李 鹏，蒋雅君，杨龙伟，杨其新

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，土木工程学院，成都 610031；2.中铁二局第二工程有限公司，成都 610091)

非煤系构造连通型瓦斯隧道超前地质预报技术

李 鹏1，蒋雅君1，杨龙伟2，杨其新1

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，土木工程学院，成都 610031；2.中铁二局第二工程有限公司，成都 610091)

穿越非煤系地层的隧道中的瓦斯的不可预见性很大，非煤系构造连通型瓦斯隧道是穿越非煤系地层的典型代表，现阶段对这类隧道还没有系统的超前地质预报技术，给施工安全造成了很大的威胁。为了准确预报非煤系构造连通型瓦斯隧道中的瓦斯运移途径，避免安全事故的发生，通过对现有超前地质预报技术包括地质法和物探法在非煤系构造连通型瓦斯隧道中适用性的分析，构建非煤系构造连通型瓦斯隧道的综合超前地质预报体系，并通过在肖家梁铁路隧道施工中成功应用，说明提出的超前地质预报技术是可行的。

瓦斯隧道；非煤系地层；构造连通型；超前地质预报

1 概述

我国大部分的瓦斯隧道一般都穿越了煤系地层，煤系瓦斯隧道成因简单，分布最为普遍，其煤层位置是相对固定的，可以通过比较成熟的勘测手段预测其对隧道施工的危害性，因而可以采取有针对性的防治措施，避免瓦斯灾害的发生。随着我国隧道建设的发展，穿越非煤系地层的瓦斯隧道工程也日渐增多，如武隆隧道、炮台山隧道、红石岩隧道、曾家坪2号隧道等(表1)[1]。其中，炮台山隧道属于构造连通型瓦斯隧道，在施工期间发生2次爆炸，共死亡13人。这些隧道不穿越煤系地层但是在施工过程中都遇到了瓦斯问题，与穿越煤系地层的瓦斯隧道相比，非煤系地层瓦斯隧道没有类似于煤炭一样的瓦斯载体，特别是构造连通型瓦斯隧道主要以游离瓦斯为主，其特征是压力低、流量低而稳定、分布不均匀、瓦斯涌出的随机性很强，因此对隧道施工安全的影响很大[2]。目前国内工程界对非煤系地层瓦斯隧道已经逐步开展了相关施工技术的研究[3]，但仍然处于起步阶段，还需要在工程实践中不断总结和完善。

表1 我国非煤系瓦斯隧道

在非煤系瓦斯隧道的施工过程中，对瓦斯的预报是其中的一个关键技术问题。对于非煤系地层瓦斯，由于其分布运移规律极其复杂瓦斯聚集和涌出随机性大，目前尚无非常有效的精确勘测手段，仍然以常用的超前地质预报手段为主。通过对非煤系构造连通型瓦斯隧道特点和现有超前预报方法的分析，提出了针对非煤系构造连通型瓦斯隧道的超前地质预报技术体系，并在肖家梁隧道中得到了成功的应用。

2 非煤系构造连通型瓦斯隧道特点

2.1 非煤系瓦斯隧道类型

通过对我国已有大量瓦斯隧道的研究，总结出非煤系地层瓦斯隧道主要有3种类型：一是构造连通型；二是围岩变质型；三是复合型[3]。

(1)构造连通型瓦斯隧道，由构造连通隧址区外或隧道深部煤系地层，这类瓦斯隧道本身不穿越煤系地层，但隧道穿越的构造连通了煤层，瓦斯气体会通过构造连通通道流动至隧道内形成瓦斯灾害。按照不同的构造类型，又可分为裂隙连通型、断层连通型与褶皱连通型。

(2)围岩变质型瓦斯隧道，主要是隧道穿越的地层中有些黑色碳质泥岩、泥灰岩、页岩等经过漫长时期的地质作用，这些岩层已经炭化达到生气阶段，具备了生成瓦斯的物质基础，已相当于煤系地层，在这些地层修建隧道时同样会遇到瓦斯灾害问题。

