刘 彦 波

(重庆市交通规划勘察设计院，重庆 401121)

“页岩气”是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，是一种清洁、高效的能源资源和化工原料。页岩气作为一种新兴的能源，在我国储量丰富，能带来长期的经济效益，但在隧道工程建设中遇到页岩气，页岩气可能产生燃烧、爆炸，危及隧道施工安全，需要采取合理的工程措施对其进行处治。

1 工程概况

重庆南川至贵州道真高速公路属于重庆市“三环+射三联线”中的第六射第一支线，为设计车速80 km/h的双向四车道高速公路。马嘴隧道是该高速公路上的一座特长隧道，左洞长3 729.59 m，右洞长3 693.047 m，隧道净宽10.66 m，净高7.23 m。隧道穿越金佛山向斜末端，穿越的地层岩性主要为奥陶系下统湄潭组页岩、奥陶系中上统灰岩、志留系龙马溪组页岩以及第四系崩坡积层块石土、粉质粘土。

2 页岩气成分检测及瓦斯等级划分

隧道在施工至志留系龙马溪组页岩地层时(地质情况见图1)，在进、出口掌子面处先后发现不明可燃气体，根据地质情况，初步定性为页岩气。

根据检测单位提供的检测报告，马嘴隧道超前钻孔逸出气体主要由甲烷(CH4)和氮气(N2)构成，同时含有少量的乙烷(C2H6)和二氧化碳(CO2)，为典型的瓦斯气体。气体成分如表1所示。

根据绝对瓦斯涌出量测定结果，隧道进口左线绝对瓦斯涌出量为1.45 m3/min，进口右线绝对瓦斯涌出量为0.73 m3/min；出口左线绝对瓦斯涌出量为0.71 m3/min，出口右线绝对瓦斯涌出量为0.46 m3/min。依据《铁路瓦斯隧道技术规范》可以判定：马嘴隧道为高瓦斯隧道，不存在瓦斯突出的问题。

表1 钻孔气体校正后成果表

取样地点校正后气体成分体积占比CH4/%C2H6/ppmCO2/%N2/%进口左线1号钻孔47.641 311.490.4050.83进口左线1号钻孔55.07136.140.1543.39出口左线2号钻孔26.562 695.65069.02

3 隧道穿越页岩气段处治设计

3.1 总体原则

按动态设计、信息化施工的原则，以超前地质预报资料为基础，加强施工中的通风、瓦斯检测，据瓦斯绝对涌出量情况，对隧道瓦斯工区进行分级，根据不同瓦斯工区等级，采用相应的处治方案。

3.2 超前地质预报设计

超前地质预报主要采用超前钻孔探测(超深炮眼+超前探孔)的方式。通过超前探孔，标定可能存在的页岩气段段落，掌握其情况及页岩气状况。

超深炮眼共布置了11个(上台阶6个，下台阶5个)，均布在掌子面上，与掌子面爆破炮眼同时施工。超前探孔布置5个，孔径为80 mm，钻孔外偏角为10°；每次探孔段长30 m，开挖25 m，保留5 m开始下一次探孔。

3.3 施工通风设计

通风方式：根据规范规定，高瓦斯隧道宜采用巷道式通风。设计在综合考虑现场条件、施工机具配置、评审专家意见等因素，将马嘴隧道施工通风方式改为压入式通风。

需风量：根据规范规定，瓦斯工区所需风量，应按照爆破排烟、同时工作的最多人数、作业机械及瓦斯绝对涌出量分别计算，并按允许风速进行检验，采用其中的最大值。经计算，隧道进口、出口均以同时工作的最大人数和设备所需需风量为最大需风量，Q=2 084.6 m3/min(爆破排烟所需通风时间进口不小于90 min，出口不小于60 min)。考虑漏风因素，实际需风量为Q进口=2 693.6 m3/min，Q出口=2 349.2 m3/min。

风压：考虑工程造价和隧道空间等因素，隧道进、出口分别选用φ1.8 m和φ1.6 m直径风管，其所需风压分别为6 475 Pa和4 884 Pa。

通风要求：在施工期间进行不间断通风；施工中防止瓦斯聚积的风速不宜小于1 m/s，全隧道最低风速不小于0.5 m/s；对瓦斯易积聚的空间和衬砌模板台车附近区域，增加局扇，消除瓦斯积聚。对已经贯通的横洞，必须将两端的洞口封闭，以避免形成循环风。

3.4 瓦斯检测设计

检测方式：采用人工检测与自动监测相结合的方式。

检测频率：

1)开挖工作面检测频率：正常情况下，日常巡检频率每班应不少于3次；有瓦斯喷出危险的工作面和瓦斯涌出较大、变化异常的工作面，必须有专人经常检查，并安设甲烷传感器。

2)隧道内其他检测点的检测频率：隧道内瓦斯浓度小于0.5%时，每小时不小于1次，瓦斯浓度达到0.5%及以上时，应随时在作业地点检测。

检测要求：

瓦斯检测应由施工单位、有资质的第三方检测单位负责，两家单位必须同时进行检测，检测的结果应相互印证。监理单位应设置专职瓦斯监理工程师和监理员，配备瓦斯检测仪，对施工单位、第三方检测单位瓦斯检测工作进行监督检查和定期平行检验，填写瓦斯平行检验表。

