叙毕铁路斑竹林隧道有害气体分析及防治

2017-04-26曹正喜王栋唐军平

河南建材 2017年2期

关键词：斑竹储气泥质

曹正喜王栋唐军平

中铁二院工程集团有限责任公司（610031）

叙毕铁路斑竹林隧道有害气体分析及防治

曹正喜王栋唐军平

中铁二院工程集团有限责任公司（610031）

有害气体是叙毕铁路隧道地质灾害问题之一,文章以斑竹林隧道为例，通过野外调查和区域资料分析，弄清了隧址区地层岩性、储气地质构造,结合洞身段的深孔钻探、孔内含气性检测试验等方法，明确了斑竹林隧道有害气体的主要成分及形成原因,并对有害气体的赋存形式进行了分析，提出了合理的治理方案，为铁路设计提供了依据，也为全线隧道有害气体勘探提供了借鉴。

有害气体；储气构造；防治措施

0 前言

深埋长隧道延伸长,埋深大,穿越的地质条件复杂,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[1-2]。其中有害气体作为深埋长隧道地质灾害问题之一,也越来越多地受到人们的关注。有害气体不仅对人体的健康有危害,而且因突然喷出、燃烧或爆炸等,急剧恶化隧道施工条件,造成灾难性破坏。我国的贵昆线岩脚寨隧道、成昆线沙木拉达隧道、达成线炮台山隧道、内昆线天星场至仙水段、南昆线的家竹箐隧道等都出现大量的瓦斯喷发或爆炸,造成严重的经济损失[3]。叙毕线通过威信储气构造、以勒新街储气构造及毕节储气构造，三个储气构造(如图1)，文章以斑竹林隧道为例，分析了隧道内有害气体产生的地质环境以及有害气体的化学成分、形成机制，提出治理措施建议，为线路其他段落的有害气体防治提供借鉴。

1 工程概况

叙永至毕节铁路全线长约189 km，设计时速120 km/h，定位于区域性干线铁路，其中斑竹林隧道位于云南省威信县境内，隧道全长12 758 m埋深580 m，是全线最长重点隧道。

2 隧址区地层岩性及地质构造

2.1 地层岩性

隧道于D2K222+190～D2K224+550段志留系下统龙马溪组（S1l）的泥质灰岩与页岩互层、页岩夹泥质灰岩和页岩、炭质页岩等，上覆志留系下统龙石牛组（S1s）的泥质灰岩夹页岩，下伏奥陶系中上统（O2+3）的灰岩、泥质灰岩夹泥灰岩。

2.2 地质构造

隧区位于云贵高原北部扬子准地台滇东台褶带，褶曲、断裂均比较发育，地质构造复杂。隧道主要位于威信复式构造带，地质构造复杂，断层发育，D2K222+190～D2K224+550段位于高寨坡江西湾背斜的NW翼，高寨坡江西湾背斜的轴部位于D2K227+780附近，轴线呈北东向展布，属于新华夏系构造体系。背斜核部为寒武系娄山关群地层，两翼为奥陶系、志留系地层。

3 有害气体化学分析

通过对洞身段(D2K223+563.5右5.1 m)处进行深孔钻探（钻孔编号DZ-BZLS深-01-1）钻探至177 m时有害气体喷出,对有害气体成分测试，其测试结果（见表1）可知其有害气体的中甲烷含量69.17%，对洞身D2K224+601.4右10.8 m进行第二次钻探（钻孔编号DZ-BZLS深-01-2），同样进行有害气体成分测试，测试结果中甲烷含量达到90.22%。通过两个深孔的孔内有害气体检测结果可知，隧道内的有害气体为甲烷,即通常所说的天然气。

天然气是指动、植物通过生物、化学作用及地质变化作用，在不同地质条件下生成、转移，在一定压力下储集，埋藏在深度不同的地层中的优质可燃气体。它以低分子饱和烃类气体为主，并含有少量非烃类气体。在烃类气体中,甲烷占绝大部分，乙烷、丙烷、丁烷和戊烷含量不多，庚烷以上烷烃含量极少。另外，所含的少量非烃类气体一般有二氧化碳、一氧化碳、氮气、氢气、硫化氢和水蒸气以及少量的惰性气体。