(3)复合成因型瓦斯隧道，复合成因型瓦斯隧道既有构造连通的原因又与岩石变质作用有关，两种因素缺一不可。

本文主要研究构造连通型瓦斯隧道的超前地质预报技术。

2.2 非煤系瓦斯溢出聚集特点

瓦斯在煤层中主要有游离态、吸附态和吸收态3种赋存方式，如图1所示。在非煤系构造连通型瓦斯隧道中瓦斯以游离态为主，瓦斯以自由气体的状态从煤和岩石的裂隙破碎带自由地运动到隧道开挖线，并从掌子面溢出，主要聚集在隧道拱顶、拱腰以及通风难以达到的死角[4]。

图1 瓦斯在煤体中的赋存状态

3 综合超前地质预报体系的建立

3.1 超前地质预报技术种类及特点

(1)地质法

地质法是最基本的超前地质预报方法，主要包括掌子面地质素描和超前钻探。

掌子面地质素描能够比较准确地预测主要结构面如断层、层理及节理、裂隙的产状、性质、延伸长度、张开宽度等情况。实践证明，对隧道掌子面的工程地质与水文地质的观察和描述，对于判断围岩稳定性和预测开挖面前方地质条件十分重要。

超前地质钻探是利用钻机在隧道开挖工作面进行钻探获取地质信息的一种超前地质预报方法。理论上适合于各种地质条件的隧道，是目前公认最直接最简单的一种预报方法。

(2)物探法

有关地质预报的物探方法很多，具体如表2所示。目前在隧道施工中常用的方法包括地质雷达法、TSP法等[5]。

3.2 超前地质预报适用性分析

要准确预报非煤系构造连通型瓦斯隧道中瓦斯出没和聚集情况，主要是预测围岩的完整性，裂隙、破碎带位置、规模和性质，掌握瓦斯的运移通道。常规的超前地质预报的方法并不完全适用于非煤系地层，必须具体分析。

3.2.1 地质法适用性分析

(1)地质素描是观察掌子面岩石的完整性和类别，根据岩层特性预测前方裂隙、断层和褶皱是否存在，为进一步推断非煤系地层瓦斯的存在和运移通道提供条件[6]，临近不良地质体的前兆现象见表3。但地质素描法只能进行短距离的预测，对隐藏在掌子面后的断层和裂隙，不能探知准确位置，必须配合其他预报方法。

表2 超前地质预报物探法

表3 隧道内可能有瓦斯溢出地质体的前兆

(2)超前钻探不仅能直接了解掌子面前方、左右、上下及两侧的地层岩性、构造、是否含煤与其规模做出较为准确的判断，而且还能准确预测煤层参数、瓦斯参数和岩溶(裂隙)水含水参数，是最直观的超前预报方法，在非煤系瓦斯地质预报中是非常重要的[7]。它的缺点是成本高、对施工的影响大，而且钻孔的方向控制和钻孔工艺有一定的技术难度[8]。超前钻探在紫坪铺、家竹菁、龙溪等大批瓦斯隧道中成功应用。

3.2.2 物探法适用性分析

由于负视速度法、TSP/TGP法等需在洞内打孔放炮，在瓦斯隧道中应首先排除[9]。

(1)地质雷达也同样存在激发电火花问题，这种方法在应用时应慎重。但地质雷达能够比较准确地预报围岩的完整性，裂隙、破碎带位置、规模和性质，故在能达到很好的防爆要求和加强洞内通风的条件下，也可以用地质雷达。地质雷达预报距离为20 ～30 m，属于短距离预报法，现已广泛应用于隧道超前地质预报，在洪福、方斗山等瓦斯隧道中成功应用[10]。

(2)HSP声波反射法属于弹性波法，其原理与地震法基本相同，它是采取大锤敲击木桩，人工激发信号的方法，避免了打孔放炮可能引起的瓦斯爆炸。现场测试方法采用通道触发一发一收的方式进行，信号采集和数据储存都通过便携式计算机控制[11]。并且它的预报范围能达到100 m左右，属于长距离预报法，配合地质素描，能达到很好的效果。HSP声波反射法在武隆、孙家寨和凉风垭等瓦斯隧道中发挥了巨大作用。

