劉 彥 波

(重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，重慶 401121)

“頁(yè)巖氣”是指賦存于富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖及其夾層中，以吸附和游離狀態(tài)為主要存在方式的非常規(guī)天然氣，成分以甲烷為主，是一種清潔、高效的能源資源和化工原料。頁(yè)巖氣作為一種新興的能源，在我國(guó)儲(chǔ)量豐富，能帶來長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)效益，但在隧道工程建設(shè)中遇到頁(yè)巖氣，頁(yè)巖氣可能產(chǎn)生燃燒、爆炸，危及隧道施工安全，需要采取合理的工程措施對(duì)其進(jìn)行處治。

1 工程概況

重慶南川至貴州道真高速公路屬于重慶市“三環(huán)+射三聯(lián)線”中的第六射第一支線，為設(shè)計(jì)車速80 km/h的雙向四車道高速公路。馬嘴隧道是該高速公路上的一座特長(zhǎng)隧道，左洞長(zhǎng)3 729.59 m，右洞長(zhǎng)3 693.047 m，隧道凈寬10.66 m，凈高7.23 m。隧道穿越金佛山向斜末端，穿越的地層巖性主要為奧陶系下統(tǒng)湄潭組頁(yè)巖、奧陶系中上統(tǒng)灰?guī)r、志留系龍馬溪組頁(yè)巖以及第四系崩坡積層塊石土、粉質(zhì)粘土。

2 頁(yè)巖氣成分檢測(cè)及瓦斯等級(jí)劃分

隧道在施工至志留系龍馬溪組頁(yè)巖地層時(shí)(地質(zhì)情況見圖1)，在進(jìn)、出口掌子面處先后發(fā)現(xiàn)不明可燃?xì)怏w，根據(jù)地質(zhì)情況，初步定性為頁(yè)巖氣。

根據(jù)檢測(cè)單位提供的檢測(cè)報(bào)告，馬嘴隧道超前鉆孔逸出氣體主要由甲烷(CH4)和氮?dú)?N2)構(gòu)成，同時(shí)含有少量的乙烷(C2H6)和二氧化碳(CO2)，為典型的瓦斯氣體。氣體成分如表1所示。

根據(jù)絕對(duì)瓦斯涌出量測(cè)定結(jié)果，隧道進(jìn)口左線絕對(duì)瓦斯涌出量為1.45 m3/min，進(jìn)口右線絕對(duì)瓦斯涌出量為0.73 m3/min；出口左線絕對(duì)瓦斯涌出量為0.71 m3/min，出口右線絕對(duì)瓦斯涌出量為0.46 m3/min。依據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》可以判定：馬嘴隧道為高瓦斯隧道，不存在瓦斯突出的問題。

表1 鉆孔氣體校正后成果表

取樣地點(diǎn)校正后氣體成分體積占比CH4/%C2H6/ppmCO2/%N2/%進(jìn)口左線1號(hào)鉆孔47.641 311.490.4050.83進(jìn)口左線1號(hào)鉆孔55.07136.140.1543.39出口左線2號(hào)鉆孔26.562 695.65069.02

3 隧道穿越頁(yè)巖氣段處治設(shè)計(jì)

3.1 總體原則

按動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、信息化施工的原則，以超前地質(zhì)預(yù)報(bào)資料為基礎(chǔ)，加強(qiáng)施工中的通風(fēng)、瓦斯檢測(cè)，據(jù)瓦斯絕對(duì)涌出量情況，對(duì)隧道瓦斯工區(qū)進(jìn)行分級(jí)，根據(jù)不同瓦斯工區(qū)等級(jí)，采用相應(yīng)的處治方案。

3.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)設(shè)計(jì)

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)主要采用超前鉆孔探測(cè)(超深炮眼+超前探孔)的方式。通過超前探孔，標(biāo)定可能存在的頁(yè)巖氣段段落，掌握其情況及頁(yè)巖氣狀況。

