渝黔铁路天坪隧道有害气体预测预报方法

张忠爱， 杨仁春

(1. 中铁隧道集团一处有限公司， 重庆 401123； 2. 中铁隧道勘测设计院有限公司， 天津 300133)



渝黔铁路天坪隧道有害气体预测预报方法

张忠爱1， 杨仁春2

(1. 中铁隧道集团一处有限公司， 重庆 401123； 2. 中铁隧道勘测设计院有限公司， 天津 300133)

天坪隧道穿越含有害气体非煤地层，为解决采用大量地质钻探预报成本高且严重影响施工进度的问题，根据前期有害气体的出现位置以及岩层厚度、产状等信息，利用隧道与岩层走向间的已知条件，采用区域地层厚度和产状测量、隧道与岩层关系投影计算、斜井预报正洞等综合预报方法，计算出有害气体在某一岩层的赋存范围，进而推测出下一阶段有害气体在隧道内出现的位置，然后通过少量钻探进行验证，使超前地质钻孔更有针对性，可大大缩减钻孔数量，节约施工时间。天坪隧道采用该方法取得了较好的应用效果，能准确预测有害气体的位置，为提前进行设计优化和施工组织提供依据。

渝黔铁路； 天坪隧道； 有害气体预报； 地质投影计算； 岩层产状； 地质钻探

0 引言

深埋长隧道通常穿越复杂的地质条件,在施工过程中常遇到一系列特殊的地质灾害问题, 如岩爆、有害气体、高压涌水、高地温等，其中，有害气体因会恶化隧道施工条件甚至造成灾难性破坏而受到广泛关注[1]。 采取有效的方法对有害气体进行预报并提前采取对策，对深埋长大隧道的工程实践具有重要的现实意义[2]。

目前国内关于隧道施工领域有害气体预报技术的研究多侧重于煤层瓦斯预报方面，主要是把煤层作为软弱夹层，通过物探法和地质法来预报煤层瓦斯[3-4],如： 梅岭关隧道[5]、通渝隧道[6]采用超前钻孔探测瓦斯，兰渝铁路LYS-10标瓦斯隧道群采用超前探孔及加深炮眼探测瓦斯[7]。非煤系地层瓦斯含量低、压力小，在隧道影响区域普遍存在[8]，要准确预报瓦斯出没和汇聚情况，应根据围岩的完整性和裂隙、破碎带的位置、规模和性质等选择地质法或物探法[9]，其中以地质法为主，主要采取超前钻孔探测瓦斯。这种先施工超前地质钻孔，再通过钻孔进行有害气体监测的预报方法，需要施工大量超前地质钻孔，预报成本高，且严重影响施工进度。本文从区域地质角度出发，通过地质调查，对有害气体的发育机制及其附着地层的岩性、厚度、标志层、产状进行分析，结合隧道线路走向、类似工程或同一工程的斜井、横洞、平导同种地层气体的逸出情况，再通过投影计算得出隧道穿越地段有害气体发育范围，辅以少量孔内有害气体检测验证，可以准确预报出有害气体的发育位置。

1 工程概况

天坪隧道工程布置见图1，为渝黔铁路(重庆至贵阳铁路)的重点控制性工程，Ⅰ级高风险隧道，全长13 978.252 m，单洞双线，设计速度为200 km/h，最大埋深980 m。穿越地层为灰岩、泥岩和页岩，灰岩占50%，泥、页岩占50%，灰岩分布在进口段和出口段，泥、页岩分布在隧道中部。以酒店垭背斜核部为界，以北岩层平缓，部分接近水平，以南岩层陡倾，部分接近直立。主要地质构造有尧龙山向斜、酒店垭背斜和8个断层破碎带。地质条件极为复杂，存在瓦斯突出煤层、高地应力、岩溶、有害气体、水平岩层、高地温等诸多不良地质。辅助坑道设置为“平导+斜井+横洞(主副井)”。隧道为人字坡，最高点在DK124+400，洞顶标高为740 m。勘察设计阶段地表地质钻孔9个，其中DZ-3、DZ-5号钻孔钻进时曾逸出有害气体，在孔口可点燃。DZ-5号钻孔位于斜井出口方向，岩层倾角很小，接近水平，其穿过的各地层厚度即可视为真实厚度。施工图设计推断天坪隧道在DK116+565～+920、DK121+000～DK125+880共5 235 m施工期间可能揭示有害气体。

