超前地质预报在高瓦斯隧道施工过程中的应用

第３９卷第１Ｏ期　２　０　１　３年４月　山　西　建　筑　Ｖ０ｌ＿３９　Ｎｏ．１０　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ａｐｒ．２０１３　・１６５・　文章编号：１００９—６８２５（２０１３）１０—０１６５—０３　超前地质预报在高瓦斯隧道施工过程中的应用　孕正功　（中铁隧道勘测设计院有限公司，天津３００１３３】　摘要：以三联高瓦斯隧道成功穿越煤系地层为例，分析整理了该隧道施工过程中超前地质预报的工作方法及内容，着重对超前　水平探孔法进行了阐述，指出采用多种技术方法进行综合超前地质预报的重要性。　关键词：超前地质预报，超前水平探孔，隧道　中图分类号：Ｕ４５２．１　文献标识码：Ａ　１　工程概况　以地质调查法为基础（洞内地质素描），以超前钻探法为主，结合　三联隧道位于云南省宣威县境内，全长１２　１３６　ｍ，最大埋深　多种物探手段进行综合超前地质预报。　２８０　ｍ，是贵昆铁路增建二线六盘水至沾益段（以下简称六沾复　２　０８３．６１　Ｄｚ　－Ｓ－７线）的重点控制性工程。该隧道为单洞双线隧道，隧道断面面积　１２０　ｍ　，隧道穿越的主要地层为断层角砾岩（Ｆｂｒ）、三叠系下统飞　ｌ　（７Ｏ）　仙关组（Ｔ，ｆ）砂岩夹泥岩、页岩、二叠系上统宣威群（Ｐ　ｘｎ）砂岩夹　泥页岩、煤层，峨眉山玄武岩组（Ｐ　Ｂ）玄武岩夹层状凝灰岩等，洞　＼　身大部分地段处于Ⅳ级和Ｖ级围岩段。其中１号斜井工区隧道　舅　－一　：、　、　一　穿越宣威群上部含煤地层主要集中在Ｄ１Ｋ３０６＋７７０～Ｄ１Ｋ３０６＋　；　一　Ｐ２ｘｎ　ｌ｛　ｉ９７０地段，见图１；该段含煤６层～１３层，煤层厚０．１３　ｍ～１．８０　ｍ，　６５　－一　丝　：　＼Ｔｌｆ　．ｌ　８１３３Ｏ　ＤＩＫ３Ｄ７　＼　一般厚０．３９　ｍ一１．１３　ｍ，煤层间距３．４４　ｍ～２４．８４　ｍ。根据地勘　图１隧道穿越含煤地层示意图　资料，实测的煤层瓦斯压力除深度较浅的ｃ１煤层较低之外，其余　压力值较大，在１．８３１　ＭＰａ一３．１９５　ＭＰａ，按瓦斯压力梯度计算的　３瓦斯隧道地质预报的特点　隧道洞身段煤层瓦斯压力在２．５３３　ＭＰａ～３．２２９　ＭＰａ，煤层瓦斯含　Ｉ）瓦斯是指隧道在施工过程中产生的各种有害气体的总　量为７．５４　ｍ　／ｔ～１２．８７　ｍ　／ｔ，煤层瓦斯涌出量４．６０６　ｍ　／ｍｉｎ一　称。煤层中的瓦斯主要以甲烷为主，无色、无味、无嗅、可以燃烧　１５．８１６　ｍ　／ｍｉｎ，其瓦斯压力、瓦斯含量、瓦斯涌出量均属高瓦斯工　或者爆炸。因此对超前地质预报提出了更严格的要求：进洞人　区。为此，设计文件明确要求开展综合物探超前探测以及水平钻　员禁止穿化纤服装，禁止携带易燃、易爆物品，进洞的设备仪器　孔超前探测来进行超前地质预报，探测煤层位置，为揭煤施工提　必须防爆。　供依据。　２）瓦斯的生成、运移、赋存和聚集，受地质条件的控制。一是　煤层围岩，二是煤层埋深，三是该地区的水文地质，四是煤体结　２超前预报的依据和必要性　构，五是地质构造情况，六是煤的变质程度。三联隧道煤层段地　在煤系地层中修建隧道，瓦斯爆炸和瓦斯燃烧以及煤尘爆炸　质围岩主要为泥页岩、砂岩，其孔隙率与渗透性均低，对煤层瓦斯　等地质灾害是隧道建设主要应防止发生的地质灾害。瓦斯突出　的封闭性良好；煤层埋深在１４２　ｍ～１８１　ｍ之间，其埋深较浅；受明　是形成瓦斯爆炸的主要原因。根据地勘资料，在隧道穿越的主要　德断层推扭，岩层产状由缓变陡到近于直立，节理、裂隙较发育，　６层煤层中，Ｃ２，ｃ３属一般突出危险。根据铁建设函［２００６］３４０　局部的挤压带可能封闭向地表释放瓦斯的通道，可能形成瓦斯聚　号《关于进一步加强铁路隧道施工超前地质预报工作的通知》要　集带。　求，为探明掌子面前方的地质情况、煤层位置及产状、瓦斯赋存等，　３）瓦斯的逸出具有一定的随机性。因此准确预报掌子面前方　［３］　胡建华．现代自锚式悬索桥理论与应用［Ｍ］．北京：人民交　［５］　秦顺全．