超深炮眼共布置了11個(gè)(上臺(tái)階6個(gè)，下臺(tái)階5個(gè))，均布在掌子面上，與掌子面爆破炮眼同時(shí)施工。超前探孔布置5個(gè)，孔徑為80 mm，鉆孔外偏角為10°；每次探孔段長(zhǎng)30 m，開挖25 m，保留5 m開始下一次探孔。

3.3 施工通風(fēng)設(shè)計(jì)

通風(fēng)方式：根據(jù)規(guī)范規(guī)定，高瓦斯隧道宜采用巷道式通風(fēng)。設(shè)計(jì)在綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)條件、施工機(jī)具配置、評(píng)審專家意見等因素，將馬嘴隧道施工通風(fēng)方式改為壓入式通風(fēng)。

需風(fēng)量：根據(jù)規(guī)范規(guī)定，瓦斯工區(qū)所需風(fēng)量，應(yīng)按照爆破排煙、同時(shí)工作的最多人數(shù)、作業(yè)機(jī)械及瓦斯絕對(duì)涌出量分別計(jì)算，并按允許風(fēng)速進(jìn)行檢驗(yàn)，采用其中的最大值。經(jīng)計(jì)算，隧道進(jìn)口、出口均以同時(shí)工作的最大人數(shù)和設(shè)備所需需風(fēng)量為最大需風(fēng)量，Q=2 084.6 m3/min(爆破排煙所需通風(fēng)時(shí)間進(jìn)口不小于90 min，出口不小于60 min)。考慮漏風(fēng)因素，實(shí)際需風(fēng)量為Q進(jìn)口=2 693.6 m3/min，Q出口=2 349.2 m3/min。

風(fēng)壓：考慮工程造價(jià)和隧道空間等因素，隧道進(jìn)、出口分別選用φ1.8 m和φ1.6 m直徑風(fēng)管，其所需風(fēng)壓分別為6 475 Pa和4 884 Pa。

通風(fēng)要求：在施工期間進(jìn)行不間斷通風(fēng)；施工中防止瓦斯聚積的風(fēng)速不宜小于1 m/s，全隧道最低風(fēng)速不小于0.5 m/s；對(duì)瓦斯易積聚的空間和襯砌模板臺(tái)車附近區(qū)域，增加局扇，消除瓦斯積聚。對(duì)已經(jīng)貫通的橫洞，必須將兩端的洞口封閉，以避免形成循環(huán)風(fēng)。

3.4 瓦斯檢測(cè)設(shè)計(jì)

檢測(cè)方式：采用人工檢測(cè)與自動(dòng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式。

檢測(cè)頻率：

1)開挖工作面檢測(cè)頻率：正常情況下，日常巡檢頻率每班應(yīng)不少于3次；有瓦斯噴出危險(xiǎn)的工作面和瓦斯涌出較大、變化異常的工作面，必須有專人經(jīng)常檢查，并安設(shè)甲烷傳感器。

2)隧道內(nèi)其他檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)頻率：隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛刃∮?.5%時(shí)，每小時(shí)不小于1次，瓦斯?jié)舛冗_(dá)到0.5%及以上時(shí)，應(yīng)隨時(shí)在作業(yè)地點(diǎn)檢測(cè)。

檢測(cè)要求：

瓦斯檢測(cè)應(yīng)由施工單位、有資質(zhì)的第三方檢測(cè)單位負(fù)責(zé)，兩家單位必須同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)的結(jié)果應(yīng)相互印證。監(jiān)理單位應(yīng)設(shè)置專職瓦斯監(jiān)理工程師和監(jiān)理員，配備瓦斯檢測(cè)儀，對(duì)施工單位、第三方檢測(cè)單位瓦斯檢測(cè)工作進(jìn)行監(jiān)督檢查和定期平行檢驗(yàn)，填寫瓦斯平行檢驗(yàn)表。

