川东北红层地区引水隧洞有害气体形成原因及安全施工对策研究

董 源,赵 芹,罗文品

(1.四川省水利发展集团有限公司,成都 610094;2.四川省亭子口灌区建设开发有限公司,四川 南充 637000)

0 引言

川东北红层主要由侏罗系和白垩系等中生代和新生代的土体经陆相碎屑沉积形成,一般由砂泥岩等组成[1]。红层岩体具有强度低、遇水易膨胀、软化、崩解等工程特性,在隧洞开挖施工过程中易引起塑性大变形、局部坍塌等诸多地质灾害问题,其中,隧洞掘进过程中有害气体的产生和积聚日益引起设计和施工作业人员的重视。隧洞内空间狭小且通风条件差,有害气体的产生不仅会给人员和设备带来极大危害,且因其突然喷涌、燃烧或爆炸使隧道施工条件急剧恶化,容易引发安全事故[2]。

国内众多学者针对红层地区隧洞工程开挖产生有害气体展开了相应研究。任光明等[3]认为地下有害气体灾害的发生与其所处的地形条件、构造、岩性密切相关;孙意[4]通过对成贵铁路乐山至兴文段红层地区隧道钻孔瓦斯测试数据进行分析,研究地层年代、构造、隧道埋深等因素对瓦斯逸出影响;郝俊锁[5]研究了隧洞穿越非煤系地层产生天燃气的原因;纪云静[6]采用多种试验方法,获取可靠的隧洞瓦斯基本参数,理论上计算瓦斯涌出量,评估瓦斯对隧洞掘进的工程影响;陈波等[7]对龙泉山隧洞开挖采用超前打孔,瓦斯防治监控系统,施工工艺控制,防爆改造,制度健全等方法,做到了及时预警、有效防治。

某大型灌区工程位于四川盆地中部,嘉陵江以东,渠江及流江河以西的狭长地带。渠线总体上由北向南延伸,地势北高南低。隧洞施工过程中连续发现有害气体逸出。隧洞区有害气体的赋存与煤、油气等地区不同,其岩类主要为红层地区沉积岩,且隧洞开挖采用钻爆法施工,安全风险极大。本文依托某大型灌区隧洞工程,通过现场收集资料、勘查测定、数据分析等,判别有害气体出现的地质条件,分析有害气体的成分及形成原因,针对性提出预防和应对措施,这对于川东北红层地区预测有害气体分布及引水隧洞安全施工具有重要意义。

1 工程概况

某大型灌区隧洞工程起止里程为总88+518.61～总90+876.52,总长2 357.91 m。计划分别从进口和出口相向掘进施工,当隧洞开挖到总90+590时,进行侧帮现场钢筋网片挂网施工焊接,电焊火花引燃少量可燃气体,导致隧洞停止施工,需要进一步查明有害气体赋存情况,评估其对隧洞开挖的影响程度后才能施工,隧洞地质情况如图1、图2所示。

图1 隧洞地质纵断面

图2 隧洞出口开挖断面(总90+850)

2 区域地质环境

2.1 地层岩性及结构

根据钻探揭露及洞室开挖围岩情况,隧洞各段围岩分类见表1。

表1 隧洞围岩分类、分段统计

隧洞所在区域地质构造简单,岩层产状为N10°～30°W/SW∠1°～4°,砂岩中主要发育两组构造裂隙:①N65°～70°W/NE(SW)∠72°～85°,延伸长6～10 m,间距2～3 m,充填岩屑夹泥;②N15°～20°E/NW∠86°,延伸长2～5 m,间距0.1～2 m,充填岩屑夹泥。岩体强、弱风化带厚度分别为2.8～8.0 m和11.1～23.9 m。

2.2 区域地质构造

隧洞工程区在大地构造位置上位于扬子准地台四川台坳之川北台陷(I2-3)和川中台拱(I2-1)内,北侧为汉南台拱(I1-2)及龙门山陷褶断束(I1-1),南侧为川东陷褶皱束(I2-4)。近场区及场址区的主要断裂构造有华蓥山断裂北段,且与背斜共生而成。

