郭宏伟
(中铁十七局集团城市建设有限公司 贵州贵安 550025)
在长期的地质构造作用以及封闭地层条件下，含碳质泥岩、页岩等非煤系地层会释放瓦斯，并存储在封闭的围岩裂隙或多孔隙介质中(如砂岩)[1-2]。我国西南地区广泛分布的非煤气地层为隧道工程的建设带来极大挑战[3]。与常规的煤系瓦斯地层或其他生物化石气体不同，非煤系地层的瓦斯在空间分布上具有随机性，逸出速率、赋存范围、逸出压力等在勘探前期难于准确探明和预测[4]。因此，需依赖施工阶段的瓦斯监测认识和评估逸散规律，进而做出预警和防护决策，降低瓦斯灾害施工风险[5]。
在非煤系地层的瓦斯预测研究方面，俞剑等[6]基于指数平滑法应用于非煤系地层瓦斯的逸出量预测，在高瓦斯段隧道的预测中误差小于3%；
何毅等[7]基于Fluent软件对不同抽排风速度下，分析隧道内瓦斯浓度的变化规律；
苏培东等[8]基于克里金估值法对非煤系地层瓦斯的预测，并应用交叉验证法对瓦斯浓度的空间分布建立了预估模型。在非煤系地层瓦斯隧道的防治措施方面，杨正东[9]提出了“四位一体”的综合瓦斯防突技术体系；
唐鸥玲等[10]对成都地铁19号线瓦斯隧道进行分层浓度和抽排速率监测并给出降低瓦斯浓度的参考方案。
目前针对隧道穿越砂岩、页岩等非煤系地层施工时，瓦斯逸散规律的研究实例较少，缺乏统一性的认识。本文以兰海高速公路大土隧道为研究对象，采用监测手段对掌子面的瓦斯浓度进行采集，分析瓦斯浓度随空间和时间的变化情况，并提出相应的施工防治措施。
兰州至海口国家高速公路重庆至遵义段(贵州境)扩容工程起自贵州省桐梓县下坪，止于遵义市新蒲新区青山枢纽，路线长118.95 km，第CZTJ-14标段内大土隧道，位于贵州省绥阳县铺场镇大溪村境内，为路线穿越北西走向山体而建设，左线隧道长1 112 m，右线隧道长1 108 m。
隧道位于北东向宽缓复式蒲老场背斜西翼，轴部岩层灰岩，倾角10°左右，西翼为奥陶系、志留系地层。隧道地貌单元为峰丛溶蚀地貌，小里程洞口存在第四系含碎石黏土坡积物，隧址区下伏基岩主要为志留系龙马溪组(s/1l)泥岩、砂岩以及十字组-宝塔组(O2sh-b)页岩、砂岩、灰岩，地层间接触完整，未受到构造或风化破坏，如图1所示。根据隧道瓦斯专项勘察表明，隧道页岩和砂岩中存在瓦斯，页岩在隧道中里程分布范围为ZK84+980～ZK85+580，孔内取样和室内化学试验表明，页岩中的孔隙率为6.2%～8.5%，瓦斯含量约为0.10～0.25 m3/t；
砂岩在隧道中里程分布范围为ZK84+780～ZK84+980、ZK85+580～ZK84+892，砂岩中的孔隙率为9.0%～12.6%，瓦斯含量约为0.30～0.47 m3/t。
图1 左隧道地质纵断面图
3.1 瓦斯浓度监测
隧道施工时，采用人工监测与自动化监测相结合的方式对隧道内瓦斯浓度进行实时监测，所有监测手段均具备抗强电磁干扰能力。人工监测采用便携式CJG10干涉式甲烷测定器，测量范围为0～10% CH4，目镜分划板小分划值0.5% CH4。如图2所示，自动化监测则采用自动化遥感监测系统进行，在隧道掌子面位置、施作衬砌隧洞中部以及洞口位置均设置有监测分中心，通过自动化遥感监测系统对各个分中心采集的瓦斯浓度、通风速率等参数进行观测与分析。在掌子面位置处由于拱腰以下受开挖机械振动影响强烈，在拱顶和拱腰布置了瓦斯浓度观测点。