3.5 消防與安全防護(hù)設(shè)計(jì)

1)消防水池及消防用砂。

根據(jù)規(guī)范要求：在隧道進(jìn)、出口各增設(shè)一個(gè)儲(chǔ)水量為250 m3的消防水池，在隧道內(nèi)鋪設(shè)消防專用水管，將消防水引到隧道內(nèi)。在洞口外設(shè)置消防用砂池，并在隧道內(nèi)掌子面處、上下臺(tái)階交界處、二次襯砌臺(tái)車處各設(shè)置一個(gè)移動(dòng)的消防用砂池。

2)設(shè)置滅火器。

在已經(jīng)施工的消防洞室內(nèi)增設(shè)滅火器，在二襯與掌子面之間，每間隔25 m放置一個(gè)滅火器。

3)洞內(nèi)避難所。

利用橫通道設(shè)置洞內(nèi)避難所，并應(yīng)有向外開啟的隔離門，配置相關(guān)安全設(shè)施和足夠數(shù)量的自救器。避難所每500 m設(shè)置一處。

3.6 隧道襯砌防瓦斯設(shè)計(jì)

馬嘴隧道頁(yè)巖氣段瓦斯防護(hù)采用一級(jí)防護(hù)，主要措施為：在初期支護(hù)中增加仰拱，防水板采用自粘式防水板，形成全包防瓦斯?jié)B漏結(jié)構(gòu)，初支噴射混凝土、二襯模筑混凝土摻加氣密劑，以防止運(yùn)營(yíng)期間頁(yè)巖氣滲入隧道(見表2)。

表2 馬嘴隧道防瓦斯封閉措施

施工時(shí)，要求拱架、鋼筋網(wǎng)片在洞外分段加工，洞內(nèi)拼接，拱架采用螺栓連接、網(wǎng)片采用鋼筋綁扎，嚴(yán)禁洞內(nèi)焊接。

3.7 施工縫與沉降縫氣密處理

施工縫和沉降縫均采用背貼式止水帶+中埋式止水帶進(jìn)行氣密處理，縱向施工縫采用中埋式止水帶進(jìn)行氣密處理，防止頁(yè)巖氣滲入隧道。

3.8 水氣分離設(shè)計(jì)

在墻背縱向排水管上設(shè)置一個(gè)彎四通，當(dāng)排水管中的水氣混合體通過彎四通時(shí)，水向下分流，通過橫向排水支管流入中心排水溝，順中心排水溝排出洞外，瓦斯氣體向上分流，通過埋設(shè)在電纜溝側(cè)壁的縱向φ116/100 HDPE波紋管至洞口，實(shí)現(xiàn)水氣分離。

3.9 注漿堵氣動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

依據(jù)超前探測(cè)資料，掌子面掘進(jìn)至距離頁(yè)巖氣積聚位置5 m處，停止掘進(jìn)，在涌出孔附近施作排放孔，進(jìn)行頁(yè)巖氣排放，將頁(yè)巖氣壓力降至0.74 MPa以下且單孔頁(yè)巖氣涌出量小于5 L/min，若48 h內(nèi)不能使其降低，則考慮注漿封堵措施。

以隧道軸線、上下臺(tái)階分界線(起拱線)為分界線，將隧道劃分為4個(gè)區(qū)域。

1)每個(gè)區(qū)域排放孔中滿足頁(yè)巖氣壓力不小于0.74 MPa或者涌出量不小于5 L/min的孔的個(gè)數(shù)不大于這個(gè)區(qū)域排放孔總數(shù)的30%，且位置比較分散時(shí)，采用局部注漿堵氣的方式進(jìn)行處治。

2)每個(gè)區(qū)域排放孔孔中頁(yè)巖氣壓力不小于0.74 MPa或者涌出量不小于5 L/min的排放孔個(gè)數(shù)大于這個(gè)區(qū)域排放孔總數(shù)的30%，采用全斷面注漿堵氣的方式進(jìn)行處治。

