超前地质预报在高瓦斯隧道施工过程中的应用

李立功

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

超前地质预报在高瓦斯隧道施工过程中的应用

李立功

(中铁隧道勘测设计院有限公司，天津 300133)

以三联高瓦斯隧道成功穿越煤系地层为例，分析整理了该隧道施工过程中超前地质预报的工作方法及内容，着重对超前水平探孔法进行了阐述，指出采用多种技术方法进行综合超前地质预报的重要性。

超前地质预报，超前水平探孔，隧道

1 工程概况

三联隧道位于云南省宣威县境内，全长12 136 m，最大埋深280 m，是贵昆铁路增建二线六盘水至沾益段(以下简称六沾复线)的重点控制性工程。该隧道为单洞双线隧道，隧道断面面积120 m2，隧道穿越的主要地层为断层角砾岩(Fbr)、三叠系下统飞仙关组(T1f)砂岩夹泥岩、页岩、二叠系上统宣威群(P2xn)砂岩夹泥页岩、煤层，峨眉山玄武岩组(P2β)玄武岩夹层状凝灰岩等，洞身大部分地段处于Ⅳ级和Ⅴ级围岩段。其中1号斜井工区隧道穿越宣威群上部含煤地层主要集中在D1K306+770～D1K306+ 970地段，见图1;该段含煤6层～13层，煤层厚0．13 m～1．80 m，一般厚0．39 m ～1．13 m，煤层间距 3．44 m ～24．84 m。根据地勘资料，实测的煤层瓦斯压力除深度较浅的C1煤层较低之外，其余压力值较大，在1．831 MPa～3．195 MPa，按瓦斯压力梯度计算的隧道洞身段煤层瓦斯压力在2．533 MPa～3．229 MPa，煤层瓦斯含量为7．54 m3/t～12．87 m3/t，煤层瓦斯涌出量 4．606 m3/min ～15．816 m3/min，其瓦斯压力、瓦斯含量、瓦斯涌出量均属高瓦斯工区。为此，设计文件明确要求开展综合物探超前探测以及水平钻孔超前探测来进行超前地质预报，探测煤层位置，为揭煤施工提供依据。

2 超前预报的依据和必要性

在煤系地层中修建隧道，瓦斯爆炸和瓦斯燃烧以及煤尘爆炸等地质灾害是隧道建设主要应防止发生的地质灾害。瓦斯突出是形成瓦斯爆炸的主要原因。根据地勘资料，在隧道穿越的主要6层煤层中，C2，C3属一般突出危险。根据铁建设函［2006］340号《关于进一步加强铁路隧道施工超前地质预报工作的通知》要求，为探明掌子面前方的地质情况、煤层位置及产状、瓦斯赋存等，以地质调查法为基础(洞内地质素描)，以超前钻探法为主，结合多种物探手段进行综合超前地质预报。

图1 隧道穿越含煤地层示意图

3 瓦斯隧道地质预报的特点

1)瓦斯是指隧道在施工过程中产生的各种有害气体的总称。煤层中的瓦斯主要以甲烷为主，无色、无味、无嗅、可以燃烧或者爆炸。因此对超前地质预报提出了更严格的要求：进洞人员禁止穿化纤服装，禁止携带易燃、易爆物品，进洞的设备仪器必须防爆。

2)瓦斯的生成、运移、赋存和聚集，受地质条件的控制。一是煤层围岩，二是煤层埋深，三是该地区的水文地质，四是煤体结构，五是地质构造情况，六是煤的变质程度。三联隧道煤层段地质围岩主要为泥页岩、砂岩，其孔隙率与渗透性均低，对煤层瓦斯的封闭性良好;煤层埋深在142 m～181 m之间，其埋深较浅;受明德断层推扭，岩层产状由缓变陡到近于直立，节理、裂隙较发育，局部的挤压带可能封闭向地表释放瓦斯的通道，可能形成瓦斯聚集带。

3)瓦斯的逸出具有一定的随机性。因此准确预报掌子面前方的地层岩性、地质构造、地下水的赋存情况是必要条件。

4 预报工作方法及内容

由于该隧道为高风险隧道，采用了多种方法开展超前地质预报，主要有：洞内地质素描、红外探水法、TSP203+超前地质预报法以及超前水平探孔等等，其中超前水平探孔为主要的施工方法。以上方法互相补充，形成了远、中、近三种距离的综合超前地质预报体系。

超前水平探孔是TSP203+超前地质预报的验证和补充。在探测过程中由地质工程师观察钻孔揭示的地质情况，做好相应记录，探孔结束后提供钻孔柱状图和钻探报告。三联隧道煤层段采用MKD-5S型全液压坑道钻机实施超前水平探孔。超前钻孔数量1个～5个不等，一般左边的孔左偏5°，仰角3°，右边的钻孔右偏5°，下俯3°，中间的钻孔从起拱线以下2．5 m施作，仰角5°。另外两个孔的角度根据现场情况另定(见图2)。

