瓦斯地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)在丹景2號隧道中的應(yīng)用

周升平 陳思甜

(重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶 400074)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，我國的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也處于飛速的發(fā)展中，隧道工程數(shù)量越來越多，規(guī)模也越來越大.但由于地質(zhì)情況的復(fù)雜性，加上相關(guān)技術(shù)手段與人們認(rèn)識(shí)水平等方面的制約，即使投入較大的勘探經(jīng)費(fèi)也難以完全解決在隧道工程施工中可能出現(xiàn)的各種地質(zhì)問題，如斷層破碎帶、涌水、塌方、瓦斯爆炸及大變形等.這些災(zāi)害一旦出現(xiàn)，就會(huì)影響施工進(jìn)度，增加施工風(fēng)險(xiǎn)和成本，甚至威脅施工人員的生命安全，且事故發(fā)生后處理難度較大，因此會(huì)給隧道施工帶來十分嚴(yán)重的影響.為了盡量減少和避免隧道施工過程中可能出現(xiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，除了要做好地質(zhì)勘察外，還應(yīng)采用工程地質(zhì)分析法和物探法相結(jié)合的方式，對隧道掌子面前方的各類地質(zhì)條件進(jìn)行及時(shí)和準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)，以防止施工中的突發(fā)性災(zāi)難，從而達(dá)到保證施工工期和質(zhì)量，以及保障施工人員生命安全的目的[1－3].

1 工程概況

丹景2號隧道是成都第二繞城高速公路東段項(xiàng)目中的一個(gè)控制性工程.該隧道左洞長為3371 m，右洞長為3404 m，隧道最大埋深約為365 m.圍巖級別為IV級、V級，高瓦斯隧道，單洞按三車道隧道設(shè)計(jì).

丹景2號隧道隧址區(qū)位于新華夏系四川沉降帶四川盆地西部，成都斷陷東緣的龍泉山褶皺帶，以龍泉山大背斜為骨干，穿越龍泉山南段之丹景山，屬構(gòu)造侵蝕剝蝕低山丘陵地貌，區(qū)內(nèi)溝谷縱橫，山巒起伏，地形切割較強(qiáng)烈.受巖性和構(gòu)造控制，隧道進(jìn)出口斜坡呈陡緩相間的階梯狀，平均坡度為20°～25°，在厚層砂巖處則形成陡崖或陡坡.隧址區(qū)內(nèi)出露地層主要有第四系全新統(tǒng)崩坡積層、洪積層、侏羅系上統(tǒng)遂寧組(J 3 s)、侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J 2 s).隧道穿越的主要地層為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(J 2 s)，由細(xì)砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖互層組成.根據(jù)前期的地質(zhì)勘察及天然氣專項(xiàng)勘察資料顯示，該隧道的地質(zhì)情況比較復(fù)雜，圍巖等級較低.隧址區(qū)處于龍泉山天然氣溢出帶，在隧道進(jìn)口端見天然氣氣苗1處，隧址區(qū)鉆遇砂體儲(chǔ)集性能較差，具有明顯特低滲致密砂巖儲(chǔ)層特征，但在低孔低滲背景下，局部發(fā)育孔滲好的儲(chǔ)集砂體.淺表裂縫若與斷層連通可作為氣源通道，將天然氣運(yùn)聚到儲(chǔ)集砂體中形成小規(guī)模氣包.在對該隧道進(jìn)行地質(zhì)詳堪鉆孔時(shí)，出現(xiàn)了頂鉆動(dòng)力及天然氣突出現(xiàn)象，被評定為高瓦斯隧道，因此，該隧道在施工過程中存在塌方、瓦斯突出、圍巖變形等地質(zhì)災(zāi)害的可能性.

2 瓦斯地質(zhì)預(yù)報(bào)

為減少瓦斯災(zāi)害和地質(zhì)災(zāi)害的出現(xiàn)，在丹景2號隧道開挖過程中，主要運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)探測、超前鉆探以及瓦斯?jié)舛葯z測等手段，開展瓦斯地質(zhì)超前預(yù)測預(yù)報(bào)研究，從而保障隧道施工的安全進(jìn)行.以該隧道進(jìn)口端左洞ZK 102+413斷面為例，闡述上述預(yù)報(bào)方法的實(shí)際應(yīng)用情況.該斷面以紅色泥質(zhì)頁巖為主，存在砂巖薄層，節(jié)理、風(fēng)化裂隙發(fā)育，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，巖體結(jié)合較差，巖體受構(gòu)造影響較大，產(chǎn)狀極不明顯，巖體穩(wěn)定性較差，圍巖等級為Ⅳ級.