桥梁施工控制［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００７：　通出版社，２０ｏ８：３０—３５．　４４＿５Ｏ．　［４］　向中富．桥梁施工控制技术［Ｍ］．北京：人民交通出版社，　［６］　李江乐．悬索桥的施工控制综述［Ｊ］．山西建筑，２００８，３４　２００４：２６—２９．　（１）：３２５－３２６．　Ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｓｅｌｆ－ａｎｃｈｏｒｅｄ　ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ｂｒｉｄｇｅ、　ｔｈ　ｓｉｎｇｌｅ　ｐｙｌＯｎ　ＪＩＡＮＧ　Ｌｉｎ　（Ｔｈｅ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＣｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｆｏＤＵＴ，Ｄａｌｉａｎ　１１６０２４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　Ｙｉｎｇｂｉｎ　ｂｒｉｄｇｅ　ｏｆ　Ｌｉｕｑｉｎｇ　ｒｉｖｅｒ　ｉｎ　Ｌｉｎｙｉ　ｃｉｔｙ，ｔｏ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｃｏｖｅｒａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｈｏｌｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｗｏｒｋ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｂｒｉｄｇｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍｓ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｐａｙ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｔｏ，ｗｈｉｃｈ　Ｃａｌｌ　ｂｅ　ｕｓｅｄ　ａｓ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｆ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ｂｒｉｄｇｅ，ｒａｔｉｏｎａｌ　ｃｏｍｐｌｅｔｉｏｎ　ｃａｂｌｅ　ｓｈａｐｅ，ｓｕｓｐｅｎｄｅｒｓ　ｔｅｎｓｉｏｎ，ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　收稿日期：２０１３・０ｌ－２９　作者简介：李立功（１９６８．），男，高级工程师　・０期　１６６・　第３９卷第ｌ２　０　１　３年４月　山　西　建　筑　突出危险时，施作瓦斯排放孔。由于本隧道预测煤层与隧道中线　的夹角较ｄ，（２ｏ。），故采用分段排放的方式（三步排放）。瓦斯排　放措施实施后，应进行瓦斯排放效果检验，以确认是否有效。若　的地层岩性、地质构造、地下水的赋存情况是必要条件。　４预报工作方法及内容　由于该隧道为高风险隧道，采用了多种方法开展超前地质预　报，主要有：洞内地质素描、红外探水法、ＴＳＰ２０３＋超前地质预报　无突出危险，采用震动放炮措施揭煤。揭煤以及在煤层掘进时，　放炮点应设在洞外，放炮时，隧道必须停电，全部人员撤至洞外，　人员及机电设备，不要正对洞门，洞门附近灭绝火源。在爆破　３０　ｍｉｎ后瓦检员首先检查通风情况，确认通风正常后进入洞内检　法以及超前水平探孔等等，其中超前水平探孔为主要的施工方　法。以上方法互相补充，形成了远、中、近三种距离的综合超前地　质预报体系。　超前水平探孔是ＴＳＰ２０３＋超前地质预报的验证和补充。在　查瓦斯浓度，若瓦斯浓度超标则应进一步加强通风直至瓦斯检测　　探测过程中由地质工程师观察钻孔揭示的地质情况，做好相应记　浓度符合作业要求。