(a) 平面图

(b) 剖面图

2 施工期间有害气体检测及探测情况

2.1 气体检测及成分分析

斜井施工过程中，检测到有害气体地段为XDK2+000～XDK1+200(800 m)，逸出点主要集中在XDK1+999、XDK1+311、XDK1+242里程附近，从部分探孔和隧底裂隙逸出，搜集逸出气体送实验室进行校验确定为瓦斯，成分分析结果见表1。

2.2 成因分析

天坪隧道进口及斜井穿越的主要地层有泥岩、页岩和灰岩，不存在含煤、石油地层和构造，但含有丰富的腕足类、笔石、三叶虫等古生物化石，据此可以判断其储存气体为页岩瓦斯，成因是沉积岩地层形成过程中，沉积有机质经微生物降解、发酵和合成作用，形成以甲烷为主的瓦斯[10]。

2.3 有害气体探测手段

目前国内还没有隧道施工超前探测气体发育位置的物探手段，比较有效的手段是先施工超前地质探孔，然后在孔内对气体进行检测，但探测距离短、范围小。如果全隧道都进行钻孔检测瓦斯，将增加大量的超前地质钻探工作，延缓施工进度，给施工工期造成巨大压力。因此，需要分析已经掌握的地质资料，结合地面调查、地质素描，从出气地层层序、层位、厚度、产状等信息分析隧道洞身可能逸出页岩瓦斯的目标段落，在这些目标段落内施作超前地质探孔，并进行甲烷检测，可以大大减少钻探工作量，从而更经济、有效地对隧道内有害气体进行超前探测。

表1 有害气体成分分析

3 有害气体的地质条件分析及部位预测

3.1 出气地层层位、层序分析

根据地表DZ-5号地质深孔可知，钻探过程中有气体逸出的地层是O2+3，其上覆地层为S1l，下伏地层为O1m； DZ-3号孔揭示有害气体的位置并不确定，但与DZ-5号孔对照，也包含在O2+3和O1m两地层内。XDK2+000～XDK1+200段开挖揭示围岩为O2+3、O1m和S1l地层，与DZ-5号钻孔出气地层一致。根据上述分析可知隧道穿越含气地层是O2+3奥陶系中上统灰岩、O1m奥陶系下统泥岩页岩和S1l志留系下统龙马溪组页岩。

3.2 施工逸出气体段落及长度分析

斜井瓦斯地层位置及长度见图2。斜井施工区段穿越O2+3灰岩长度l1w=340 m，全层都包含在瓦斯逸出地段内，O1m泥、页岩和S1l页岩只有部分地层出气，出气地层长度分别为l2w=300 m和l3w=160 m。

图2 斜井瓦斯地层位置及长度示意图(单位： m)

Fig. 2 Position of gas contained formation and its length in inclined shaft (m)

3.3 瓦斯逸出地层标高分析

DZ-5号钻孔在O2+3层底标高h1-1=818 m，层顶标高h1-2=918 m，可知O2+3全层出气，真实厚度h1w=100 m，各地层产状一致，根据瓦斯逸出地层厚度比例关系计算O1m出气层真实厚度h2w=100×300/340≈88 m，S1l出气层真实厚度h3w=100×160/340≈47 m。计算出O1m出气层底标高h2=730 m，S1l出气层层顶标高h3=965 m。如果岩层产状水平，可以划出出气带位与线路关系。

