《川西高原变质岩区隧道有害气体成因与防治》依托国家自然科学基金“碳质千枚岩隧道瓦斯生成及运移规律研究”（51804261）、四川省科技计划项目“碳质千枚岩隧道瓦斯灾害防治基础研究”（2019YJ0556）和四川省公路院科研项目“川西高原变质岩区公路隧道有害气体成因与防治研究”（2018-YL-03）等研究成果，系统介绍了川西高原变质岩区公路隧道有害气体成因与防治技术对策。《川西高原变质岩区隧道有害气体成因与防治》共8章，主要内容包括：川西变质岩区域地质条件、隧道有害气体类型和来源、隧道有害气体在地层中的赋存规律和影响因素、有害气体在隧道工程中的运聚条件和富集规律、隧道有害气体危害等级评价指标及评价方法、有害气体对隧道工程的危害作用方式和特征、隧道施工及运营中针对有害气体的风险管理和防治技术对策等。

第1章 概论
　　按照《国家综合立体交通网规划纲要》及四川省交通运输规划，川西高原地区公路、铁路交通建设将继续保持高位[1-4]。本章以川西地区广泛分布的板岩、千枚岩、变砂岩等变质岩区隧道建设中多次出现突发的瓦斯等有害气体危害问题为导向，在充分了解和借鉴既有相关研究成果的基础上，针对隧道穿越变质岩区有害气体的来源、成因与分布特征，提出了重点开展隧道有害气体来源与分布特征、赋存状态与运聚模式、富集规律，以及针对性的隧道有害气体风险管理和防治技术的研究内容，以期为川西高原公路建设提供技术支撑。
　　1.1 川西高原变质岩区隧道有害气体情况
　　随着我国经济、社会发展步伐不断提速，在复杂特殊地质区修建隧道的情况越来越多，特别是近年来，高速交通建设不断向川西高原区域推进，在广泛分布变质岩的川西高原地区修建长大隧道的数量也日益增多。随着隧道建设速度的不断推进，隧道遭遇不良地质灾害的困扰也日益明显。如2023年通车的川青铁路（原名为成兰铁路）跃龙门隧道2号斜井工区和3号横洞工区，在穿越志留系茂县群**亚组千枚岩、碳质千枚岩、碳质板岩等变质岩时，因遇到高浓度H2S和CH4气体涌出，其中出水口处H2S气体逸出浓度达0.0378%，CH4*大涌出量为3.84m3/min，造成工期延误及工程总成本增加近3亿元[5]；同样，汶马高速公路鹧鸪山隧道在穿越板岩、变质砂岩、千枚岩、碳质千枚岩时，也因遇到高浓度CO2和CH4气体涌出，其中CO2涌出量为1.063m3/min，CH4涌出量为0.878m3/min，造成隧道设计重大变更[6，7]；汶马高速米亚罗3号隧道在穿越千枚岩地层区时，遭遇涌水、突泥伴随高浓度瓦斯气体，引发重大人员财产安全事故，直接经济损失约640万元，工期延期将近1年；与跃龙门隧道水平距离不足100km的九绵高速公路白马隧道，穿越地层主要为志留系白龙江群，岩性主要为板岩、砂岩和碳质板岩，在白马隧道前期勘察过程中，通过对CZK7钻孔（孔深194m）进行现场有害气体检测，同样发现有CH4气体逸出，且CH4气体*大逸出浓度达到0.602%[8]；施工过程中在YK36+953～YK36+988段钻进出现卡钻，掌子面前方出现“煤炮”异响，现场探孔中瓦斯浓度测试结果值达0.24%，孔内瓦斯压力*大测试结果值达0.16MPa。
　　川西高原地区构造背景复杂，深大断裂发育，岩浆侵入频繁，矿产丰富，地层岩性也是复杂多变。其中，变质岩成因及地质条件更为复杂，变质作用类型多样，有区域变质作用、接触变质作用和动力变质作用等，该区域具备多种有害气体生成的物质基础和储集的地质、构造条件[9]。
　　汶马高速、九绵高速、久马高速、川青铁路也都将在川西高原变质岩地层中修建大量的隧道工程，川西高原地区城镇之间的互通基础设施省道、国道也会涉及大量的隧道工程。清楚地认识川西高原地区隧道建设，地层中有害气体的种类、成因、运移特征、储存条件、富集特征等，将为设计提供极其重要的参考，也将极大地降低隧道工程建设施工过程中因有害气体突出引发安全事故的风险，同时，也为隧道后期的安全运营及维护提供重要的保障。
　　本书将以穿越川西高原变质岩地区的高速公路鹧鸪山隧道、白马隧道、米亚罗3号隧道、国道318线隧道和川青铁路跃龙门隧道等众多隧道工程为依托，结合隧道所在区域地质条件和有害气体现场检测数据及室内试验结果，采用定性与定量分析相结合的方法，研究总结川西高原变质岩地区隧道中有害气体的类型、成因机制及分布特征，并提出隧道施工过程中有害气体预测及防治对策。
