兰渝铁路梅岭关隧道地质特征与有害气体防治的探讨

郝俊锁

(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北丰润 064000)

0 引言

兰渝铁路是国家《中长期铁路网规划》西北西南区际间的新通道，经广元进入四川盆地后，穿越川西北、川北和川中油气区，所经地层以侏罗系为主。其中，广元至重庆段正线新建双线隧道111座，长138．1 km，都有可能遇到浅层天然气从而引发次生地质灾害［1］。在设计勘察阶段开展了兰渝铁路广元—南充段浅层天然气对隧道影响的研究，经分析认为熊洞湾隧道、轩盘岭隧道和梅岭关隧道受浅层天然气影响较严重。目前，在这种含有害气体地层进行地下工程建设的工程经验和研究成果较少，且无规范、标准可循。长期以来，浅层气主要被作为一种集中于气体的分布、开采与利用的能源进行研究［2］，而含有浅层气的地层对土木工程影响研究尚不多见。随着铁路、公路、城市地下工程建设领域的拓宽和地下空间的开发，将会越来越多地遇到受不同成因的浅层天然气影响的地下工程。如何把握含浅层气地层对地下工程的影响和成灾机制，采取何种有效措施消除或避免灾害发生，研究解决这一难题对隧道等地下工程安全施工和顺利运营具有重要意义。本文通过对兰渝铁路梅岭关隧道地质特征的进一步研究以及总结、分析隧道开挖揭露围岩的地质和瓦斯涌出情况与规律，提出施工过程中针对性预防措施。

1 工程概况

新建兰渝铁路高风险控制工程之一的梅岭关隧道，位于四川盆地北东部的广元市元坝区梅树乡、石井铺乡，起止里程为 DK607+329．1～DK615+600，全长8 270．9 m，为单洞双线隧道(见图1)。本隧道设进出口平行导坑辅助施工，该导坑中线与左线线路中线平行，间距30 m。隧道进口平导长2 660 m，出口平导长2 242 m。该隧道属低山沟谷侵蚀地貌，地形起伏较大，陡缓坡相间，地面坡度15～50°，局部为陡崖，标高为580～1 000 m，相对高差约420 m。隧道最大埋深约 407 m，最小埋深约58 m。

图1 梅岭关隧道进口段纵断面与平面示意图Fig．1 Longitudinal profile and plan layout of entrance section of Meilingguan tunnel

2 隧址区域地质环境

2．1 隧址区域地质构造特征

隧道区覆盖层主要为第四系全新统滑坡堆积层、冲洪积层、坡洪积层、坡残积层及崩坡积层，下伏基岩为白垩系下统剑门关组砾岩、砂岩与泥岩，侏罗系上统莲花口组砂岩、泥岩。隧道位于龙门山印支褶皱带东部、四川中坳斜燕山褶皱区之川北凹斜东部，新场向斜轴在DK616+500穿越隧道。

2．2 隧道与主要油气田、油气层的关系

隧道位于川东北油气区，东距九龙山气田约30 km，西距射箭河气田约10 km，紧邻吴家坝、牟家山潜伏构造，下伏地层上三叠统须家河二段和下二叠统茅口组是很好的产气层［3］。从地质构造角度分析，梅岭关隧道虽不是油气聚积的场所，但却是区域油气运移的必经之路，而地腹潼梓关潜伏鼻状构造的含气层可能通过裂隙等方式向上移串侵染上覆地层，对隧道施工有较大影响。

2．3 不良地质条件

勘察中对本隧道进行天然气测试，结果如表1所示。钻孔检测结果显示1号和4号钻孔有天然气逸出，隧道洞身基岩赋存浅层天然气。随着钻孔深度增加，天然气体积分数呈增高趋势，深度越大，天然气体积分数越多。从天然气显示段岩性来看，地层岩性主要以砂岩和泥质砂岩为主，岩芯完整，裂缝不发育，浅层天然气主要赋存于砂岩孔隙中。

