成簡快速路龍泉山 2#高瓦斯隧道地質(zhì)預(yù)報存在的問題與對策

白永生, 姚旭君

(中國水利水電第七工程局有限公司 一分局,四川彭山 620860)

1 工程概況

龍泉山 2#隧道平均長 2321.5m,最大埋深約 322m,橫穿龍泉山山脈中段。左線隧道最大埋深 322m,右線隧道最大埋深約 320.6m。自隧道進(jìn)口 ～中部 ～隧道出口的線 間 距 分 別 為17.218m～26.5m～13.830m。

隧道上覆土層主要為第四系全新統(tǒng)滑坡堆積層(Q4del)粘土,沖洪積 (Q4al+pl)粘土 、漂石土 ,坡崩積(Q4dl+c)塊石質(zhì)土,坡殘積(Q4dl+el)粘土,下伏基巖為侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(J3P)砂巖、泥巖,中統(tǒng)遂寧組(J2Sn)泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖、中統(tǒng)沙溪廟組(J2S)泥巖、砂巖。區(qū)內(nèi)褶皺強烈,逆掩斷層發(fā)育,上、下構(gòu)造變異較大,也是區(qū)內(nèi)構(gòu)造特點之一。地表資料反映,龍泉山和熊坡背斜構(gòu)造皆屬斷層之上北東向的表皮褶皺,地層深處大都變?yōu)閱涡被虮菭钔黄稹?/p>

2 區(qū)域地質(zhì)分析與隧道瓦斯賦存特點

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料、勘查設(shè)計文件和現(xiàn)場路線地質(zhì)踏勘成果,隧道所穿越龍泉山部分整體處于一疏緩的背斜構(gòu)造中,隧道進(jìn)出口兩端均為巖層緩傾的單面山,節(jié)理、斷層不太發(fā)育,局部富集節(jié)理密集帶或發(fā)育小型斷層。隧道圍巖以侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組中厚層泥質(zhì)砂巖、泥巖為主,地層產(chǎn)狀穩(wěn)定。而隧道下伏地層為侏羅系中統(tǒng)遂寧組和沙溪廟組泥巖、砂巖,屬洛帶氣田典型生油氣層,含天然氣。這一地質(zhì)構(gòu)造格局使龍泉山二號隧道恰好處于油氣層蓋層構(gòu)造中,沿隧道線路主體部分布設(shè)的 3處探孔均測出瓦斯存在,且局部含量較高。

針對以上情況,推測認(rèn)為隧道掘進(jìn)過程中可能遇到的瓦斯受節(jié)理和斷層控制,因此,只要準(zhǔn)確地探測出節(jié)理或斷層的存在,再利用水平鉆探結(jié)合瓦檢儀,就可成功地探測瓦斯的賦存狀態(tài),從而有效地完成掌子面前方瓦斯超前預(yù)報工作,為及時采取施工措施創(chuàng)造必要的條件。

3 采取的對策

根據(jù)以上分析,決定綜合采用 TSP超前地質(zhì)預(yù)報、地質(zhì)編錄和水平鉆探三種手段,秉持長短結(jié)合、精泛相佐的原則,對掌子面前方圍巖和瓦斯情況進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報。

3.1 TSP超前地質(zhì)預(yù)報

(1)TSP超前地質(zhì)預(yù)報原理。

TSP地質(zhì)超前預(yù)報主要采用 TSP-200型地質(zhì)探測儀。TSP-200采用回聲測量原理,通過地震波在不同地質(zhì)體中和地質(zhì)界面上產(chǎn)生的反射波特性預(yù)報前方的地質(zhì)狀況。

TSP-200系統(tǒng)主要由以下三部分組成:

①記錄單元:12道,24位 A/D轉(zhuǎn)換,采樣間隔62.5μs和 125μs,最大記錄長度為 1808.5ms,記錄帶寬 8000Hz和 4000Hz,動態(tài)范圍 120dB。

②接收器(檢波器):三分量加速度地震檢波器,靈敏度為 1000mV/g±5%,頻率范圍為 0.5～5000Hz,共 振 頻 率 9000Hz,橫 向 靈 敏 度＞1%,操作溫度為 0℃～65℃。

③TSPwin軟件:數(shù)據(jù)采集和處理集于一體,高度智能化。

地震波在設(shè)計的震源點(通常在隧道的左或右邊墻,大約 24個炮點)用小量炸藥激發(fā)產(chǎn)生。地震波在巖石中以球面波形式傳播。當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ龅綆r石物性界面(即波阻抗差異界面,如斷層巖石破碎帶和巖性變化等)時,一部分地震信號反射回來,另一部分信號透射進(jìn)入前方介質(zhì)(圖 1),反射的地震信號將被高靈敏度的地震檢波器接收,反射信號的傳播時間與反射界面的距離成正比,故能提供一種直接的測量,用以計算不良地質(zhì)體界面的距離。探測數(shù)據(jù)由 TSPwin軟件進(jìn)行計算處理,由專業(yè)的地質(zhì)預(yù)報人員進(jìn)行解譯。

