從而可以判別破碎帶等前方不良地質(zhì)體。

2.1.2 超前地質(zhì)鉆探

超前地質(zhì)鉆探法的鉆頭分為：（1）一般沖擊鉆。沖擊鉆不能取芯，但可通過沖擊器的響聲、鉆速及其變化、巖粉、卡鉆情況、鉆桿震動情況、沖洗液的顏色及流量變化等粗略探明巖性、巖石強(qiáng)度、巖體完整程度、溶洞、暗河及地下發(fā)育情況等;（2）回轉(zhuǎn)取芯鉆?；剞D(zhuǎn)取芯鉆巖芯鑒定準(zhǔn)確可靠，地層變化里程可準(zhǔn)確確定，一般只在特殊地層、特殊目的地段、需要精確判定的情況下使用。比如煤層取芯及試驗(yàn)、溶洞及斷層破碎帶物質(zhì)成分的鑒定、巖土強(qiáng)度試驗(yàn)取芯等。

2.1.3 瓦斯涌出量測定[10]

利用光干涉甲烷檢測儀采用人工方式隨機(jī)檢測超前鉆時(shí)掌子面及掌子面后方約40 m處回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛取Ｒ话?，在掌子面布?～12個(gè)測點(diǎn)，其中鉆孔口處布置1～2個(gè)測點(diǎn);在掌子面回風(fēng)流處布置5～10個(gè)測點(diǎn)，根據(jù)鉆孔瓦斯涌出情況確定檢測頻度。

3 瓦斯存在條件預(yù)測

3.1 布置

3.1.1 TMP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

本次TMP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在隧道進(jìn)口右幅K8+953上臺階掌子面位置，采用錘擊產(chǎn)生震源，對前方100 m范圍內(nèi)地質(zhì)條件及異常預(yù)測

3.1.2 超前地質(zhì)鉆探

本次超前鉆探，在隧道進(jìn)口右幅K8+953上臺階掌子面位置，中間及掌子面兩側(cè)位置共布設(shè)3個(gè)超前地質(zhì)鉆孔，采用沖擊鉆，每個(gè)鉆孔深度為51 m。

3.1.3 鉆孔瓦斯檢測

在進(jìn)行超前地質(zhì)鉆探時(shí)，對鉆孔口、掌子面拱頂及掌子面后方約40 m處回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測。掌子面布置7個(gè)測點(diǎn)（其中3個(gè)為孔口點(diǎn)）;在掌子面回風(fēng)流處布置5個(gè)測點(diǎn)。

3.2 數(shù)據(jù)分析

3.2.1 TMP物探成果分析

根據(jù)TMP地質(zhì)探測數(shù)據(jù)圖像分析，結(jié)合掌子面地質(zhì)條件及相關(guān)設(shè)計(jì)勘察資料，前方100 m范圍內(nèi)地質(zhì)條件及異常預(yù)測結(jié)果見表1。

3.2.2 瓦斯涌出量計(jì)算分析

由掌子面回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛取L(fēng)量、溫度、大氣壓值計(jì)算結(jié)果見表2。

4 瓦斯預(yù)測結(jié)果分析

通過綜合分析TMP物探、鉆探和鉆孔瓦斯涌出量“三合一”綜合瓦斯預(yù)測技術(shù)預(yù)測結(jié)果，并結(jié)合地質(zhì)勘察資料，可知：

4.1 預(yù)測里程

TMP型隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)對K8+953～K9+053段地質(zhì)預(yù)報(bào)較為清楚，予以采納;超前鉆探范圍為K8+953～K9+004。綜合物探、鉆探預(yù)測結(jié)果，本次預(yù)測里程為K8+953～K9+004。

4.2 K8+953～K8+968段

通過TMP物探、鉆探兩種手段預(yù)測結(jié)果可以看出，該段圍巖局部較破碎，存在節(jié)理裂隙，形成瓦斯運(yùn)移通道，本段埋深在64 m～76 m，有裂隙等與地表溝通，不具備瓦斯封閉條件。通過鉆孔瓦斯含量測算，當(dāng)鉆進(jìn)至K8+968處時(shí)，瓦斯含量約0.052 m3/min，說明該段地層中瓦斯含量較小。通過鉆探過程中沖洗液巖粉成分鑒定，該段地層巖性主要為玄武巖，未見煤層，說明該段本身不具備瓦斯生成條件，主要是通過節(jié)理、裂隙將其他地段少量的瓦斯運(yùn)移至本段隧道揭穿地層，但該段總體上瓦斯含量不高。