表1 梅岭关隧道天然气钻孔测试结果表［4］Table 1 Results of gas detection through borehole drilling

3 高风险原因分析

3．1 设计情况

根据梅岭关隧道勘察阶段钻孔探测，单孔天燃气最高体积分数为0．974%，计算隧道天燃气总量为3 455．7 m3。该隧道 DK607+800～DK610+050和DK613+350～DK614+950段共计3850m按高瓦斯设计。

梅岭关隧道瓦斯不良地质主要是受区域地质构造运动影响。天然气是地质作用的产物，其形成、运移、赋存和富集与地质条件密切相关，并受地质条件的制约。该隧道下伏三叠系须家河组油气田，产气层至少在地表2．4 km以下，隧道开挖不会遇到产气层，但隧道位于吴家坝潜伏构造西端，断裂、裂缝发育，深层天然气会沿构造带破碎岩体和下部岩体的裂隙、节理上升，再沿上部岩体的节理、裂隙、岩层接触面上升至隧道通过的地层，对该隧道影响较大。天然气运移模式［5］如图 2 所示。

图2 天然气运移模式Fig．2 Transmission mode of natural gas

梅岭关隧道穿越地层主要为侏罗系红色砂泥岩地层，该地层中不会生成天然气，但较大规模的褶皱运动会使深层天然气向隆起幅度更高的部位运移，区域的断裂活动会极大提高天然气的垂向输通性能，受与储气层相通而圈闭条件好的张裂隙和裂隙发育的砂岩透镜体的分布控制，在该地层形成次生天然气储层;因此，该隧道穿越地层围岩体内存在瓦斯，大量以游离态赋存岩体孔隙中，少量在泥岩体内以吸附态存在，且因隧道开挖引起围岩体变形的影响而大量释放。

3．2 原因分析

根据上述梅岭关隧道区域地质环境和勘察钻探揭示不良地质条件描述以及对该隧道所处的区域构造特征、浅层天然气认识和天然气危害的特点等详细分析，认为梅岭关隧道施工存在极高风险。

1)各种气体对隧道的影响。川东石油勘探揭示深层天然气中硫化氢体积分数一般为9% ～17%，二氧化碳体积分数为5% ～9%，甲烷、硫化氢和二氧化碳三者约占天然气总量的99%［6］。具体分析各种成分对隧道影响为:①天然气混合气体爆炸极限为3．6%～17%，相对煤层瓦斯爆炸极限5% ～16%来说更易达到爆炸条件。②甲烷等轻烃本身无毒，为单纯窒息性气体;但硫化氢是一种剧毒气体，天然气中如含有较多的硫化氢，大量吸入会损害健康。③甲烷的燃点为595℃，硫化氢的燃点为280℃，硫化氢更易燃。

2)隧道受到浅层天然气藏影响。从地质条件来看，埋藏0～150 m内的地层不具备形成大气藏的条件，只能形成一些小气包，其可能会在平面上大面积展布。埋深逾500 m的地层在生储盖条件较为优越时才能形成较大规模的气藏。四川盆地天然气丰富，浅层天然气藏的主要层位是侏罗系和白垩系砂、泥岩红色地层，在川西、川中探明具有较高开采价值。隧址区域浅层天然气分布受构造控制，由于隧道埋深较浅，在无异常高压情况下，天然气主要以溢流方式缓慢溢出，一般难以出现象煤层瓦斯一样的涌出和突出现象;但不排除洞身穿越该地层可能遇到小气囊，给施工带来灾难性的事故隐患。

3)设计和施工原因。石油天然气是本隧道主要危险源之一，其不同于煤层瓦斯。全隧长8 271 m，设计勘察阶段仅设了4个地质探孔，其中有2个探孔检查发现瓦斯溢出，对瓦斯体积分数进行了检测，对其组成成分等未进行仔细分析，设计采用工程类比法。此外，天然气瓦斯隧道工程实例较少，施工经验不足。