瓦斯自动监测系统以及瓦检员检测的结果表明：在正常通风　录，探孔结束后提供钻孔柱状图和钻探报告。三联隧道煤层段采　的情况下，未放炮时隧道内风流中瓦斯浓度为０，放炮后短时间内　用ＭＫＤ．５Ｓ型全液压坑道钻机实施超前水平探孔。超前钻孔数量　１个～５个不等，一般左边的孔左偏５。，仰角３。，右边的钻孔右偏　５。，下俯３。，中间的钻孔从起拱线以下２．５　ｍ施作，仰角５。。另外　两个孔的角度根据现场情况另定（见图２）。　／　一　①　①　图２超前水平探孔　５应对超前水平探孔时瓦斯异常的措施　由于地质构造的复杂性和多变性，超前地质预报预测的位置　是根据其成果图解译推算出的隧道穿过煤层大致位置。对于煤　层是否有突出危险，必须掌握煤层的准确位置和参数，才能不致　误穿煤层造成突出事故。因此，准确掌握煤层位置和参数是必须　的，同时进行超前探煤也可以了解煤层及瓦斯动力现象，为煤层　是否有突出危险性判断预测打下基础。　在实施超前水平探孔过程中，除专业人员在掌子面采用五点　式检测瓦斯浓度外，安排一名专职瓦检员检测孔内瓦斯浓度，至　少每１．５　ｍ（每次提钻）检查一次。如果出现顶钻、夹钻、喷孔等动　力现象时，就可以判断该开挖工作面为瓦斯突出危险工作面，应　立即切断钻机电源，停止钻进，同时观测钻孔内瓦斯涌出的情况，　如果动力学现象不明，需进一步按临界指标法进行确认。对于　钻孔采取的芯样，按照回次、进尺排列好，请专业人员加以判断。　如果掌子面出现瓦斯聚集或者瓦斯浓度超限时，所有人员应撤　到安全的地方，同时并加大送风量，待恢复安全值以内时方可继　续施工。　６超前水平探孔过程及结果　１）在距煤层１５　ｍ一２０　ｍ（垂距）处的开挖工作面钻１个超前　钻孔，初探煤层位置；　２）在距初探煤层１０　ｍ（垂距）处的开挖工作面钻３个超前钻　孔，分别探测开挖工作面前方上部及左右部位煤层位置，并采取　煤样和气样进行物理、化学分析和煤层瓦斯参数测定，在现场进　行瓦斯及天然气含量、涌出量、压力等测试工作；　３）按各孔见煤、出煤点计算煤层厚度、倾角、走向及与隧道的　关系，并分析煤层顶、底板岩性；　４）掌握并收集钻孔过程中的瓦斯动力现象。　在距煤层垂距５　１１１处的开挖工作面打瓦斯测压孔，进行瓦斯　突出危险性预测，测定煤层瓦斯压力，煤的瓦斯放散初速度与坚　固性系数，钻屑瓦斯解吸指标等。采用瓦斯压力法、综合指标法　或钻屑指标法等进行瓦斯突出危险性预测。当预测煤与瓦斯有　有瓦斯涌出，最大浓度可达０．４％，放炮后１８　ｍｉｎ一２５　ｍｉｎ隧道内　瓦斯浓度降到《铁路隧道施工规范》允许的浓度。　三联隧道分别从煤层地段的正、反方向实施了１１次超前水　平探孔，钻探结果显示，隧道多次穿越煤线、煤层以及砂岩、页岩、　泥岩和炭质泥页岩，岩层较为破碎，部分地段存在裂隙水，最大穿　煤长度３．７　ｍ。钻孔结果见表１。　表１　三联隧道超前水平探孔资料汇总表　序　￣ｄ口　里程范围　数量　ｉＳｈ　钻探结果　岩体整体破碎，共发现２层煤线及煤　１　Ｄ１Ｋ３０６＋７４０～Ｄ１Ｋ３０６＋７８３　１　层，最大穿煤长度１　ｎｌ，现场孔口检测　瓦斯含量０．０３％　在ＤｌＫ３０６＋７９０一ＤＩＫ３０６＋８００段　２　Ｄ１Ｋ３０６　４－７７７～Ｄ１Ｋ３０６＋８０９．５　３　围岩较为破碎，共发现４层煤线及煤　层，最大穿煤长度２．５　ｍ　岩体整体破碎，共发现２层煤层，含少　３　ＤｌＫ３０６＋７９８一Ｄ１Ｋ３０６　４－８４８　２　量裂隙水，水量为２　Ｌ／ｍｉｎ，最大穿煤　长度１　ｍ　４　Ｄ１Ｋ３０６＋８３９ＤｌＩ（３ｏ６＋８６９　１　岩体整体破碎，～长度２发现１层煤，最大穿煤　．５　ｎｌ　５　ＤｌＫ３０６＋８５６一ＤｌＫ３０６＋９０６　２　层岩体整体破碎，共穿越６层煤线及煤　，最大穿煤长度２．５　ｍ　６　ＤｌＫ３０６＋９００一Ｄ１Ｋ３０６　－４９５０　５　煤层岩体整体较破碎，共穿越４层煤线及　，最大穿煤长度１．３　ｍ　７　ＤｌＫ３０６　－４９０２一ＤｌＪ（３０６　－４９５２　４　局部岩体破碎，共穿越４层煤层，最大　穿煤长度３．