川中低缓构造带内普遍分布中生界侏罗系-白垩系砂泥岩为主要特征,主要为南充-射洪区域挤压性构造带,仪陇-巴中莲花区域旋钮构造带和营山区域断裂构造带,由挤压性和旋钮性褶皱组成,主要呈弧状,构造行迹、作用力等十分复杂[8]。褶皱带构造多为北东东向,受华蓥山断裂带抬升的影响,东侧出露地层老,向西依次变新。隧洞临近双河场背斜,该背斜与营山背斜鞍状相接,轴线N25°W,延伸长度为7 km,两翼对称,倾角4°～6°。

2.3 隧洞与主要油气田、油气层的关系

川中油气区北至平昌、仪陇,南到资中、大足一线,华蓥山、龙泉山作为其东西界,其中,发育有三套烃源岩层,分别为须家河组、大安寨段和凉高山组,大安寨段和凉高山组具有良好的生油条件,须家河组为一套自生自储的气藏。区域内油气储层基本信息统计见表2。20世纪50年代以来相继发现了南充、龙女、蓬莱等油田[9]。

表2 四川盆地川中地区部分油气储集层基本特征统计

隧洞周边分布营山含气构造、龙岗含气构造、双河含气构造和仪陇含气构造[10]。此外,川中公山庙构造沙一段储层内部发育了大量规模不等、方位不同、性质各异的断裂,其中包括了大量“正断层”[8],这类构造十分有利于有害气体运移和储存,为隧洞开挖过程中有害气体的逸出提供了先决条件。

2.4 不良地质条件

在对隧洞的地层岩性、地层结构及区域地质构造有了初步判断的基础上,中煤科工集团重庆研究院走访调查了隧洞周边并对该隧洞进行超前预报及有害气体检测[11]。

(1)隧洞周边走访调查。经调查发现隧洞出口2 km范围内有3个异常水井,见表3。

表3 隧洞出口附近异常水井

(2)超前预报。在隧洞出口掌子面(总90+590)向小桩号方向布置3个超前地质钻孔,采用湿式钻进的方法,钻孔深度均为100 m,根据钻孔揭露的岩屑和返水情况判断,掌子面前方100 m(总90+490～总90+590)范围内为紫红色粉砂质泥岩。

(3)有害气体跟踪检测。钻进过程中每5 m停钻进行一次洞内有害气体跟踪检测,在孔内0.5～1 m处进行了瓦斯和二氧化碳检测,并在孔口处进行了硫化氢和一氧化碳检测。钻孔过程中3个孔持续有瓦斯气体逸出,但未检测到气流压力。

3 有害气体来源初探

隧洞穿越的地层岩性粉砂质泥岩夹薄～中厚的砂岩、泥质粉砂岩,属软岩类,水平层理发育。该地层不是产气层,但层内粉砂岩、局部砂岩夹层是较好的储气层。局部地段构造发育出的断层和节理有一定的导气和储气能力,深部有害气体通过断层导气通道运移至隧洞洞身范围内,为局部气囊的形成创造了良好的条件,如图3所示。

图3 有害气体运移模式

3.1 地质构造因素

受断裂带影响,地层年代远、埋深大的储气地层上升,此外,断裂构造部位岩石挤压破碎,结构裂隙极其发育,形成良好的导气通道;受褶皱的影响,尤其是背斜构造,为有害气体提供顶部及侧向封堵,因而背斜核部常大量富集有害气体,翼部气体含量较少[3],如图4所示。

图4 背斜构造储气示意

3.2 地层岩性因素

有害气体在岩性主要分布于半坚硬岩及富含有机质等特殊成分的岩石类如砂岩、泥岩类等,以及富含有机质的淤泥、腐土层等类型,而坚硬岩一般无有害气体灾害现象发育[3]。隧址区为遂宁组,符合有害气体分布条件,见图11,且遂宁组岩性粉砂质泥岩中夹泥质粉砂岩、砂岩薄层,在特定的岩性组合下,有利于形成封闭边界。

4 有害气体涌出情况

4.1 涌出特点

隧洞自发现有害气体后,利用超前钻孔并结合人工检测的手段,对有害气体的涌出情况进行全方位检测,隧洞出口检测断面位置及瓦斯检测断面测点见图5、图6。使用CJG-100型干涉式甲烷测定器检测出隧洞逸出的有害气体为甲烷的烷类气体,进而综合判定甲烷和二氧化碳的含量。基于检测数据收集分析认为,隧洞开挖遇到的是深层有害气体,其具有压力低、流量低而稳定、分布均匀、涌出规律性强等特点。