3.5 消防与安全防护设计

1)消防水池及消防用砂。

根据规范要求：在隧道进、出口各增设一个储水量为250 m3的消防水池，在隧道内铺设消防专用水管，将消防水引到隧道内。在洞口外设置消防用砂池，并在隧道内掌子面处、上下台阶交界处、二次衬砌台车处各设置一个移动的消防用砂池。

2)设置灭火器。

在已经施工的消防洞室内增设灭火器，在二衬与掌子面之间，每间隔25 m放置一个灭火器。

3)洞内避难所。

利用横通道设置洞内避难所，并应有向外开启的隔离门，配置相关安全设施和足够数量的自救器。避难所每500 m设置一处。

3.6 隧道衬砌防瓦斯设计

马嘴隧道页岩气段瓦斯防护采用一级防护，主要措施为：在初期支护中增加仰拱，防水板采用自粘式防水板，形成全包防瓦斯渗漏结构，初支喷射混凝土、二衬模筑混凝土掺加气密剂，以防止运营期间页岩气渗入隧道(见表2)。

表2 马嘴隧道防瓦斯封闭措施

施工时，要求拱架、钢筋网片在洞外分段加工，洞内拼接，拱架采用螺栓连接、网片采用钢筋绑扎，严禁洞内焊接。

3.7 施工缝与沉降缝气密处理

施工缝和沉降缝均采用背贴式止水带+中埋式止水带进行气密处理，纵向施工缝采用中埋式止水带进行气密处理，防止页岩气渗入隧道。

3.8 水气分离设计

在墙背纵向排水管上设置一个弯四通，当排水管中的水气混合体通过弯四通时，水向下分流，通过横向排水支管流入中心排水沟，顺中心排水沟排出洞外，瓦斯气体向上分流，通过埋设在电缆沟侧壁的纵向φ116/100 HDPE波纹管至洞口，实现水气分离。

3.9 注浆堵气动态设计

依据超前探测资料，掌子面掘进至距离页岩气积聚位置5 m处，停止掘进，在涌出孔附近施作排放孔，进行页岩气排放，将页岩气压力降至0.74 MPa以下且单孔页岩气涌出量小于5 L/min，若48 h内不能使其降低，则考虑注浆封堵措施。

以隧道轴线、上下台阶分界线(起拱线)为分界线，将隧道划分为4个区域。

1)每个区域排放孔中满足页岩气压力不小于0.74 MPa或者涌出量不小于5 L/min的孔的个数不大于这个区域排放孔总数的30%，且位置比较分散时，采用局部注浆堵气的方式进行处治。

2)每个区域排放孔孔中页岩气压力不小于0.74 MPa或者涌出量不小于5 L/min的排放孔个数大于这个区域排放孔总数的30%，采用全断面注浆堵气的方式进行处治。

3)施工初喷后，局部位置仍有个别点页岩气涌出，且页岩气压力大于0.74 MPa或者涌出量大于5 L/min，采用局部注浆堵气的方式进行处治。

3.10 营运期间监控及通风控制设计

为确保本项目在营运期间隧道内环境质量符合相关卫生及安全要求，需要在马嘴隧道页岩气段设置低浓度瓦斯探测器，通过隧道监控系统控制隧道风机启停，达到隧道内环境质量符合相关卫生及安全标准。

3.11 其他设计措施

1)为了防止瓦斯工区中的瓦斯在中心水沟检查井中聚集，瓦斯工区段，取消隧道中心排水沟检查井。

2)施工期间，在隧道内布置有毒有害气体传感器(CH4，H2S，CO，CO2，氮氧化物)及风速传感器。通过自动监控系统，检测其浓度，确保浓度不超标。

4 施工注意事项

1)隧道施工时，应严格按照设计文件及《铁路瓦斯隧道技术规范》《煤矿安全规程》的要求进行，严禁盲目施工。

2)各种电气设备和施工机械必须采用防爆型，其防爆安全性能，必须经专职人员检查，确认合格后方可进洞使用。

3)施工中应加强通风及瓦斯检测，采用瓦斯浓度、风速/风量双指标进行安全施工组织管理。

4)施工中应牢记瓦斯浓度控制指标：风流中瓦斯浓度大于0.5%时，严禁爆破作业，非防爆设备停止工作；风流中瓦斯浓度大于1%时，应立即断电，撤人，停止一切作业，加强通风，待瓦斯浓度小于0.5%后，才可恢复供电，恢复施工。

5)加强火源管理，建立洞口安检制度，严禁携带火柴、打火机等各种火源火种、易产生火花的物品(手机，相机等)以及其他易燃易爆物品入洞，严禁穿着和携带可产生静电的物件进洞。

5 结语

目前，马嘴隧道已经通车运营，隧道施工过程中未出现瓦斯燃烧、爆炸等施工，运营中也未出现瓦斯溢出的状况，说明隧道瓦斯处治设计合理可行。对类似工程有以下几点建议：

1)隧道在穿越志留系龙马溪组页岩地层设计时，应考虑页岩气的可能，根据勘察情况，采取相应的处治措施。

2)页岩气段的处治，重点在施工通风、瓦斯检测、杜绝火源及防止瓦斯渗漏这四方面，施工中应严格遵循相应的规范，做好瓦斯防治工作。