综合瓦斯预测技术在隧道施工中的应用

彭忠成

摘 要：公路工程建设过程中隧道穿过区域可能受瓦斯灾害威胁，所以隧道瓦斯安全管理工作受到社会各界及相关管理部门的高度重视。隧道瓦斯灾害的产生应同时具备三个条件：存在瓦斯源、瓦斯通道及具备瓦斯封闭条件。综合采用TMP物探、超前地质钻探和钻孔瓦斯涌出量测算形成的“三合一”综合瓦斯预测技术，可较为准确地预测隧道掌子面前方未开挖区域是否存在瓦斯源、瓦斯通道及具备瓦斯封闭条件，估算地层封存瓦斯量，从而准确的预测瓦斯的威胁程度。本研究在结合实际情况的基础上选取某案例，采用“三合一”综合瓦斯预测技术。为同类型瓦斯隧道未开挖区域瓦斯预测工作提供进一步可借鉴的实用方法。

关键词：隧道未开挖区域;TMP超前地质预报系统;超前地质钻探;瓦斯涌出量;综合瓦斯预测技术

随着我国交通快速通道项目的大力建设，隧道施工开挖工作面前方瓦斯情况的预测是国内外工程地质和隧道工程界关注而又没有得到很好解决的难题[1]。众所周知，预测瓦斯的首要任务是判断是否有瓦斯存在[2-6]。目前在施工过程中主要通过人工瓦斯检测、自动瓦斯浓度监测手段获取已揭露岩层的瓦斯浓度、含量，进行瓦斯安全管理[7-9]。

本文以某高速公路隧道為依托工程，研究瓦斯预测技术在瓦斯隧道中的应用。在施工阶段对隧道掌子面前方未开挖区域瓦斯预测技术进行研究。

1 隧道地质概况

某高速公路隧道概况，设计双洞单向行车，右线桩号K8+370～K9+633，长1 263 m;瓦斯段桩号K8+750～K9+350，长600 m。预测区岩性以强～中风化页岩、泥质粉砂岩、砂岩夹煤层为主，岩体破碎，风化层厚度大，围岩稳定性差。预测区埋深50 m～80 m，隧道揭煤层在K9+050～K9+140桩号之间，煤层与隧道推进方向成约40°夹角，厚约15 m。

2 设备及方法

2.1 探测仪器设备及方法

2.1.1 TMP地震波超前预报系统

TMP多功能地质探测系统，该系统基于航空无线电定位3C检波器的工作原理提出了一个定向覆盖锥形雷达（锥角为45°），经过极化处理收到地层可靠而稳定的参数化三维图像。该参数图像可以可靠地识别地层分离元素从而可以判别破碎带等前方不良地质体。

2.1.2 超前地质钻探

超前地质钻探法的钻头分为：（1）一般冲击钻。冲击钻不能取芯，但可通过冲击器的响声、钻速及其变化、岩粉、卡钻情况、钻杆震动情况、冲洗液的颜色及流量变化等粗略探明岩性、岩石强度、岩体完整程度、溶洞、暗河及地下发育情况等;（2）回转取芯钻。回转取芯钻岩芯鉴定准确可靠，地层变化里程可准确确定，一般只在特殊地层、特殊目的地段、需要精确判定的情况下使用。比如煤层取芯及试验、溶洞及断层破碎带物质成分的鉴定、岩土强度试验取芯等。

2.1.3 瓦斯涌出量测定[10]

利用光干涉甲烷检测仪采用人工方式随机检测超前钻时掌子面及掌子面后方约40 m处回风流中的瓦斯浓度。一般，在掌子面布置8～12个测点，其中钻孔口处布置1～2个测点;在掌子面回风流处布置5～10个测点，根据钻孔瓦斯涌出情况确定检测频度。

3 瓦斯存在条件预测

3.1 布置

3.1.1 TMP超前地质预报

本次TMP超前地质预报在隧道进口右幅K8+953上台阶掌子面位置，采用锤击产生震源，对前方100 m范围内地质条件及异常预测

3.1.2 超前地质钻探

本次超前钻探，在隧道进口右幅K8+953上台阶掌子面位置，中间及掌子面两侧位置共布设3个超前地质钻孔，采用冲击钻，每个钻孔深度为51 m。

3.1.3 钻孔瓦斯检测

在进行超前地质钻探时，对钻孔口、掌子面拱顶及掌子面后方约40 m处回风流中的瓦斯浓度进行检测。掌子面布置7个测点（其中3个为孔口点）;在掌子面回风流处布置5个测点。

3.2 数据分析

3.2.1 TMP物探成果分析

根据TMP地质探测数据图像分析，结合掌子面地质条件及相关设计勘察资料，前方100 m范围内地质条件及异常预测结果见表1。

3.2.2 瓦斯涌出量计算分析

由掌子面回风流中的瓦斯浓度、风量、温度、大气压值计算结果见表2。

4 瓦斯预测结果分析

通过综合分析TMP物探、钻探和钻孔瓦斯涌出量“三合一”综合瓦斯预测技术预测结果，并结合地质勘察资料，可知：

4.1 预测里程

TMP型隧道地质超前预报对K8+953～K9+053段地质预报较为清楚，予以采纳;超前钻探范围为K8+953～K9+004。综合物探、钻探预测结果，本次预测里程为K8+953～K9+004。