2.1 地質(zhì)雷達(dá)探測

當(dāng)?shù)刭|(zhì)雷達(dá)工作時(shí)，向被勘測介質(zhì)發(fā)射無線電磁波，對地下介質(zhì)進(jìn)行掃描，當(dāng)電磁波遇到不同介質(zhì)的分界面時(shí)將產(chǎn)生反射或散射.由于各種介質(zhì)的電導(dǎo)率和介電常數(shù)不同，會(huì)影響到電磁波的探測深度和傳播速度.通過探測獲得地質(zhì)雷達(dá)探測圖像后，對其進(jìn)行解析，即可確定各介質(zhì)的形態(tài)或位置并且預(yù)測掌子面前方的地質(zhì)和水文情況，判斷有無空洞、水及質(zhì)量缺陷等[4－5].

本研究中采用美國休斯敦大學(xué)研發(fā)的SSL無線便攜式地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行探測，天線中心頻率為100 MHz，根據(jù)現(xiàn)場的工作條件和巖性特征，其探測距離一般為20 m～30 m，地質(zhì)雷達(dá)工作時(shí)采用點(diǎn)測模式采集信號.在ZK 102+413掌子面橫向探測一條水平線，測線距離上臺(tái)階地面約1 m，寬度約16 m，通過現(xiàn)場探測并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，得探測圖像如圖1所示.

圖1 ZK 102+413掌子面地質(zhì)雷達(dá)探測圖像

對地質(zhì)雷達(dá)探測圖像進(jìn)行分析，距掌子面3 m～6 m，13 m～16 m范圍內(nèi)(即 ZK 102+416～419，ZK 102+426～429區(qū)段)，雷達(dá)電磁波反射較強(qiáng)，巖石比較松軟，同向軸較為連續(xù)但局部錯(cuò)段，裂隙較發(fā)育，整體性較差，雖無明顯氣包，但有瓦斯積聚的可能性;其余部位雷達(dá)電磁波反射較弱，巖石相對較密實(shí).總體而言，圍巖呈松散狀態(tài)，局部區(qū)段裂隙較發(fā)育，巖體結(jié)合較差，需加強(qiáng)瓦斯排放.

2.2 超前鉆孔探測

超前鉆孔的主要目的是探測掌子面前方的巖性、斷層、褶皺和地下含水等地質(zhì)狀況，還可通過鉆孔對孔內(nèi)瓦斯?jié)舛?、流量、壓力進(jìn)行檢測，以判斷可能的瓦斯賦存情況[6].本隧道選用不取芯鉆探法，采用煤礦用防爆型液壓鉆機(jī)進(jìn)行鉆探，鉆頭直徑為110 mm，超前鉆孔布設(shè)4個(gè)，孔4為向下傾斜鉆孔，終點(diǎn)接近隧道開挖底部，其余孔均為水平鉆孔，前后兩循環(huán)鉆孔搭接長度為5 m，其布置方案如圖2所示.

圖2 超前鉆孔布置

對ZK 102+413掌子面進(jìn)行超前鉆探，鉆孔深度為60 m，通過對鉆探速度變化和鉆孔沖洗液的觀測分析，前方巖體主要由紅色泥質(zhì)頁巖和灰色透鏡狀砂巖組成，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，穩(wěn)定性完整性較差，無水體富集;在鉆孔過程中，沒出現(xiàn)卡鉆、頂鉆現(xiàn)象，但在探孔周邊檢測出瓦斯的存在，瓦斯?jié)舛容^小，2#孔鉆探完畢在退鉆過程中存在氣流涌出現(xiàn)象，應(yīng)加強(qiáng)瓦斯檢測.超前鉆探分析結(jié)果與地質(zhì)雷達(dá)探測結(jié)果相仿，兩者互為印證.