圖 1 TSP探測原理示意圖

(2)地質(zhì)預(yù)報的具體做法。

TSP超前地質(zhì)預(yù)報由外業(yè)工作和內(nèi)業(yè)整理兩部分組成。

外業(yè)工作包括在施工現(xiàn)場布設(shè)炮孔、安裝接收器,設(shè)置儀器采集參數(shù)、激發(fā)震源同時收集并記錄數(shù)據(jù)。炮孔的布設(shè)如圖 2所示。在隧道一側(cè)邊墻連續(xù)布設(shè) 24個炮孔和一個接收器,其具體位置、傾角見表 1。

圖 2 觀測系統(tǒng)平面示意圖

數(shù)據(jù)采集時,采用 X-Y-Z三分量同時接收,設(shè)定采樣間隔和記錄長度。激發(fā)地震波時,采用無延時瞬發(fā)電雷管,防水乳化炸藥,藥量為 50～100g左右。

表 1 炮孔與接收器孔布設(shè)參數(shù)表

3.2 地質(zhì)素描法

(1)原 理。

由專業(yè)地質(zhì)人員對隧道的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)特征進(jìn)行詳細(xì)的編錄并繪制地質(zhì)素描圖,每個循環(huán)根據(jù)掌子面的地質(zhì)特征,結(jié)合勘察設(shè)計地質(zhì)資料,對掌子面前方的地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)測,繪制地質(zhì)縱斷面展開圖并提出工程措施。

(2)方 法。

對洞壁巖體主要結(jié)構(gòu)面(斷層、層理及節(jié)理、裂隙等)進(jìn)行定性及定量統(tǒng)計量測,查明主要結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、性質(zhì)、延伸長度、張開寬度、粗糙程度、蝕變情況、密度、地下水及充填情況等,分析優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面對圍巖穩(wěn)定性的影響。

對巖體受構(gòu)造影響程度、節(jié)理發(fā)育程度、巖體完整程度、富水程度及圍巖穩(wěn)定狀態(tài)等進(jìn)行詳細(xì)編錄,據(jù)此對圍巖級別及其他地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行修正,提出有針對性的支護(hù)、襯砌或超前加固措施。

對重點地段,如斷帶、節(jié)理密集帶、巖性接觸帶、地下水富集帶、巖性變化頻繁或軟硬相間及掌子面地質(zhì)情況與地面測繪出入較大的重點地段進(jìn)行核對和詳細(xì)的調(diào)查與分析評價。

3.3 超前水平鉆探

地質(zhì)探孔預(yù)報僅指短距離超前水平鉆探,是目前各種超前地質(zhì)預(yù)報方法中最簡單、最有效的一種預(yù)報方法。采用水平地質(zhì)鉆機(jī)在開挖面鉆 1～3個孔(探孔深 15m,一般地質(zhì)地段超前地質(zhì)鉆孔 1個,水量較大、砂層和風(fēng)化深槽地段 3個),分別位于拱頂和拱腰部位。超前探孔直徑為 89mm,終孔位于隧道開挖輪廓線外 1.5～3.0 m。探孔的主要目的是探明掌子面前方斷層、褶皺構(gòu)造的性質(zhì)、寬度、產(chǎn)狀及可能的瓦斯賦存情況,如瓦斯壓力、瓦斯?jié)舛鹊群偷叵滤闆r。

4 效果評價

截至 2010年 2月 5日,龍泉山 2#隧道總共實施 TSP地質(zhì)預(yù)報 15次,揭露節(jié)理密集帶進(jìn)口 20處、出口 12處。以上節(jié)理的存在均得到地質(zhì)編錄的證實。

瓦斯出露段的開挖證明:所預(yù)報的節(jié)理密集帶均有瓦斯溢出。

5 結(jié) 語

根據(jù)龍泉山 2#高瓦斯隧道地質(zhì)預(yù)報的成功實施,可以得出以下結(jié)論:

(1)隧道的地質(zhì)預(yù)報必須以區(qū)域地質(zhì)分析為根本,在充分掌握場區(qū)區(qū)域地質(zhì)和構(gòu)造信息的基礎(chǔ)上分析致災(zāi)機(jī)理,找出控災(zāi)的主要矛盾,從而做到有的放矢;

(2)精確的地質(zhì)分析也為TSP隧道物理探測奠定了堅實的基礎(chǔ),為消除解譯結(jié)果的多解性提供了可能;

(3)嚴(yán)格現(xiàn)場操作,規(guī)范探測與鉆探施工;

(4)地質(zhì)與物探相結(jié)合、宏觀與微觀相佐證,步步為營、穩(wěn)扎穩(wěn)打,是成功探測瓦斯的關(guān)鍵。