4 天然气涌出情况

4．1 涌出特点

兰渝铁路梅岭关隧道自2009年10月开工建设就按照高瓦斯隧道施工要求，采用煤矿瓦斯自动监测监控系统和人工检测相结合的手段，对隧道掌子面等处的瓦斯体积分数和涌出情况实施24 h不间断检测。基于对梅岭关隧道大量瓦斯监测数据收集分析认为，当地质构造运动中封闭了天然气既有通道时，其特点表现为“隧道开挖中揭开封闭岩体后短时少量涌出，通风稀释后随即消失”。隧道开挖遇到的深层天然气具有压力低、流量低而稳定、分布不均匀、涌出的随机性强等特点。

4．2 监测数据规律分析

选择具有普遍代表性的瓦斯体积分数与时间的关系曲线［7］分析，找出影响瓦斯涌出异常的影响因素。

1)隧道开挖揭露的影响。图3是梅岭关隧道2011年6月1日的24 h瓦斯体积分数监测曲线。从图中可以看出，掌子面爆破后瓦斯体积分数快速上升，通风后又快速下降达到稳定。由此可以说明:①爆破振动对瓦斯涌出路径的连通性影响明显;②该隧道穿越地层天然气体积分数有限，补给速度缓慢，未形成有相对高压的气囊。

2)不同地质条件瓦斯体积分数不同。图4是梅岭关隧道2010年10月31 d的瓦斯体积分数监测曲线。从图中可以看出:①不同时间、不同里程，瓦斯体积分数的变化速率及其峰值不同，反映岩体中瓦斯的储量不同;②从相邻时间段(如以1周时间分段)分析，瓦斯体积分数的峰值接近，反映相似地层中瓦斯的储量相近;③整体看来，2010年10月共计发生瓦斯超限2次(设定超限报警值为0．5%)，瓦斯体积分数峰值不大，个别超限，且瓦斯涌出异常表现为快速上升/快速下降。由此可以说明，该隧道瓦斯涌出与其地层地质条件密切相关，地层天然气体积分数有限，具有压力低、流量低而稳定和分布不均的特点。

4．3 围岩中瓦斯的流动

根据本隧道掌子面爆破后瓦斯体积分数快速上升，通风后又快速下降达到稳定的特点分析，模拟瓦斯涌出的流动示意如图5所示。当隧道洞身穿越的地层或邻近地层中含天然气地层时，在隧道洞身爆破开挖后，由于围岩的移动和地应力的重新分布，在地层中造成大量的裂隙，可使顶、底板附近含天然气地层中的瓦斯大量涌入隧道空间。

图5 隧道爆破开挖围岩中瓦斯流动示意图Fig．5 Gas transmission after excavation

5 有害气体的针对性预防措施

按设计要求和规范、规程，在“超前钻孔探瓦斯、昼夜监测测瓦斯、严控火源防瓦斯、加强通风治瓦斯”等综合瓦斯防治的基础上，针对梅岭关隧道地质特征和有害气体的特点以及瓦斯涌出的规律，采取以下针对性预防措施。

5．1 硫化氢气体检测与预防

硫化氢气体的体积分数检测与瓦斯监测同时进行，在安装瓦斯安全监测监控系统时必须配置配套硫化氢气体传感器［8］，安装在隧道掌子面，实施24 h不间断监测;同时，专职瓦斯检测员配备便携式硫化氢气体检测仪(如GC210型，测量范围为0～0．01%)。天然气瓦斯隧道硫化氢气体体积分数检测是安全预防必不可少的一项重要手段。

硫化氢气体有剧毒，对隧道施工安全危害极大，根据硫化氢气体特性采取以下预防措施:

1)在施工过程中检测发现硫化氢气体，应制定专项安全施工方案和应急预案，并通过专家评审后，严格组织实施，并指派专人负责硫化氢检测。作业过程中，当现场人员听到硫化氢报警器发出报警时，应立即打手势和喊叫“停止作业”，并及时组织人员撤离。如果检测体积分数≥0．000 65%时，不得进入施工现场。