图5 隧洞出口检测断面位置示意

图6 瓦斯检测断面测点示意

4.2 检测数据规律分析

正常通风条件下对有害气体浓度进行测定,当日涌出量的最大值为1.91 m3/min,气体检测结果见表4[11]。对表格进行分析得知:

表4 检测断面瓦斯检测结果

(1)在同一断面,拱顶瓦斯浓度高于其余部位,说明瓦斯具有向上运动的规律,并在洞室顶端富集。

(2)在同一时刻,1#断面瓦斯含量高于2#断面,可以看出,瓦斯浓度随远离掌子面而递减,通风后呈稳定下降趋势,但连续监测数据差异不大,说明该隧洞穿越的地层瓦斯补给量稳定。

5 有害气体的针对性预防措施

在“超前钻孔探明、昼夜监测不停、严格火源管控、加强通风洁净”等对有害气体综合防治的基础上,针对隧洞地质特征和有害气体的特点及涌出规律,采取以下针对性预防措施。

5.1 加强洞内监测、通风

根据有害气体涌出压力低、流量低而稳定的特点,施工作业过程中要做到全孔时刻监测,保证隧洞内有害气体浓度保持在安全范围;考虑到该隧洞主体为一单洞,可采用压入式机械通风,配备抗静电、阻燃矿用风筒;在错车道、拱顶局部垮塌段和通风不畅部位设置矿用防爆局部通风机,消除有害气体积聚。

5.2 超前预报查明异常部位

施工按照先探后掘的原则进行,加强地质超前预报,在全面进行地质素描分析的基础上,超前开展物探工作。施工过程中,在隧洞开挖断面处施作1个长度不小于40 m的地质超前钻孔,密切关注有害气体压力、浓度异常部位,并根据预报结果对设计、施工方案进行动态调整。

5.3 远距离放炮

有害气体逸出与爆破震动有一定的关系,采取远距离爆破是为防止预测失误而采取的一种安全防护措施。放炮时把起爆点设在洞外,洞口杜绝一切火源。起爆母线采用铜芯电缆,使用安全炸药和毫秒雷管,放炮时洞内停电撤人,放炮后延长通风时长。

5.4 采取短进尺快封闭的施工措施

一次爆破开挖进尺越大,则有害气体涌出量越大,因此,采取短进尺可减少一次有害气体涌出量,降低隧洞内有害气体浓度;快速封闭可以避免临空面岩体持续发生变形,以免深层岩体持续遭受应力重分布,导致深层次有害气体涌出。

5.5 各类设施设备防爆改装

由于有害气体隧洞施工的高风险性,普通机械设备无法在其中作业,各类电气、机械设备的防爆性能至关重要。编制隧洞施工供配电专项设计方案并按照方案采购、安装、试运行和投入使用,并将传统设备的被动防御防爆改装为主动防御防爆改装,可增设传感器,利用监控系统等,在有害气体浓度超限等危险条件下使机械设备自动停止作业,待浓度降至正常范围后设备重新启动作业。

6 结论

(1)某大型灌区隧洞逸出的有害气体初步判定为为烷类气体甲烷。隧洞位于华蓥山断裂带西侧,周边分布营山含气构造、龙岗含气构造、双河含气构造和仪陇含气构造,受构造作用影响严重,岩体中结构面发育具备形成气体游离及运移的良好通道。逸出的有害气体是从深部区域沿构造裂隙等通道运移而来。

(2)隧洞临近双河场背斜,该背斜与营山背斜鞍状相接,具有良好的储存封闭条件。隧洞穿越的地层岩性粉砂质泥岩夹薄～中厚的砂岩、泥质粉砂岩,在特定的岩性组合下,有利于形成封闭边界。

(3)隧洞顶拱处测得有害气体(瓦斯)浓度最高可达0.28%,当日绝对涌出量的最大值1.91 m3/min,连续监测数据差异不大,隧洞穿越的地层有害气体(瓦斯)补给量稳定。

(4)在“超前钻孔探明、昼夜监测不停、严格火源管控、加强通风洁净”等对有害气体综合防治的基础上,进一步加强洞内监测、通风,采取超前地质预报、远距离放炮、短进尺快封闭等措施并对各类设施设备进行防爆改装,从而有效降低开挖工作面有害气体浓度,确保施工安全。