3.3 超前地质预报体系

通过对各种超前预报方法的适用性分析，建议采用“以地质法为基础，以物探法为主要手段，采用长短结合预报模式，加强瓦斯浓度监测的综合体系”进行非煤系瓦斯隧道的地质预报，如图2所示。

图2 非煤系瓦斯隧道综合超前地质预报体系

(1)先运用HSP声波反射法进行长距离宏观预报。

(2)后采用地质素描、地质雷达和超前钻孔分梯次进行短距离预报。

(3)在进行超前预报作业前，必须对隧道瓦斯浓度进行检测，对隧道其他风险源进行逐一排查，经检查达到安全条件后进行超前预报作业。

通过以上方法即可对掌子面前方可能具备瓦斯储存、运移或聚集构造进行预报。

4 工程应用实例

4.1 工程概况

肖家梁铁路隧道位于四川盆地北东部的广元市苍溪县鸳溪镇和浙水乡，隧区内覆盖层主要为第四系全新统坡残积层，下伏基岩为白垩系下统剑门关组泥岩、砂岩不等厚互层。本工程为典型的非煤系构造连通型瓦斯隧道，与常规煤系地层瓦斯隧道有着本质的区别。瓦斯源自深层地层，无类似于煤炭一样的瓦斯载体，主要以游离瓦斯为主，瓦斯涌出的随机性很强，主要受与产气层相通而阖闭条件好的张裂隙和有裂隙发育的岩体分布的控制，当隧道开挖遇到这种裂隙时，就有瓦斯涌出。因此采用合理的超前预报方式，准确探测前方瓦斯含量，预测瓦斯溢出情况，有效指导施工，预防瓦斯事故发生，是本工程的重点。

4.2 超前地质预报措施

肖家梁隧道采用图2所示的综合超前地质预报体系：以地质法为基础、以HSP声波反射法和地质雷达为主要手段，结合超前钻探和瓦斯浓度监测相结合的综合物探方法进行瓦斯预报。

肖家梁隧道采用瓦斯监控系统(KJ101N型瓦斯监控系统)、便携式瓦检仪、专职瓦斯检查员“三道防线”来检测、监视隧道瓦斯浓度变化情况，从而采取有针对性的防范措施，保证生产安全。

4.3 瓦斯预报实例

对DK644+150掌子面向前方进行HSP声波反射预测，图3为测试典型波形图，测试岩体平均声波速度为1 416 m/s。经过分析掌子面前方23～49 m范围内，围岩岩体声波信号反射强烈，岩体节理裂隙发育，局部为碎裂块状结构，中下部岩体多夹透镜体软弱夹层，拱部岩体稍完整，但软弱结构面发育，拱部块状岩体易突破岩体阻力掉块坍塌，地下水较发育，多呈股状，稳定性较差，对应桩号为DK644+173～DK644+199。初步预计为瓦斯的运移提供了通道，需要采用综合超前地质预报体系进一步确认。

图3 肖家梁隧道DK646+258掌子面测试典型波形

在开挖到DK644+170，通过掌子面素描观察到，围岩节理裂隙较发育，泥岩、砂岩及泥岩夹砂岩互层结构，层间结合较差。随后用防爆地质雷达对掌子面前方的围岩情况进行了探测，在掌子面距隧道拱顶约4.5 m处布置1条水平测线，测得雷达波部分见图4。

图4 部分雷达波

根据地质雷达探测剖面综合分析如下：在掌子面前方0～380 ns的区段范围内(构造深度0～19 m，参考波速0.1 m/ns)，在该区域内存在多处较强电磁波反射信号，中低频信号都有，信号同向轴时断时续，反射信号的振幅较强。初步判定该区域为节理裂隙密集带，层间结合较差，并含有少量裂隙水。初步验证HSP声波反射法的探测结果。