　　研究成果将对川西高原变质岩地区在建及拟建的隧道工程制订合理的隧道勘察、设计、施工方案及后期的运营维护具有重要的理论指导意义和实用价值，同时填补川西高原变质岩区隧道工程受有害气体危害研究之不足。
　　1.2 研究现状及存在的不足
　　目前，国内外专家学者对隧道有害气体的研究更多地集中于可燃气体上，其中煤层瓦斯是研究的重点。针对煤层瓦斯隧道的施工及通风运营技术、揭煤防突技术、施工地质超前预报技术、有害气体的动态监测与实时跟踪预报技术、有害气体灾害危险性评价体系等方面都做了深入研究。与穿越煤系地层隧道相比，由于变质岩地层隧道的有害气体分布具有较大的随机性和不均性，它们往往分布在隧道局部不易被发现，更容易使工程人员麻痹大意而出现安全事故。从2005年合武铁路安徽段大别山区段7座隧道在穿越区域变质岩—早石炭世变质石英片岩时发生瓦斯燃烧现象开始[10]，随着穿越变质岩区的隧道越来越多，变质岩区隧道受有害气体危害的案例也逐渐增多，因此近年来变质岩区隧道有害气体研究也引起了工程界的高度关注。
　　国外变质岩区隧道受有害气体危害的工程案例较多，如苏联阿尔伯-谢万隧道，在穿越变质岩接触带时，以巨大压力喷出的CO2气体涌出量为150×104m3，抛出岩石1500t，距离150m；意大利卡波卡那隧洞在穿越以千枚岩为主的变质岩地层时，有害气体以2MPa的压力涌出，涌出量为5000～6000L/min，其中以CO2（98.07%）气体为主，其次为CH4（0.61%）、H2S（0.08%）、NO2（0.0024%）。
　　国内外对于变质岩区有害气体隧道工程的研究主要集中在有害气体检测、监控、防坍塌及气密性混凝土施工、施工通风等技术方面，但研究有害气体成因与来源、赋存状态与分布特征、运聚条件与富集规律的成果甚少，所以本书将从工程实例入手，研究川西变质岩区隧道有害气体的成因和防护技术等相关内容。
　　1.2.1 国内外有害气体预测研究现状
　　随着经济发展的需要，越来越多的深埋长大隧道工程在地质条件复杂的区域被修建。隧道穿越地层中有害气体涌出规律、涌出量等的成功预测，将对设计提供重要的参考价值及对施工安全提供重要保障。
　　1）国外在瓦斯涌出规律、涌出量预测方面的研究现状
　　19世纪50年代，H.Darcy提出了达西定律（线性渗流定律）[11]；随着后期多学科的交叉应用研究，在瓦斯渗流规律与力学中的渗流理论相结合的研究成果下，苏联学者P.M.克里切夫斯基通过对矿井中的瓦斯情况进行分析，将其运用于矿井煤层中瓦斯运移轨迹追踪。L. N. Germanovich在菲克定律（Fick’s law）的基础上，揭示出瓦斯吸附状态下转化为游离状态时的扩散规律呈线性变化[12]。20世纪80年代初，苏联学者针对不同矿井中的瓦斯涌出源，提出了多种主动控制瓦斯涌出量的方法。英国学者Airey针对粒径6～12mm的煤体中解析出来的瓦斯含量进行估计，提出了破碎煤瓦斯解析经验方程（艾雷瓦斯解析经验公式）[13]。印度学者Banerjee在对艾雷瓦斯解析经验公式进行优化后，提出了针对粒径5～8mm的煤体中解析瓦斯含量估计的新经验公式[14]。德国学者Winter在霍尔特（Holt）指数平滑法的基础上，引入不同的平滑变换函数来建立预测模型[15]，提出了一种较高级形式指数平滑法—温特（Winter）线性和季节性指数平滑法（采掘工作面时空序列瓦斯动态预测法）。这种方法可对趋势型数据样式和季节性调整进行校正，并根据开采技术条件和赋存条件的变化超前预测工作面的瓦斯涌出动态变化值。随着计算机技术的迅猛发展，国外一些学者把模式识别技术与数字处理、字符识别、语音识别技术相结合，使瓦斯预测研究取得了一定的进展。例如，美国匹兹堡矿业研究院开发的地理信息系统（MapGIS）瓦斯涌出预测多媒体系统，实现了瓦斯预测的可视化与图形图像化，使多元信息的复合和多元数据的无缝连接变为可能[16，17]。英国水文专家H. E. Hurst提出重标极差分析法（R/S分析法），并利用赫斯特指数（H）这一指标判断时间序列数据遵从随机游走还是有偏的随机游走过程，该方法在矿井瓦斯涌出预测中效果很好[18]。