2.3 探孔瓦斯檢測

由于本隧道為高瓦斯隧道，瓦斯賦存不集中，不利于準(zhǔn)確探測瓦斯集中區(qū)域.因此，全隧道進(jìn)行超前鉆孔對前方瓦斯進(jìn)行預(yù)測.鉆孔完畢后，由專業(yè)瓦斯檢測員對探孔內(nèi)瓦斯?jié)舛?、壓力及流量進(jìn)行測量，檢測儀器分別采用光干涉甲烷檢測儀、膜盒壓力表和玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì).在每個(gè)探孔鉆探結(jié)束后，即由瓦檢員插入一根長3 m、直徑2 cm的薄壁鋼管，并封堵孔口管周，對孔內(nèi)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行測量，之后接上壓力表和流量計(jì)，測出瓦斯壓力值和流量值.

在ZK 102+413掌子面處各個(gè)探孔所測得的瓦斯?jié)舛?、壓力及流量值見?.

表1 ZK 102+413掌子面探孔瓦斯檢測記錄

檢測結(jié)果顯示，除3#孔外，其余孔內(nèi)瓦斯?jié)舛染?另外，2#孔內(nèi)存在瓦斯壓力和瓦斯流量，但數(shù)值較小.由表中數(shù)據(jù)及超前鉆探情況可判斷，不存在瓦斯突出的可能性，但瓦斯?jié)舛雀?，需加?qiáng)觀測，還應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)以稀釋瓦斯，達(dá)到降低其濃度的目的.

經(jīng)過持續(xù)觀察檢測，該斷面1#，4#孔內(nèi)瓦斯?jié)舛认陆递^快，但2#孔內(nèi)瓦斯?jié)舛热院芨?，測得結(jié)果見如表2.

表2 2#孔瓦斯檢測記錄

對2#孔的瓦斯檢測表明，孔內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸掷m(xù)保持在10%以上，沒有下降趨勢，瓦斯壓力和流量均呈上升趨勢.結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)探測和超前鉆探結(jié)果，該斷面前方巖體局部節(jié)理裂隙較發(fā)育，且在退鉆時(shí)產(chǎn)生了氣流涌出現(xiàn)象，故前方可能存在瓦斯聚集.因此，建議在2#孔周邊增設(shè)2個(gè)瓦斯排放孔，同時(shí)增大洞內(nèi)通風(fēng)量，以保證瓦斯及時(shí)稀釋排放.在2#孔兩側(cè)的新增排放孔鉆探完后，瓦斯得到了更快的排放，通過檢測，2#孔內(nèi)的瓦斯?jié)舛纫惭杆俳档?，從而避免了瓦斯?zāi)害的發(fā)生.

上述地質(zhì)雷達(dá)探測、超前鉆孔探測及探孔瓦斯檢測等方法，均應(yīng)用于丹景2號隧道的整個(gè)開挖過程中，對隧道掌子面前方的巖體地質(zhì)狀況、瓦斯賦存情況進(jìn)行了預(yù)測預(yù)報(bào)，取得了很好的預(yù)報(bào)效果，到目前為止，沒有發(fā)生突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害及瓦斯災(zāi)害，有效地保證了隧道施工的安全.

3 結(jié)語

(1)隧道作為交通生命線，需要穿山越嶺，但由于地下地質(zhì)條件的復(fù)雜性，給施工帶來很多困難，對施工安全造成嚴(yán)重影響，因此，對掌子面前方的瓦斯地質(zhì)狀況進(jìn)行超前預(yù)報(bào)是非常重要的;

(2)對于分散型小氣包天然氣瓦斯隧道，瓦斯賦存不均勻、不集中，需要加強(qiáng)掌子面及探孔內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊臋z測，并根據(jù)濃度變化情況，及時(shí)研究調(diào)整通風(fēng)方案，建立合理的瓦斯防治措施和施工措施;

(3)地質(zhì)雷達(dá)探測、超前鉆孔探測、探孔瓦斯檢測等超前預(yù)測預(yù)報(bào)方法在丹景2號隧道施工過程中的成功運(yùn)用，及時(shí)有效地保證了隧道施工的安全，對類似工程有一定的借鑒作用.

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