为避免发生瓦斯事故，紧接着进行超前钻探，对掌子面前方地质情况进行直观探测，超前钻孔布置于上台阶，每断面5个孔(图5)，单孔长度为30 m左右，相邻探测孔之间的搭接长度为5 m。在超前钻孔前，随时监测孔口处的瓦斯浓度，防止瓦斯突出等情况，超前钻孔完成后，要及时对孔内的瓦斯浓度进行监测，通过对孔内瓦斯浓度和孔口瓦斯浓度对比，判断瓦斯是否存在压力、以及有无涌出的可能。在肖家梁隧道施工中采用光干涉式瓦斯检测仪检测到有瓦斯涌出，并探测到瓦斯浓度为0.3%～0.8%，无压力，并通过超前钻孔对瓦斯的排放，瓦斯的浓度变小，据此判断该段围岩裂隙发育，并且围岩破碎，瓦斯的赋存量不大，但是应加强通风[12]。

图5 超前钻孔孔位布置与平面布置(单位：cm)

根据超前地质预报的结果，施工单位加强瓦斯监测工作并及时通风，隧道开挖至DK644+171里程后，出露围岩破碎，节理发育，瓦斯裂缝运移至施工掌子面，经瓦斯检测得到瓦斯浓度为0.83%。该综合超前地质预报体系成功地发挥了作用，也正因为采用了合理的地质超前预报技术，才未发生瓦斯爆炸及人员伤亡和财产损失。

5 结语

(1)通过对非煤系瓦斯隧道成因和类型的研究，得到了非煤系构造连通型瓦斯隧道中的瓦斯以游离态为主，具有压力低、流量低而稳定、分布不均匀、涌出的随机性很强的特点。

(2)对现有超前地质预报方法在非煤系构造连通型瓦斯隧道中的使用条件和应用效果进行分析，选出地质法中的掌子面地质素描法和超前钻探法以及物探法中的地质雷达法和HSP声波反射法适用于非煤系构造连通型瓦斯隧道，并按照长短结合、地质法和物探法结合的原理构建了综合超前地质预报体系。

(3)通过在肖家梁隧道施工过程中的实际应用效果，说明了本文所提出的非煤系瓦斯隧道的综合超前地质预报技术体系是成功的，对于预报非煤系构造连通型瓦斯隧道中的地质情况，有的放矢的控制瓦斯，减少瓦斯带来的灾害发挥了作用。

限于目前应用的工程实例较少，相关的超前地质预报技术的适用性及技术体系，仍然有待进一步探讨和完善。

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Advance Geological Prediction of Fracture Connectivity Type Tunnel in Non-coal Strata

Li Peng1， Jiang Yajun1， Yang Longwei2， Yang Qixin1

(1.Key Laboratory of Tunnel Engineering， Ministry of Education， School of Civil Engineering， Southwest Jiaotong University， Chendu 610031，China; 2.China Railway Erju Second Engineering Co.， Ltd.， Chendu 610091，China)

The gas in the tunnel through non-coal strata can hardly be predicted. Fracture connectivity type tunnel in non-coal strata is a typical representative of such tunnels. At the present stage， there is no systematic geological prediction technology for such a tunnel， which brings a big threat to construction Safety. In order to accurately forecast the gas movement in fracture connectivity type tunnel and prevent security incidents， this paper， through the analysis of the applicability of advance geological prediction including geological method and geophysical method， puts forward a comprehensive geological prediction system with reference to the successful application in Xiao Jiang Liang fracture connectivity type tunnel in non-coal strata， which has proved the feasibility of the advance geological prediction.

Gas tunnel; Non-coal strata; Fracture connectivity type; Advance geological prediction

2014-02-24；

：2014-02-28

中央高校基本科研业务费专项资金资助(SWJTU11ZT33)；教育部创新团队发展计划资助(IRT0955)

李 鹏(1988—)，男，硕士研究生，E-mail：xqlipeng@126.com。

1004-2954(2014)11-0103-05

U456.3+3

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.024