我国的大型盆地内蕴藏了丰富的天然气资源,是国民经济建设中的重要能源财富。由于其理化性质中的毒性与易爆等特点,对于铁路工程而言就是有害气体,当以隧道工程通过时,有害气体上逸至隧道内,给工程建设及运营带来巨大的安全风险。进入新世纪以来,高速铁路隧道工程建设数量的剧增,有害气体隧道在建过程中也发生了较多的中毒窒息、气体燃烧、爆炸或突出的灾害事故,造成了重大人员伤亡和财产损失。由于铁路隧道工程对有害气体不良地质的研究起步较晚,近些年来对于煤系瓦斯隧道相关研究逐渐增多,但对于油型天然气及其它有害气体研究偏少,目前有关有害气体的铁路减灾选线、隧道有害气体评价、防灾治理措施等缺乏系统的研究。同时,由于高速铁路工程具有平面线形标准高、区间定线灵活性弱的特点,很多情况下线路无法绕避的有害气体区,如何认识、评价隧道工程的风险也成为了重点和关键。因此,研究高速铁路有害气体区减灾选线的原则和方法并建立可靠的有害气体隧道风险评价体系,科学减灾选线及风险评价,有针对性地制定风险预防控制及处治技术措施,实现减灾防灾目标,具有十分重要的意义。本文通过既有区域地质资料的收集,成贵高铁勘察、施工过程的系列成果,总结了四川盆地南缘地质环境背景及区内地下有害气体类型及气体成生特征规律;基于成贵高铁工程地质及有害气体特征,探究了线路区有害气体分布规律;在充分认识有害气体灾害特点并结合其成因机理基础上,构建了有害气体区高速铁路选线定性评价体系,提出选线指导原则,并实例验证;针对有害气体区高速铁路选线无法绕避的情况,构建有害气体隧道风险评价体系;结合隧道风险评估,提出了有害气体隧道防灾治理措施。取得了以下主要成果和结论:(1)通过对四川盆地南缘区域地层岩性和地质构造特征进行分析表明,盆地南缘区域地质环境复杂,工程地质问题突出,地下有害气体不良地质发育,有害气体以油型天然气为主,具有气田(藏)分布广泛且数量多的特点。研究区内油型天然气主要烃源岩地层时代为震旦系、寒武系、二叠统、三叠统,烃源岩成熟度普遍较高,生气烃源条件较好,储集层圈闭类型主要以背斜构造圈闭为主。区内油型气有害气体借助于断层、裂缝、微裂隙扩散至浅表地层富集形成气囊,从而对区内隧道工程建设的安全造成威胁。(2)基于成贵高铁四川盆地南缘段(乐山至兴文)地形地貌及地质等特征,综合将盆地南缘段线路区域划分为三个工程地质区:冲积平原区、川南丘陵区和黔北低中山区。结合隧道与油气构造、油气储层,岩石与油气显示、油气与风化壳等关系,分析得出了线路区天然气具有两大规律:一是气体主要富集于背斜型圈闭构造区内,气体储集、运移、圈闭、保存受构造控制作用十分显著;二是距离圈闭构造核心区越近,气体浓度越高;埋深越大,气体浓度也越高,相反则气体浓度越低。(3)在充分总结了有害气体灾害特点基础上,针对高速铁路选线要求及特点,结合有害气体灾害发生成因机理,运用灾害学、瓦斯地质学、铁道工程学及工程地质学等基础理论,提出了有害气体致灾成因分类并建立有害气体致灾因子与高速铁路选线的关系,构建了控制高速铁路选线的有害气体致灾因子体系。制定了有害气体地区高速铁路选线应遵循“绕避(极)高风险有害气体聚集区,选择低风险的安全通道或位置,采用合理工程形式或措施”的指导方针,总结提出了“先绕避、短通过、小埋深、短隧群、抬标高、重决策”十八字选线指导原则。(4)按照风险决策构建思路,通过大量工程施工过程可能遇到的问题,结合笔者自身经验,提出了有害气体隧道风险评价体系构建的四项原则,为使评价指标具备可实行性,针对指标选取提出四项原则。根据有害气体隧道工程设置、地质条件及人为影响三个方面将评价指标分为区域含气量、线路距离储层高差、裂隙率、孔隙度、断层封闭系数、盖层厚度、褶皱翼部倾角、水力运移逸散、水力封闭强度、水力封堵类型及勘察质量,共11项指标。(5)以成贵高铁工程大量勘察样本数据为基础,基于有害气体在圈闭构造中的赋存、运移及逸散规律等,推导出了有害气体逸散度计算公式。通过专家打分法和数值分析法对评价指标进行取值范围的厘定,并对应划分为四个风险等级:等级Ⅰ为低风险,等级Ⅱ为中等风险,等级Ⅲ为高风险,等级Ⅳ为极高风险。(6)通过AHP主观赋权法、变异系数客观赋权法、博弈论集结模型对指标权重计算分配,再结合联系云模型计算得到各等级隶属度值,最终计算得到有害气体隧道风险概率值。选取成贵高铁四川盆地南缘段的石柱山、南厂沟和兴隆坪三座有害气体隧道为案例对象进行风险评价验证,最终评价石柱山隧道和兴隆坪隧道具有高风险性,南厂沟隧道具中等风险性,评价结果与实际相符。(7)根据有害气体隧道在建设阶段及运营阶段的安全措施要求,将防灾治理措施划分为施工处置措施和工程结构防治措施两大类。结合成贵高铁兴隆坪隧道的有害气体发育特征及工程地质情况,运用数值分析方法对该隧道在压入式通风条件下隧道内风场、瓦斯浓度分布及其运动规律进行模拟分析,结果表明:在压入式通风条件下,隧道内还存在部分区域瓦斯浓度值偏高的情况。为使整个隧道瓦斯浓度值保持在允许范围内,在设计中需增设通风竖井并配合局部风扇作为补充措施,以确保施工安全。