　　2）国内在瓦斯涌出规律、涌出量预测方面的研究现状
　　（1）张子敏等[19]从煤矿瓦斯地质规律角度揭示了瓦斯与所在地层之间的内在联系，总结出瓦斯赋存状态、瓦斯含量多少、瓦斯压力大小、煤与瓦斯突出动力现象等都受自身瓦斯地质规律的制约，瓦斯涌出规律、瓦斯抽采难易及其方法等均受到这些地质规律的控制。
　　（2）瓦斯涌出量计算公式。俞启香等[20]将瓦斯涌出与工作面长度、临近层的厚度、原始瓦斯含量和瓦斯排放率等多个影响因素通过数学公式有机地结合，提出了开采煤层、采空区的瓦斯涌出量计算公式。张守宝等[21]结合煤体瓦斯流动理论和实际测定结果，对单位面积累计瓦斯涌出量和有效暴露时间的规律进行研究，提出了综采工作面单位面积煤壁瓦斯的涌出公式。
　　（3）基于强度衰减理论的瓦斯涌出数学模型。何满潮等[22]提出了瓦斯涌出强度与煤暴露时间的关系式；胡国忠等[23]提出了“均衡开采”理论模型，即瓦斯涌出量与工作面割煤速度呈正比，并分析了工作面回风巷和尾巷瓦斯浓度随着工作面开采的变化规律。李宗翔等[24]提出了通过强度衰减理论中的负指数衰减函数来计算采空区瓦斯涌出强度的方法。
　　（4）基于扩散理论的瓦斯涌出数学模型。胡卫民等[25]根据紊流传质理论建立了非稳态下井巷瓦斯浓度的弥散模型，得出了瓦斯浓度的非稳态显现规律。王志亮等[26]应用扩散理论，建立出一种瓦斯涌出模型和相关计算公式，得出瓦斯涌出强度决定瓦斯涌出量大小及其动态特征变化。
　　（5）基于Matlab、回归分析法的瓦斯涌出数学模型。孟永兵等[27]得出了工作面绝对瓦斯涌出量与日产量的线性关系*线。秦跃平等[28]建立了瓦斯涌出数学模型。陈亮[29]则利用统计学分析方法编制出Matlab程序和瓦斯动态涌出数据处理模型。
　　（6）基于定积分的瓦斯涌出数学模型。桑聪等[30]根据定积分的无限性，认为煤体中的瓦斯涌出量等于该段煤体中所划分出无数微小段之间所含瓦斯之和，后经多方验证得出该方法是可行的。
　　（7）国内前期瓦斯涌出量预测方面通常采用分源预测法、地质统计法及矿山统计法[31，32]，但这些方法都没有考虑动态非线性复杂系统，存在不能及时更新静态性的缺点，所以在绝对瓦斯涌出量方面的预测结果偏差较大。后期国内学者在传统预测方法的基础上，结合统计学、物理模拟、数值分析、计算机应用等多学科交叉应用研究成果，对瓦斯涌出量预测进行了优化，优化结果中具有代表性的主要有：基于重标极差分析法（R/S分析法）的瓦斯涌出预测法、灰色系统理论的瓦斯涌出预测法、人工神经网络原理的瓦斯涌出预测法、遗传算法的瓦斯涌出预测法、蚁群算法的瓦斯涌出量预测法。国内学者根据R/S分析法，找出瓦斯涌出时间序列的分维数，结合分形特征及其时间序列的持久相关性强度预测煤与瓦斯突出危险程度，提出时间序列的分形指数能够有效表征煤矿巷道掘进时的瓦斯涌出异常[33，34]。李军文[35]将灰色系统理论应用在矿区的瓦斯分布规律研究中；徐青伟等[36]建立了灰色建模法，并建立了GM(1，1)动态预测模型；肖鹏等[37]根据不同时间段瓦斯涌出量原始数据，建立了改进的GM(1，1)动态预测模型，选择合理的误差检验模型，结果表明预测吻合度高。宿敬肖等[38]基于人工神经网络原理，通过多层前馈网络反向传播（backpropagation，BP）算法建立了煤与瓦斯突出预测预报的神经网络模型；尹光志等[39]在分源预测法的基础上，利用神经网络分别预测了回采工作面开采层、临近层和采空区的瓦斯涌出量；永智群等[40]采用径向基函数神经网络对瓦斯涌出量相关数据进行建模，提高了瓦斯涌出量的预测精度；潘玉民等[41]采用量子粒子群优化-径向基函数（quantum particle swarm optimization-radial basic function，QPSO-RBF）模型，来提高RBF神经网络预测瓦斯涌出量的泛化能力；王生全等[42]提出了一种利用遗传算法同时优化BP网络的连接权和拓扑结构模型，改进后的BP网络模型预测精度得到了有效提升。王江荣等[43]将模糊多元线性回归（fuzzy multiple

目录