2)施工现场若闻到“臭鸡蛋”气味，或出现眼刺痛、畏光、流泪、结膜充血、咽部灼热感、咳嗽等，或有头痛、头晕、乏力等症状，应立即向现场施工负责人报告，加强硫化氢气体检测，查明原因。

3)硫化氢气体比空气重，具有极易溶于水和与石灰发生反应等特点，隧道施工现场掌子面和隧道已经施作仰拱回填段应每天洒水保持湿润。此外，现场应准备用于稀释硫化氢气体体积分数的石灰等应急物质。

4)隧道已施作二次衬砌地段，间隔100 m环向设置高压水喷淋管，在每次隧道掘进爆破后，开启喷淋管把水雾化成微细水滴喷射到空气中，达到防尘防有害气体的目的。

5)针对硫化氢气体的特性和危害，加强安全教育工作，提高防范意识和应急处置能力。

5．2 远距离放炮

根据瓦斯异常涌出与爆破震动有密切关系，且天然气可能含有硫化氢毒性气体以及浅层天然气可能有小气囊危害的不确定性，采取远距离爆破是为防止预测失误而采取的一种安全防护措施。放炮时把起爆点设在洞外，洞口杜绝一切火源。起爆母线采用铜芯电缆，使用煤矿安全炸药和毫秒雷管(总延期时间不超过130 ms)，放炮时洞内停电撤人，放炮后通风30 min方可进入工作面检查。

5．3 采取短进尺快封闭的施工措施

梅岭关隧道瓦斯涌出具有开挖爆破后瓦斯体积分数快速上升，通风后又快速下降达到稳定的特征;因此，根据围岩中瓦斯流动趋势，瓦斯的涌出量与隧道顶部岩层的卸压变形区域、层间岩的性质、瓦斯体积分数和工作面长度等因素有关。若在岩层中瓦斯达到一定体积分数时，一次爆破开挖进尺越大，则瓦斯涌出量就越大。采取短进尺可减少一次瓦斯涌出量，防治瓦斯体积分数突然升高超限带来安全隐患;快速封闭可以避免隧道顶部岩石松动冒落，而引起更深层次瓦斯向隧道内涌出。

6 施工效果

自新建兰渝铁路梅岭关高风险瓦斯隧道开工建设以来，经过2年多时间的施工检验，施工中所采取的措施科学有效。隧道工程相对封闭，除天然地层中的有毒气体外，开挖爆破、大量机械设备运转等也会产生有毒气体［9］。对有毒气体进行检测并保持良好的通风是最有效的防范手段;针对不同的气体物化特性，采取洒水、洒石灰等措施也取得很好的预防效果;隧道开挖过程中，采取洞外远距离放炮以及隧道掘进采取短进尺、快封闭等施工措施，同样也有效地预防有毒气体的危害和减少有害气体的产生。总之，需针对工程的地质特点、有毒气体的成分特征等制定相应的防范措施;另外，对工程参与人员进行有毒气体的知识及防范教育也是十分重要的。

7 结论与讨论

限于目前隧道地质勘察技术水平以及对浅层天然气的认识水平，难于在勘察阶段发现低压力、低体积分数瓦斯，无法定性、定量预测预报隧道洞身穿越地层瓦斯的分布、体积分数和涌出情况。在对隧道区域地质环境和洞身穿越地层岩性的分析认识的基础上，查明施工风险源，采取相应预防措施，并进一步通过隧道施工实践揭示，对风险点采取适时监测分析，掌握其特性和规律，采取针对性防范措施，是可以化解施工风险的。总之，隧道地质条件是施工的基础，特别是非煤系或煤系瓦斯隧道，详细了解洞身穿越地层的特性，查明隧道施工风险源、合理评估其危害是杜绝安全事故发生的关键。

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