3.4 出气段落分析

3.4.1 进口与斜井工区

根据已开挖段揭示岩层产状分析： 斜井工区向进口方向出气层位标高不断升高，不断偏离隧道，所以进口与斜井之间不存在含气地层； 斜井工区向出口方向处于尧龙山向斜核部，岩层水平，埋深较大，围岩节理密闭，透气性差，根据出气地层标高计算出从DK123+000起至酒店垭背斜核部(DK124+746)位于含气地层内，长约1 746 m(见图3)。

图3 进口与斜井工区含气地段分布图(单位: m)

Fig. 3 Distribution of harmful gas contained formation in entrance section and inclined shaft (m)

3.4.2 出口工区

酒店垭背斜南翼地层产状变陡倾，该段必定要穿越含气地层。根据岩层产状及其与线路间的空间关系可以估算出线路穿越含气地层的长度。

3.4.3 探测效果

通过上述计算可知天坪隧道穿越含瓦斯地层总长约2 197 m，与原设计5 235 m相比减少了约3 km。施工开挖过程中揭示出的含气地层与上述计算结果一致，缩减了大量钻探和检测工作。

图4 DK125+880段岩层与线路空间关系(单位： m)

Fig. 4 Spacial relationship between strata and tunnel route at DK125+880 (m)

图5 出口工区含气地层分布位置(单位： m)

Fig. 5 Distribution of harmful gas contained formation in entrance section (m)

4 结论与讨论

由于断层、褶皱等地质构造会造成地层的错动，同样的地层在长大隧道施工过程中往往会穿越几次，利用已施工地段隧道地质资料或隧道周边深切沟谷内出露的典型地质剖面，采用地质投影计算方法能从局部预测隧道整体的地质情况。本方法能保证预报精度，为提前做好设计优化和施工组织安排提供保障，既能减少大量的物探和钻探工作，又能降低对施工的影响。本方法同样适用于平导、横洞、斜井与正洞之间的相互预报。

采用地质投影计算方法进行超前地质预报适用于层状发育且有地层界线和标志层的岩层，对于呈层状发育的煤层、放射性物质、有害气体等地层均有效。但该方法对岩溶的预报存在一定的局限性，原因在于岩溶发育不仅受控于围岩层理、节理，还受地下水流向及各种随机裂隙的影响，因此还需要针对岩溶问题将地质分析与物探方法相结合，做进一步研究和探讨。

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Prediction Method for Harmful Gas in Tianping Tunnel on Chongqing-Guiyang Railway

ZHANG Zhongai1, YANG Renchun2

(1.TheFirstConstructionDivisionCo.,Ltd.ofChinaRailwayTunnelGroup,Chongqing401123,China;2.ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China)

Tianping Tunnel crosses non coal formations containing harmful gas. The harmful gas detection can not only depend on geophysical methods, and the cost would be increased and the construction period would be lengthened by carrying out a great deal of geological drilling work. In this paper, the storage range of harmful gas in a stratum is calculated and the position of harmful gas in further section is prediction by measuring thickness and attitude of strata, projection calculating relationship between tunnel and strata attitude and main tunnel prediction through inclined shaft, on the basis of position of existing harmful gas, thickness and attitude of strata and strike of tunnel and rock. And then little geological drilling work is conducted to verify the results. Good effect has been achieved and the results can provide reference for design optimization and construction organization of similar projects in the future.

Chongqing-Guiyang Railway; Tianping Tunnel; harmful gas prediction; geological projection calculation; attitude of stratum; geological drilling

2016-12-14;

2017-04-22

张忠爱(1975—)，男，内蒙古乌兰察布人，2000年毕业于武汉科技大学，采矿专业，本科，高级工程师，现从事工程项目管理及公司市场开发工作。E-mail: saiwailang@sohu.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.05.014

U 456.3+3

A

1672-741X(2017)05-0618-04