第1章 概论 1
1.1 川西高原变质岩区隧道有害气体情况 1
1.2 研究现状及存在的不足 2
1.2.1 国内外有害气体预测研究现状 3
1.2.2 国内外有害气体防治研究现状 5
1.2.3 现有研究之不足 7
1.2.4 研究必要性 7
1.3 本书主要研究内容 8
参考文献 9
第2章 川西高原变质岩区区域地质概况 12
2.1 区域地理位置 12
2.2 区域地质构造特征 12
2.3 区域地层岩性特征 17
2.4 区域地震特征 19
2.5 区域水热活动情况 19
2.6 区域油气地质特征 20
2.7 本章小结 22
参考文献 23
第3章 川西高原变质岩区隧道工程有害气体类型和成因 25
3.1 隧址区有害气体现场调查与测试 25
3.1.1 现场调查及取样 25
3.1.2 现场测试 27
3.2 隧道有害气体类型 34
3.2.1 瓦斯（CH4） 34
3.2.2 二氧化碳（CO2） 34
3.2.3 硫化氢（H2S） 35
3.3 室内试验分析 35
3.4 瓦斯气体来源 58
3.5 硫化氢气体来源 62
3.6 二氧化碳气体来源 64
3.7 本章小结 65
参考文献 66
第4章 川西高原变质岩区隧道工程有害气体赋存状态和分布规律 69
4.1 隧道有害气体逸出与分布特征 69
4.1.1 鹧鸪山隧道 69
4.1.2 跃龙门隧道 74
4.1.3 米亚罗3号隧道 78
4.1.4 白马隧道 82
4.1.5 典型工程总结 87
4.2 有害气体运移气固耦合数值模拟 87
4.2.1 计算模型基本假设及参数选取 87
4.2.2 计算模型建立 88
4.2.3 模拟计算分析 89
4.3 有害气体储集和运移影响因素 101
4.3.1 区域构造的影响关系 101
4.3.2 地层岩性的影响关系 102
4.3.3 地应力的影响关系 102
4.3.4 矿产资源的影响关系 104
4.3.5 地下水的影响关系 104
4.3.6 工程类比结果 105
4.4 本章小结 106
参考文献 107
第5章 川西高原变质岩区隧道工程有害气体运聚规律与危害性评价 109
5.1 隧道有害气体运移模式 109
5.1.1 断裂对有害气体运移的作用 109
5.1.2 有害气体运移方式 111
5.2 隧道有害气体聚集条件与富集规律 111
5.2.1 地层岩性 112
5.2.2 地质构造 112
5.3 基于隧道工程的有害气体储量计算模型 114
5.4 掌子面有害气体逸出量计算模型 115
5.4.1 测试结果分析 115
5.4.2 隧道受瓦斯（CH4）危害分析 118
5.4.3 瓦斯（CH4）气体逸出量估算 119
5.5 隧道有害气体逸出速度计算模型 121
5.5.1 隧道穿越岩层情况 121
5.5.2 瓦斯逸出速度估算 121
5.6 变质岩区隧道有害气体危害评价方法和评价体系 125
5.6.1 隧道有害气体运移、富集的主控因素 125
5.6.2 隧道有害气体风险评价指标 127
5.6.3 隧道有害气体风险评价系统 129
5.6.4 隧道有害气体危害评价理论 135
5.6.5 隧道有害气体危害分级标准 136
5.7 本章小结 137
参考文献 137
第6章 川西高原变质岩区隧道工程有害气体危害作用方式和特征 139
6.1 “毒害型”有害气体作用方式和特征 141
6.2 “突出型”有害气体作用方式和特征 143
6.3 “燃爆型”有害气体作用方式和特征 145
6.4 本章小结 147
参考文献 148
第7章 川西高原变质岩区隧道工程有害气体防治对策 150
7.1 勘察设计阶段防治 150
7.2 施工阶段有害气体防治 151
7.2.1 有害气体监测与通风一体化风险管理系统 151
7.2.2 隧道“突出型”有害气体防突措施 158
7.2.3 隧道“毒害型”有害气体快速降毒技术 161
7.2.4 超前地质预报 162
7.2.5 通风措施 163
7.2.6 有害气体的封堵与排放 164
7.3 本章小结 165
参考文献 166
第8章 结论与展望 167
8.1 本书结论 167
8.2 展望 168