表1 含气性检测结果表

图2 钻孔位置及地层岩性分布断面示意图

4 有害气体成因及对工程影响

4.1 有害气体成因分析

1）钻探资料分析

1 号深孔DZ-BZLS深-01-1位于隧道洞身里程D2K223+563.5右5.1 m处，（如图2），钻探至井深177m处，开始有瓦斯气体喷出，根据钻探深度及岩性分析，深孔位置刚穿过志留系下统石牛栏组(S1s)泥质灰岩进入龙马溪组上段（S1l）的泥质灰岩与页岩互层。最终钻探孔深为265.73 m，在177～265.73 m段的钻进过程中无有害气体溢出的异常。2号钻孔DZ-BZLS深-01-2位于洞身D2K224+ 601.4右10.8 m（见图2），有害气体开始喷出时钻孔井深310.55 m,地层为O2地层，岩性为龟裂纹灰岩。

2）含气地层分析

据区域地质及现在调查资料分析，该储气构造中的含气层主要为二叠系长兴-龙潭组（P2c+l)和梁山组（P1l）含煤地层中的煤层气，位于背斜两翼，已有煤矿呈带状开采，未在其他地层中发现有天然气开采情况。同样根据区域地质及现在调查资料分析，志留系下统龙马溪组（S1l）底部有厚约55 m的炭质页岩，奥陶系中上统（O2+3）的灰岩中夹有炭质页岩，奥陶系湄潭组（O1m）中含磷砂岩，桐梓组（O1t）地层中局部含胶磷矿硅质岩，勘探发现天然气后，对钻孔附近约1 km2范围内进行了调查访问，其结果是没有天然气出露和使用过天然气的历史。

综上所述,根据隧道深孔勘探发现了天然气，是由下伏炭质页岩、含磷砂岩和含胶磷矿硅质岩产生的有毒有害气体沿节理、裂隙储集于其上的灰岩、泥质灰岩的溶蚀裂隙中形成了天然气，呈透镜体状分布。

4.2 有害气体对隧道影响

1）根据DZ-BZLS深-01-1钻探资料，揭露的天然气储集于志留系下统龙马溪组（S1l）泥质灰岩与页岩互层灰岩的溶蚀裂隙中，节理、裂隙较发育，岩溶弱发育，储存空间较小，天然气储量较小，与隧道底约60 m，因此判断隧道影响小

2）DZ-BZLS深-01-2揭示的天然气储集于奥陶系中上统（O2+3）的灰岩、泥质灰岩的岩溶裂隙或溶洞中，节理、裂隙较发育，岩溶中等至强烈发育，储存空间较大，天然气储量较大，与隧道底约3 m，综合判断其对隧道施工影响较大。

5 防治措施

通过钻探与测试资料发现了斑竹林隧道存在天然气,其分布主要呈透镜体状存在溶蚀裂隙中。对隧道施工影响较大，防治建议：

1）按照不同段落对隧道瓦斯有害气体进行段落划分，其中D2K222+190～D2K224+500段隧道和进口平导PYD2K223+500～+PYD2K224+500段按低瓦斯设计；D2K224+500～+650段隧道和进口平导PYD2K224+500～+650段按高瓦斯设计；D2K224+ 650～D2K225+610段隧道和进口平导PYD2K224+ 650～PYD2K225+650段按低瓦斯设计。

2）采用地表钻孔是施工前了解瓦斯状况的重要手段,但施工时应采用地质雷达进行超前地质预报[4]。

3）水平超前钻孔释放瓦斯，目的是通过向工作面前方钻若干个孔,使钻孔范围内的瓦斯提前排放出来。钻孔孔径一般为75～130 mm,孔深在30 m以上,在工作面按平行于隧道掘进方向或略向外倾斜布置钻孔[4]。

4）加强施工通风是瓦斯防治措施中最重要也是最主动的措施。有效、稳定和连续的通风能保证及时冲淡和排出洞内瓦斯及其他有害气体,使洞内各处瓦斯浓度不超标。