4.3 K8+968～K8+994段

該段圍巖總體較為破碎，該段瓦斯涌出量從0.052 m3/min

增長至0.159 m3/min，變化較大，通過鉆探過程中沖洗液巖粉成分鑒定，該段地層巖性主要為玄武巖，未見煤層，說明該段本身不具備瓦斯生成條件，主要是通過節(jié)理、裂隙將其他地段少量的瓦斯運(yùn)移至本段隧道揭穿地層。

4.4 K8+994～K9+004段

通過TMP物探、鉆探兩種手段預(yù)測結(jié)果可以看出，該

段圍巖總體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，可形成瓦斯運(yùn)移

通道，該段埋深在50 m～56 m，無斷層、裂隙等與

地表溝通，具備瓦斯封閉條件;當(dāng)鉆進(jìn)至K9+004處時(shí)，瓦斯含量上升至0.264 m3/min，停鉆后14 h鉆孔瓦斯涌出基本穩(wěn)定，瓦斯含量已達(dá)0.321 m3/min，說明K8+994～K9+004段地層中封存有一定量的瓦斯，通過鉆探過程中沖洗液巖粉成分鑒定，該段地層巖性以玄武巖和泥質(zhì)粉砂巖為主，由物探預(yù)測結(jié)果可知該段已接近含煤地段，本身雖不具備瓦斯生成條件，通過節(jié)理、裂隙將其他地段的瓦斯運(yùn)移至本段，泥質(zhì)粉砂巖的存在為瓦斯封閉創(chuàng)造條件，在隧道開挖時(shí)會將封存的瓦斯釋放出來，形成瓦斯危害。

5 結(jié)論

（1）采用TMP型超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)、超前鉆探可有效探測地質(zhì)巖性變化界面、構(gòu)造破碎帶、圍巖破碎程度，以及地層巖性等，從而判斷是否存在瓦斯源、瓦斯運(yùn)移通道和瓦斯封閉條件，通過鉆孔瓦斯涌出量測定可以判斷地層保存瓦斯的多少，也可以佐證是否具備瓦斯封閉條件，因此，綜合TMP物探、鉆探、鉆孔瓦斯涌出量測算形成的“三合一”綜合瓦斯預(yù)測技術(shù)可較為準(zhǔn)確地預(yù)測隧道前方未開挖區(qū)域瓦斯賦存情況，在隧道中實(shí)踐證明是可行的。

（2）通過“三合一”綜合瓦斯預(yù)測技術(shù)在隧道中應(yīng)用來看，隧道在正常通風(fēng)情況下，隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛容^低，預(yù)測區(qū)域瓦斯涌出量較小，瓦斯涌出量最大值為0.321 m3/min<

0.5 m3/min，按照《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》瓦斯工區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)，K8+953～K9+004段屬低瓦斯工區(qū)。

（3）通過對TMP物探、鉆探、鉆孔瓦斯涌出量測算“三合一”綜合瓦斯預(yù)測技術(shù)進(jìn)行探討，結(jié)合隧道地質(zhì)勘察資料，隧道K8+953～K9+004段揭穿地層在終孔前未見煤層或含煤地層，未經(jīng)歷生物化學(xué)或煤化變質(zhì)作用造氣時(shí)期，不存在煤及煤系地層瓦斯，瓦斯生成條件差。從鉆孔瓦斯涌出量、物探、鉆探結(jié)果可以看出該段地層具備一定的瓦斯封閉條件，周邊含煤地層的瓦斯可通過破碎帶、節(jié)理、裂隙等對隧道通過區(qū)巖層進(jìn)行補(bǔ)給，形成運(yùn)移瓦斯，若施工過程中通風(fēng)、瓦斯安全管理工作落實(shí)不到位，可能造成局部瓦斯積聚或瓦斯超限，釀成瓦斯事故。在鉆孔終孔時(shí)已見煤層，說明已經(jīng)具備瓦斯生成條件。

（4）《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》對隧道瓦斯工區(qū)劃分主要建立在地質(zhì)勘察工作的基礎(chǔ)上，施工實(shí)際操作中還要測定隧道掌子面瓦斯涌出量，從而對瓦斯隧道進(jìn)行工區(qū)劃分。不管是依靠地勘資料還是現(xiàn)場測定資料，還是兩者的結(jié)合，都不能準(zhǔn)確掌握隧道掌子面前方未開挖區(qū)域的瓦斯賦存狀況，因此，在施工階段應(yīng)充分利用瓦斯超前預(yù)測技術(shù)對瓦斯隧道工區(qū)類別進(jìn)行劃分。本文探討由TMP物探、鉆探、鉆孔瓦斯涌出量測算組成的“三合一”綜合瓦斯預(yù)測技術(shù)可為隧道未開挖區(qū)域瓦斯預(yù)測工作提供進(jìn)一步可借鑒的實(shí)用方法。

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