图2 隧道瓦斯自动化遥感监测系统及掌子面监测点布置
瓦斯监测相互印证，瓦斯探测仪应带自动报警装置，当瓦斯超过一定含量时自动报警。人工监测和自动化监测的监测频率如表1所示。
表1 隧道瓦斯人工监测与自动化监测频率
3.2 瓦斯逸散规律分析
图3为隧道掌子面钻孔装药前和爆破前后的瓦斯浓度随观测次数的变化曲线。从图中可以看出，随着观测次数的增加，钻孔装药前和爆破前的瓦斯浓度相近，均有减小的趋势，且所有数据都小于0.5%，而爆破后的瓦斯浓度则明显比前两者大，且随着观测次数的增加，呈现先增加后减小的趋势，所有数值均大于0.5%，最大值达到1.7%。这是由于在爆破冲击波作用下，隧道围岩体产生了松动和破碎，导致裂隙或岩体内储气空间相互连通，为瓦斯的逸出提供了良好的渗透通道。在爆破刚结束，隧道掌子面原有的瓦斯赋存状态被破坏，首先得到释放，掌子面附近的瓦斯压力迅速降低，岩体内其他受松动区域的瓦斯不断向掌子面迁移和释放，导致随观测时间的增加，瓦斯浓度增加。在瓦斯释放达到平衡后，隧道掌子面的瓦斯向洞口方向逸散，因此，瓦斯浓度出现下降趋势。
图4为隧道掌子面爆破后瓦斯浓度在轴线方向上分布曲线。从图中可以看出，无论是左、右线隧道，瓦斯浓度在不同的岩性段落均呈现出明显的区别。在里程ZK84+780～ZK84+980、ZK85+580～ZK84+892的砂岩段落，瓦斯浓度范围为1.0%～2.0%之间；
在里程ZK84+980～ZK85+580的页岩段落，瓦斯浓度范围为0.1%～1.0%。这是因为页岩和砂岩存在着明显不同的天然物性，页岩在成岩过程中，受到地质变质作用，结构致密，天然孔隙率为6.2%～8.5%，因此储存和释放瓦斯气体的能力较弱；
而砂岩则相反，具有大孔隙，强渗透性等特点，是良好的储气介质，造成其瓦斯的释放浓度比页岩大。
图4 左右隧道轴线方向上瓦斯浓度分布
为掌握不同岩性条件下的瓦斯逸散规律，在页岩段和砂岩段掌子面分别设置监测断面，监测瓦斯浓度随时间的变化规律，结果如图5、图6所示。
图5 掌子面里程ZK85+720处的瓦斯逸散曲线
图6 掌子面里程ZK85+400处的瓦斯逸散曲线
图5为里程ZK85+720断面(岩性为砂岩)处的瓦斯逸散曲线。从图中可以看出，在同一断面处拱顶的瓦斯初始浓度明显比左、右拱腰位置处大，拱顶位置的瓦斯浓度约为1.8%，而左、右拱腰位置的瓦斯浓度约为1.0%，但随着监测时间的推移，瓦斯浓度均迅速减小，在观测时间达到5 h后，瓦斯的浓度小于0.2%，且处于基本稳定状态。表明瓦斯的浓度可以采用通风排气等措施进行驱散，仅需满足通风换气速率大于瓦斯逸出速率即可。
图6为里程ZK85+400断面(岩性为页岩)处的瓦斯逸散曲线。从图中可以看出，瓦斯的逸散规律与砂岩段表现出一致性，但瓦斯浓度趋于稳定的时间较长，在观测时间达到9.5 h后，所有监测点的瓦斯的浓度才小于0.2%，且处于基本稳定状态。表明页岩的瓦斯逸散速度比砂岩的逸散速度低，在施工时需加强该岩性段落的通风、监测措施。
4.1 人工监测与自动化监测相结合
