成简快速路龙泉山 2#高瓦斯隧道地质预报存在的问题与对策

白永生, 姚旭君

(中国水利水电第七工程局有限公司 一分局,四川彭山 620860)

1 工程概况

龙泉山 2#隧道平均长 2321.5m,最大埋深约 322m,横穿龙泉山山脉中段。左线隧道最大埋深 322m,右线隧道最大埋深约 320.6m。自隧道进口 ～中部 ～隧道出口的线 间 距 分 别 为17.218m～26.5m～13.830m。

隧道上覆土层主要为第四系全新统滑坡堆积层(Q4del)粘土,冲洪积 (Q4al+pl)粘土 、漂石土 ,坡崩积(Q4dl+c)块石质土,坡残积(Q4dl+el)粘土,下伏基岩为侏罗系上统蓬莱镇组(J3P)砂岩、泥岩,中统遂宁组(J2Sn)泥岩、泥质砂岩、砂岩、中统沙溪庙组(J2S)泥岩、砂岩。区内褶皱强烈,逆掩断层发育,上、下构造变异较大,也是区内构造特点之一。地表资料反映,龙泉山和熊坡背斜构造皆属断层之上北东向的表皮褶皱,地层深处大都变为单斜或鼻状突起。

2 区域地质分析与隧道瓦斯赋存特点

根据区域地质资料、勘查设计文件和现场路线地质踏勘成果,隧道所穿越龙泉山部分整体处于一疏缓的背斜构造中,隧道进出口两端均为岩层缓倾的单面山,节理、断层不太发育,局部富集节理密集带或发育小型断层。隧道围岩以侏罗系上统蓬莱镇组中厚层泥质砂岩、泥岩为主,地层产状稳定。而隧道下伏地层为侏罗系中统遂宁组和沙溪庙组泥岩、砂岩,属洛带气田典型生油气层,含天然气。这一地质构造格局使龙泉山二号隧道恰好处于油气层盖层构造中,沿隧道线路主体部分布设的 3处探孔均测出瓦斯存在,且局部含量较高。

针对以上情况,推测认为隧道掘进过程中可能遇到的瓦斯受节理和断层控制,因此,只要准确地探测出节理或断层的存在,再利用水平钻探结合瓦检仪,就可成功地探测瓦斯的赋存状态,从而有效地完成掌子面前方瓦斯超前预报工作,为及时采取施工措施创造必要的条件。

3 采取的对策

根据以上分析,决定综合采用 TSP超前地质预报、地质编录和水平钻探三种手段,秉持长短结合、精泛相佐的原则,对掌子面前方围岩和瓦斯情况进行准确预报。

3.1 TSP超前地质预报

(1)TSP超前地质预报原理。

TSP地质超前预报主要采用 TSP-200型地质探测仪。TSP-200采用回声测量原理,通过地震波在不同地质体中和地质界面上产生的反射波特性预报前方的地质状况。

TSP-200系统主要由以下三部分组成:

①记录单元:12道,24位 A/D转换,采样间隔62.5μs和 125μs,最大记录长度为 1808.5ms,记录带宽 8000Hz和 4000Hz,动态范围 120dB。

②接收器(检波器):三分量加速度地震检波器,灵敏度为 1000mV/g±5%,频率范围为 0.5～5000Hz,共 振 频 率 9000Hz,横 向 灵 敏 度＞1%,操作温度为 0℃～65℃。

③TSPwin软件:数据采集和处理集于一体,高度智能化。

地震波在设计的震源点(通常在隧道的左或右边墙,大约 24个炮点)用小量炸药激发产生。地震波在岩石中以球面波形式传播。当地震波遇到岩石物性界面(即波阻抗差异界面,如断层岩石破碎带和岩性变化等)时,一部分地震信号反射回来,另一部分信号透射进入前方介质(图 1),反射的地震信号将被高灵敏度的地震检波器接收,反射信号的传播时间与反射界面的距离成正比,故能提供一种直接的测量,用以计算不良地质体界面的距离。探测数据由 TSPwin软件进行计算处理,由专业的地质预报人员进行解译。

图 1 TSP探测原理示意图

(2)地质预报的具体做法。

TSP超前地质预报由外业工作和内业整理两部分组成。

外业工作包括在施工现场布设炮孔、安装接收器,设置仪器采集参数、激发震源同时收集并记录数据。炮孔的布设如图 2所示。在隧道一侧边墙连续布设 24个炮孔和一个接收器,其具体位置、倾角见表 1。

图 2 观测系统平面示意图

数据采集时,采用 X-Y-Z三分量同时接收,设定采样间隔和记录长度。激发地震波时,采用无延时瞬发电雷管,防水乳化炸药,药量为 50～100g左右。

表 1 炮孔与接收器孔布设参数表

3.2 地质素描法

(1)原 理。

由专业地质人员对隧道的工程地质、水文地质特征进行详细的编录并绘制地质素描图,每个循环根据掌子面的地质特征,结合勘察设计地质资料,对掌子面前方的地质情况进行预测,绘制地质纵断面展开图并提出工程措施。

(2)方 法。

对洞壁岩体主要结构面(断层、层理及节理、裂隙等)进行定性及定量统计量测,查明主要结构面的产状、性质、延伸长度、张开宽度、粗糙程度、蚀变情况、密度、地下水及充填情况等,分析优势结构面对围岩稳定性的影响。

对岩体受构造影响程度、节理发育程度、岩体完整程度、富水程度及围岩稳定状态等进行详细编录,据此对围岩级别及其他地质参数进行修正,提出有针对性的支护、衬砌或超前加固措施。

对重点地段,如断带、节理密集带、岩性接触带、地下水富集带、岩性变化频繁或软硬相间及掌子面地质情况与地面测绘出入较大的重点地段进行核对和详细的调查与分析评价。

3.3 超前水平钻探

地质探孔预报仅指短距离超前水平钻探,是目前各种超前地质预报方法中最简单、最有效的一种预报方法。采用水平地质钻机在开挖面钻 1～3个孔(探孔深 15m,一般地质地段超前地质钻孔 1个,水量较大、砂层和风化深槽地段 3个),分别位于拱顶和拱腰部位。超前探孔直径为 89mm,终孔位于隧道开挖轮廓线外 1.5～3.0 m。探孔的主要目的是探明掌子面前方断层、褶皱构造的性质、宽度、产状及可能的瓦斯赋存情况,如瓦斯压力、瓦斯浓度等和地下水含水情况。

4 效果评价

截至 2010年 2月 5日,龙泉山 2#隧道总共实施 TSP地质预报 15次,揭露节理密集带进口 20处、出口 12处。以上节理的存在均得到地质编录的证实。

瓦斯出露段的开挖证明:所预报的节理密集带均有瓦斯溢出。

5 结 语

根据龙泉山 2#高瓦斯隧道地质预报的成功实施,可以得出以下结论:

(1)隧道的地质预报必须以区域地质分析为根本,在充分掌握场区区域地质和构造信息的基础上分析致灾机理,找出控灾的主要矛盾,从而做到有的放矢;

(2)精确的地质分析也为TSP隧道物理探测奠定了坚实的基础,为消除解译结果的多解性提供了可能;

(3)严格现场操作,规范探测与钻探施工;

(4)地质与物探相结合、宏观与微观相佐证,步步为营、稳扎稳打,是成功探测瓦斯的关键。