4.2 K8+953～K8+968段

通过TMP物探、钻探两种手段预测结果可以看出，该段围岩局部较破碎，存在节理裂隙，形成瓦斯运移通道，本段埋深在64 m～76 m，有裂隙等与地表沟通，不具备瓦斯封闭条件。通过钻孔瓦斯含量测算，当钻进至K8+968处时，瓦斯含量约0.052 m3/min，说明该段地层中瓦斯含量较小。通过钻探过程中冲洗液岩粉成分鉴定，该段地层岩性主要为玄武岩，未见煤层，说明该段本身不具备瓦斯生成条件，主要是通过节理、裂隙将其他地段少量的瓦斯运移至本段隧道揭穿地层，但该段总体上瓦斯含量不高。

4.3 K8+968～K8+994段

该段围岩总体较为破碎，该段瓦斯涌出量从0.052 m3/min

增长至0.159 m3/min，变化较大，通过钻探过程中冲洗液岩粉成分鉴定，该段地层岩性主要为玄武岩，未见煤层，说明该段本身不具备瓦斯生成条件，主要是通过节理、裂隙将其他地段少量的瓦斯运移至本段隧道揭穿地层。

4.4 K8+994～K9+004段

通过TMP物探、钻探两种手段预测结果可以看出，该

段围岩总体较破碎，节理裂隙发育，可形成瓦斯运移

通道，该段埋深在50 m～56 m，无断层、裂隙等与

地表沟通，具备瓦斯封闭条件;当钻进至K9+004处时，瓦斯含量上升至0.264 m3/min，停钻后14 h钻孔瓦斯涌出基本稳定，瓦斯含量已达0.321 m3/min，说明K8+994～K9+004段地层中封存有一定量的瓦斯，通过钻探过程中冲洗液岩粉成分鉴定，该段地层岩性以玄武岩和泥质粉砂岩为主，由物探预测结果可知该段已接近含煤地段，本身虽不具备瓦斯生成条件，通过节理、裂隙将其他地段的瓦斯运移至本段，泥质粉砂岩的存在为瓦斯封闭创造条件，在隧道开挖时会将封存的瓦斯释放出来，形成瓦斯危害。

5 結论

（1）采用TMP型超前地质预报系统、超前钻探可有效探测地质岩性变化界面、构造破碎带、围岩破碎程度，以及地层岩性等，从而判断是否存在瓦斯源、瓦斯运移通道和瓦斯封闭条件，通过钻孔瓦斯涌出量测定可以判断地层保存瓦斯的多少，也可以佐证是否具备瓦斯封闭条件，因此，综合TMP物探、钻探、钻孔瓦斯涌出量测算形成的“三合一”综合瓦斯预测技术可较为准确地预测隧道前方未开挖区域瓦斯赋存情况，在隧道中实践证明是可行的。

（2）通过“三合一”综合瓦斯预测技术在隧道中应用来看，隧道在正常通风情况下，隧道内瓦斯浓度较低，预测区域瓦斯涌出量较小，瓦斯涌出量最大值为0.321 m3/min<

0.5 m3/min，按照《铁路瓦斯隧道技术规范》瓦斯工区划分标准，K8+953～K9+004段属低瓦斯工区。

（3）通过对TMP物探、钻探、钻孔瓦斯涌出量测算“三合一”综合瓦斯预测技术进行探讨，结合隧道地质勘察资料，隧道K8+953～K9+004段揭穿地层在终孔前未见煤层或含煤地层，未经历生物化学或煤化变质作用造气时期，不存在煤及煤系地层瓦斯，瓦斯生成条件差。从钻孔瓦斯涌出量、物探、钻探结果可以看出该段地层具备一定的瓦斯封闭条件，周边含煤地层的瓦斯可通过破碎带、节理、裂隙等对隧道通过区岩层进行补给，形成运移瓦斯，若施工过程中通风、瓦斯安全管理工作落实不到位，可能造成局部瓦斯积聚或瓦斯超限，酿成瓦斯事故。在钻孔终孔时已见煤层，说明已经具备瓦斯生成条件。

（4）《铁路瓦斯隧道技术规范》对隧道瓦斯工区划分主要建立在地质勘察工作的基础上，施工实际操作中还要测定隧道掌子面瓦斯涌出量，从而对瓦斯隧道进行工区划分。不管是依靠地勘资料还是现场测定资料，还是两者的结合，都不能准确掌握隧道掌子面前方未开挖区域的瓦斯赋存状况，因此，在施工阶段应充分利用瓦斯超前预测技术对瓦斯隧道工区类别进行划分。本文探讨由TMP物探、钻探、钻孔瓦斯涌出量测算组成的“三合一”综合瓦斯预测技术可为隧道未开挖区域瓦斯预测工作提供进一步可借鉴的实用方法。

参考文献：

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[9]唐毅.对于建立隧道勘察瓦斯评价体系的探究[J].青海交通科技，2018（4）：101-107.

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