图2 超前水平探孔

5 应对超前水平探孔时瓦斯异常的措施

由于地质构造的复杂性和多变性，超前地质预报预测的位置是根据其成果图解译推算出的隧道穿过煤层大致位置。对于煤层是否有突出危险，必须掌握煤层的准确位置和参数，才能不致误穿煤层造成突出事故。因此，准确掌握煤层位置和参数是必须的，同时进行超前探煤也可以了解煤层及瓦斯动力现象，为煤层是否有突出危险性判断预测打下基础。

在实施超前水平探孔过程中，除专业人员在掌子面采用五点式检测瓦斯浓度外，安排一名专职瓦检员检测孔内瓦斯浓度，至少每1．5 m(每次提钻)检查一次。如果出现顶钻、夹钻、喷孔等动力现象时，就可以判断该开挖工作面为瓦斯突出危险工作面，应立即切断钻机电源，停止钻进，同时观测钻孔内瓦斯涌出的情况，如果动力学现象不明，需进一步按临界指标法进行确认。对于钻孔采取的芯样，按照回次、进尺排列好，请专业人员加以判断。如果掌子面出现瓦斯聚集或者瓦斯浓度超限时，所有人员应撤到安全的地方，同时并加大送风量，待恢复安全值以内时方可继续施工。

6 超前水平探孔过程及结果

1)在距煤层15 m～20 m(垂距)处的开挖工作面钻1个超前钻孔，初探煤层位置;

2)在距初探煤层10 m(垂距)处的开挖工作面钻3个超前钻孔，分别探测开挖工作面前方上部及左右部位煤层位置，并采取煤样和气样进行物理、化学分析和煤层瓦斯参数测定，在现场进行瓦斯及天然气含量、涌出量、压力等测试工作;

3)按各孔见煤、出煤点计算煤层厚度、倾角、走向及与隧道的关系，并分析煤层顶、底板岩性;

4)掌握并收集钻孔过程中的瓦斯动力现象。

在距煤层垂距5 m处的开挖工作面打瓦斯测压孔，进行瓦斯突出危险性预测，测定煤层瓦斯压力，煤的瓦斯放散初速度与坚固性系数，钻屑瓦斯解吸指标等。采用瓦斯压力法、综合指标法或钻屑指标法等进行瓦斯突出危险性预测。当预测煤与瓦斯有突出危险时，施作瓦斯排放孔。由于本隧道预测煤层与隧道中线的夹角较小(20°)，故采用分段排放的方式(三步排放)。瓦斯排放措施实施后，应进行瓦斯排放效果检验，以确认是否有效。若无突出危险，采用震动放炮措施揭煤。揭煤以及在煤层掘进时，放炮点应设在洞外，放炮时，隧道必须停电，全部人员撤至洞外，人员及机电设备，不要正对洞门，洞门附近灭绝火源。在爆破30 min后瓦检员首先检查通风情况，确认通风正常后进入洞内检查瓦斯浓度，若瓦斯浓度超标则应进一步加强通风直至瓦斯检测浓度符合作业要求。

瓦斯自动监测系统以及瓦检员检测的结果表明：在正常通风的情况下，未放炮时隧道内风流中瓦斯浓度为0，放炮后短时间内有瓦斯涌出，最大浓度可达0．4%，放炮后18 min～25 min隧道内瓦斯浓度降到《铁路隧道施工规范》允许的浓度。

三联隧道分别从煤层地段的正、反方向实施了11次超前水平探孔，钻探结果显示，隧道多次穿越煤线、煤层以及砂岩、页岩、泥岩和炭质泥页岩，岩层较为破碎，部分地段存在裂隙水，最大穿煤长度3．7 m。钻孔结果见表1。

表1 三联隧道超前水平探孔资料汇总表

7 体会和建议

在隧道实际开挖过程中，所揭示的煤层地段与超前预报的结果基本吻合。目前，该隧道已于2012年4月顺利贯通，未发生一起与瓦斯有关的安全事故。事实证明，在瓦斯隧道施工过程中，综合超前地质预报是一种非常有效的手段和管理措施。只要认真实施，隧道的施工安全就可以得到保证。

目前，超前地质预报已经作为一道工序纳入到施工过程中，受技术发展水平的限制，没有哪一种方法可以解决施工中遇到的所有地质问题，因此采取多种技术方法进行综合超前地质预报就显得尤为重要。

［1］张立云，李 荣，周长兴．超前地质预报在洪福高瓦斯隧道施工过程中的应用［J］．西南公路，2010(4)：23-25．

［2］铁道部．铁路隧道超前地质预报技术指南［S］．

［3］张子敏，张玉贵．瓦斯地质规律与瓦斯预测［M］．北京：煤炭工业出版社，2005．

［4］TB 10120-2002，铁路瓦斯隧道技术规范［S］．

Application of advanced geological forecast in high gas tunnel construction

LI Li-gong

(China Railway Tunnel Survey＆ Design Institute Co．，Ltd，Tianjin 300133，China)

Taking Sanlian high gas tunnel successfully crossing coal stratum as an example，the paper analyzes advanced geological forecast methods and contents in the tunnel construction，mainly describes advanced horizontal hand-hole methods，and points out the significance of comprehensive advanced geological forecast by applying various techniques．

advanced geological forecast，advanced horizontal hand-hole，tunnel

U452．1

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.059

1009-6825(2013)10-0165-03

2013-01-29

李立功(1968-)，男，高级工程师