７　ｎｌ　８　Ｄ１Ｋ３０６　－４９３８一Ｄ１Ｋ３０６　－４９９２　３　岩体整体破碎一较破碎，共穿越２层　煤层，最大穿煤长度４．３　ｍ　９　Ｄ１Ｋ３０７＋０４２一Ｄ１Ｋ３０６＋９８８　１　岩性为砂岩夹泥岩，局部较破碎　１０　Ｄ１ｌ（３０７＋０９８一Ｄ１Ｋ３０７＋ｏ３７　１　岩性为砂岩夹泥岩，局部较破碎　ｌ】　Ｄ１Ｋ３０７＋１４２一Ｄ１Ｋ３０７＋０９２　ｌ　岩性为砂岩夹泥岩，局部较破碎　７体会和建议　在隧道实际开挖过程中，所揭示的煤层地段与超前预报的结　果基本吻合。目前，该隧道已于２０１２年４月顺利贯通，未发生一　起与瓦斯有关的安全事故。事实证明，在瓦斯隧道施工过程中，　综合超前地质预报是一种非常有效的手段和管理措施。只要认　真实施，隧道的施工安全就可以得到保证。　目前，超前地质预报已经作为一道工序纳入到施工过程中，　受技术发展水平的限制，没有哪一种方法可以解决施工中遇到的　所有地质问题，因此采取多种技术方法进行综合超前地质预报就　显得尤为重要。　参考文献：　［１］　张立云，李荣，周长兴．超前地质预报在洪福高瓦斯隧道　施工过程中的应用［Ｊ］．西南公路，２０１０（４）：２３－２５．　［２］铁道部．铁路隧道超前地质预报技术指南［ｓ］．　［３］　张子敏，张玉贵．瓦斯地质规律与瓦斯预测［Ｍ］．北京：煤炭　工业出版社．２００５．　［４］ＴＢ　１０１２０－２００２，铁路瓦斯隧道技术规范［ｓ］．　第３９卷第１０期　２　０　１　３年４月　文章编号：１００９－６８２５（２０１３）１０－０１６７—０２　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｖｏｌ＿３９　Ｎｏ．１０　Ａｐｒ．　２０１３　・１６７・　大跨软岩隧道两台阶法合理开挖比例的数值研究　王铁军　（中铁电气化局集团西安铁路工程有限公司，陕西西安７１００３２）　摘要：以集呼高速旗下营隧道为例，建立隧道二维有限元模型，并对计算参数的选取进行了探讨，研究了Ⅳ级围岩下两台阶施工　时不同台阶比例对隧道围岩稳定性的影响，研究结果表明，隧道两台阶开挖上下台阶比例为１．４时，隧道施工对围岩的稳定性影　响较小，可以保证施工的安全。　关键词：两台阶，台阶比例，大跨隧道，围岩稳定　中图分类号：Ｕ４５５　文献标识码：Ａ　０　引言　本文就两台阶施工方法下不同台阶比例的开挖情况进行模　来分析台阶比例对隧道开挖后围岩稳定性的影响。图２给出　本文以京新高速公路集宁至呼和浩特段旗下营隧道为研究　拟，背景，该隧道区属剥蚀丘陵山地地貌，地形起伏较大，进出口均处　了开挖隧道的网格划分情况。开挖台阶比例分别为：１）上下台阶　２）上下台阶比例１．０；３）上下台阶比例１．４；４）上下台阶　于山前斜坡地带，山坡处于稳定状态。隧道所处工程地质情况：　比例０．７；　隧址区上覆为第四系更新统坡积成因的粉土、砾砂、粉土及碎石，　比例２．０。下伏基岩为上太古界集宁群花岗岩。　本文以集呼高速旗下营隧道为依托，运用ＡＢＡＱＵＳ有限元软　件建立隧道二维模型，数值模拟了两台阶开挖时不同台阶比例对　隧道围岩稳定性的影响。结果表明，大跨软岩隧道两台阶施工时　上下台阶比例过小，围岩竖向位移变化较大，上下台阶比例过大，　初期支护拉、压应力峰值　较大。经过分析比较认为上下台阶比　例为１．４时，隧道施工时围岩稳定性较好，且有利于机械的展开　和出渣的方便。　一一　图２隧逼网格划分图　１有限元模型　１．１　隧道开挖支护工艺　现场施工时，隧道采用两台阶五步开挖工艺，隧道开挖支护　顺序如图１所示。　１．３计算参数选取　本次计算采用Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ等面积圆屈服准则，其表达式　为：　Ｆ：０　ｌ＋￣／　。　其中，，　，，２分别为应力张量的第一不变量和应力偏张量的第　二不变量，其中：　１　，１＝盯ｌ＋ｏｒ２＋　３；　＝Ｓ　－［（　ｌ一　２）＋（　２一ｏｒ３）＋（ｏｒ３一ｏｒ１）］。　