3)施工初噴后，局部位置仍有個(gè)別點(diǎn)頁(yè)巖氣涌出，且頁(yè)巖氣壓力大于0.74 MPa或者涌出量大于5 L/min，采用局部注漿堵氣的方式進(jìn)行處治。

3.10 營(yíng)運(yùn)期間監(jiān)控及通風(fēng)控制設(shè)計(jì)

為確保本項(xiàng)目在營(yíng)運(yùn)期間隧道內(nèi)環(huán)境質(zhì)量符合相關(guān)衛(wèi)生及安全要求，需要在馬嘴隧道頁(yè)巖氣段設(shè)置低濃度瓦斯探測(cè)器，通過隧道監(jiān)控系統(tǒng)控制隧道風(fēng)機(jī)啟停，達(dá)到隧道內(nèi)環(huán)境質(zhì)量符合相關(guān)衛(wèi)生及安全標(biāo)準(zhǔn)。

3.11 其他設(shè)計(jì)措施

1)為了防止瓦斯工區(qū)中的瓦斯在中心水溝檢查井中聚集，瓦斯工區(qū)段，取消隧道中心排水溝檢查井。

2)施工期間，在隧道內(nèi)布置有毒有害氣體傳感器(CH4，H2S，CO，CO2，氮氧化物)及風(fēng)速傳感器。通過自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，檢測(cè)其濃度，確保濃度不超標(biāo)。

4 施工注意事項(xiàng)

1)隧道施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)文件及《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》《煤礦安全規(guī)程》的要求進(jìn)行，嚴(yán)禁盲目施工。

2)各種電氣設(shè)備和施工機(jī)械必須采用防爆型，其防爆安全性能，必須經(jīng)專職人員檢查，確認(rèn)合格后方可進(jìn)洞使用。

3)施工中應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)及瓦斯檢測(cè)，采用瓦斯?jié)舛?、風(fēng)速/風(fēng)量雙指標(biāo)進(jìn)行安全施工組織管理。

4)施工中應(yīng)牢記瓦斯?jié)舛瓤刂浦笜?biāo)：風(fēng)流中瓦斯?jié)舛却笥?.5%時(shí)，嚴(yán)禁爆破作業(yè)，非防爆設(shè)備停止工作；風(fēng)流中瓦斯?jié)舛却笥?%時(shí)，應(yīng)立即斷電，撤人，停止一切作業(yè)，加強(qiáng)通風(fēng)，待瓦斯?jié)舛刃∮?.5%后，才可恢復(fù)供電，恢復(fù)施工。

5)加強(qiáng)火源管理，建立洞口安檢制度，嚴(yán)禁攜帶火柴、打火機(jī)等各種火源火種、易產(chǎn)生火花的物品(手機(jī)，相機(jī)等)以及其他易燃易爆物品入洞，嚴(yán)禁穿著和攜帶可產(chǎn)生靜電的物件進(jìn)洞。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，馬嘴隧道已經(jīng)通車運(yùn)營(yíng)，隧道施工過程中未出現(xiàn)瓦斯燃燒、爆炸等施工，運(yùn)營(yíng)中也未出現(xiàn)瓦斯溢出的狀況，說明隧道瓦斯處治設(shè)計(jì)合理可行。對(duì)類似工程有以下幾點(diǎn)建議：

1)隧道在穿越志留系龍馬溪組頁(yè)巖地層設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮頁(yè)巖氣的可能，根據(jù)勘察情況，采取相應(yīng)的處治措施。

2)頁(yè)巖氣段的處治，重點(diǎn)在施工通風(fēng)、瓦斯檢測(cè)、杜絕火源及防止瓦斯?jié)B漏這四方面，施工中應(yīng)嚴(yán)格遵循相應(yīng)的規(guī)范，做好瓦斯防治工作。