如前文所述，由于非煤系地层隧道的瓦斯具有不均匀性以及难于预测其逸出量和逸出位置，因此在施工中应重视对非煤系地层瓦斯的监测。采用人工监测与自动化监测相互结合的措施，对隧道掌子面位置及后方已开挖20 m范围内的瓦斯浓度进行重点监测，在隧道横通道、防水板、集水井以及断面转角位置处等进行专项监测，以免瓦斯局部集聚[11]。瓦斯探测仪带自动报警装置，当瓦斯超过一定含量时自动报警。
按照瓦斯的监测浓度分级进行施工管理如表2所示。
表2 瓦斯浓度分级施工管理措施
在瓦斯浓度大于0.5%时，隧道内不应进行电气焊、明火、电钻以及放炮等作业，如果情况特殊不可避免时，应采取强通风措施，保持作业区前后20 m的瓦斯浓度均降低至0.5%以下，并在对作业前后20 m范围内的隧洞拱顶及衬砌等易局部集聚瓦斯的部位采用空气引射器进行瓦斯驱除处理，并设置足够的灭火器械和供水量。
4.2 隧道通风换气降低瓦斯浓度
瓦斯隧道的施工组织设计中，应根据里程段落长度、隧道断面大小等设计参数，并结合拟投入机械设备、施工人员数量、施工工序、施工进度安排等因素，考虑一定富裕系数(天然气瓦斯地层的瓦斯最大逸出量的不确定性)，提前做好通风设计计算，确定施工通风风量、风速(不小于1 m/s)，科学选配隧道施工通风所需风机、风管的性能和规格。
对于通风设备的设计，通风量由爆破后的排除烟尘量、作业工人数量以及瓦斯的逸出量分别计算后，取大值。设计的基本参数如表3所示。
表3 通风设备基本参数
4.3 防止瓦斯突出预案
隧道在施工过程中实施超前瓦斯探孔，若探孔钻探过程中出现喷孔、阻力等异常现象时，或者孔内气体压力、气水混合体喷出速率大于危险性临界数值时，可判别开挖掌子面为瓦斯突出危险工作面，应立即停止施工，组织人员撤离，采取防突泄压处理后方可进行下一步工序。
防止瓦斯突出采取钻孔排放的方式进行。在有瓦斯突出危险预测孔周边进行补孔排放，原则上1个预测孔补充3个排放钻孔和1个排放效果检验钻孔，其中至少1个排放钻孔取芯，以准确判断瓦斯的来源(储集在砂体中或气源断裂)和前方地质情况，建议钻孔采用φ465或φ110钻孔。
施工时，应预留足够的安全距离作为下阶段预测距离。根据隧道开挖方法和现场地质条件等实际情况确定防突工作面以预留安全距离，一般经验中，防突工作面的面积为8 m2时，工作面保持5 m的钻孔超前距为安全距离，严禁超掘。
以兰海高速大土隧道为工程背景，对非煤系地层隧洞瓦斯浓度随空间和时间的变化情况进行分析，并提出相应的施工防治措施，得出以下几个结论:
(1)随着观测次数的增加，钻孔装药前和爆破前的瓦斯浓度相近，均有减小的趋势，爆破作用导致裂隙或岩体内储气空间相互连通，使得爆破后的瓦斯浓度明显大于钻孔装药前和爆破前，且呈现先增加后减小的趋势。
(2)在空间分布上，瓦斯的逸出浓度明显受到岩性的影响，砂岩段的瓦斯浓度比泥岩、页岩段的大。
(3)在瓦斯的逸散规律上，同一掌子面拱顶的瓦斯浓度比左、右拱腰位置处大，砂岩掌子面比泥岩、页岩掌子面的瓦斯逸散速率大，砂岩瓦斯浓度达到稳定的时间为5 h，而页岩则需9.5 h。
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