，ｋ是与岩土材料内摩擦角　和粘聚力Ｃ有关的常数，Ｏｔ，ｋ　２４３　ｓｉｎ　，　６４３ｃｓｉｎ￣ｂ　满足下列表达式：　图１隧道开挖支护工艺（单位，－ｃｍ）　＝——：＝＝＝＝＝＝＝＝三二＝二；　＝——　＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝０　￣／２　１Ｔ（９一ｓｉｎ　）　￣／２４ｃ３，ｔｒ（９一ｓｉｎ　）　１．２有限元模型及参数选取　Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ等面积圆屈服准则是与Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ破坏准　有限元模型采用平面应变弹塑性模型，岩体初始应力只考虑　则准确匹配的岩土材料塑性屈服准则，应用Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｏｍｂ等面积　自重，计算模型水平方向左右边界取距隧道左右边墙８０　ｍ，垂直　圆屈服准则可取得较为精确的结果。　方向边界取至地表６０　ｍ，下边界取距隧道底面７５　ｍ，左右边界为　围岩初始地应力在考虑自重应力达到平衡情况下进行开挖　水平约束，下边界为垂直约束。　模拟。围岩采用实体单元进行模拟，初期支护采用ＡＢＡＱＵＳ中的　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｆｏｒｅｃａｓｔ　ｉｎ　ｈｉｇｈ　ｇａｓ　ｔｕｎｎｅｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ＬＩ　Ｌｉ－ｇｏｎｇ　（Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｓｕｒｖｅｙ＆Ｄｅｓｉｇｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｔ／ａ　ｎ　３００１３３，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇ　Ｓａｎｌｉａｎ　ｈｉｇｈ　ｇａｓ　ｔｕｎｎｅｌ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ　ｃｒｏｓｓｉｎｇ　ｃｏａｌ　ｓｔｒａｔｕｍ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｚｅｓ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｆｏｒｅｃａｓｔ　ｍｅｔｈ—　ｏｄｓ　ａｎｄ　ｃｏｎｔｅｎｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｍａｉｎｌｙ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｈａｎｄ－ｈｏｌｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ，ａｎｄ　ｐｏｉｎｔｓ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎｉｉｃａｎｃｅ　ｏｆ　ｃｏｍｐｒｅ—ｆ　ｈｅｎｓｉｖｅ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｆｏｒｅｃａｓｔ　ｂｙ　ａｐｐｌｙｉｎｇ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ：　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｄｖａｎｃｅｄ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｆｏｒｅｃａｓｔ，ａｄｖａｎｃｅｄ　ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ　ｈａｎｄ—ｈｏｌｅ，ｔｕｎｎｅｌ　收稿日期：２０１３—０１－２７　作者简介：王铁军（１９７４－），男，工程师