瓦斯地质预报技术在丹景2号隧道中的应用

周升平 陈思甜

(重庆交通大学土木建筑学院，重庆 400074)

0 引言

随着国民经济水平的不断提高，我国的交通基础设施建设也处于飞速的发展中，隧道工程数量越来越多，规模也越来越大.但由于地质情况的复杂性，加上相关技术手段与人们认识水平等方面的制约，即使投入较大的勘探经费也难以完全解决在隧道工程施工中可能出现的各种地质问题，如断层破碎带、涌水、塌方、瓦斯爆炸及大变形等.这些灾害一旦出现，就会影响施工进度，增加施工风险和成本，甚至威胁施工人员的生命安全，且事故发生后处理难度较大，因此会给隧道施工带来十分严重的影响.为了尽量减少和避免隧道施工过程中可能出现的地质灾害，除了要做好地质勘察外，还应采用工程地质分析法和物探法相结合的方式，对隧道掌子面前方的各类地质条件进行及时和准确地预报，以防止施工中的突发性灾难，从而达到保证施工工期和质量，以及保障施工人员生命安全的目的[1－3].

1 工程概况

丹景2号隧道是成都第二绕城高速公路东段项目中的一个控制性工程.该隧道左洞长为3371 m，右洞长为3404 m，隧道最大埋深约为365 m.围岩级别为IV级、V级，高瓦斯隧道，单洞按三车道隧道设计.

丹景2号隧道隧址区位于新华夏系四川沉降带四川盆地西部，成都断陷东缘的龙泉山褶皱带，以龙泉山大背斜为骨干，穿越龙泉山南段之丹景山，属构造侵蚀剥蚀低山丘陵地貌，区内沟谷纵横，山峦起伏，地形切割较强烈.受岩性和构造控制，隧道进出口斜坡呈陡缓相间的阶梯状，平均坡度为20°～25°，在厚层砂岩处则形成陡崖或陡坡.隧址区内出露地层主要有第四系全新统崩坡积层、洪积层、侏罗系上统遂宁组(J 3 s)、侏罗系中统沙溪庙组(J 2 s).隧道穿越的主要地层为侏罗系中统沙溪庙组(J 2 s)，由细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩互层组成.根据前期的地质勘察及天然气专项勘察资料显示，该隧道的地质情况比较复杂，围岩等级较低.隧址区处于龙泉山天然气溢出带，在隧道进口端见天然气气苗1处，隧址区钻遇砂体储集性能较差，具有明显特低渗致密砂岩储层特征，但在低孔低渗背景下，局部发育孔渗好的储集砂体.浅表裂缝若与断层连通可作为气源通道，将天然气运聚到储集砂体中形成小规模气包.在对该隧道进行地质详堪钻孔时，出现了顶钻动力及天然气突出现象，被评定为高瓦斯隧道，因此，该隧道在施工过程中存在塌方、瓦斯突出、围岩变形等地质灾害的可能性.

2 瓦斯地质预报

为减少瓦斯灾害和地质灾害的出现，在丹景2号隧道开挖过程中，主要运用地质雷达探测、超前钻探以及瓦斯浓度检测等手段，开展瓦斯地质超前预测预报研究，从而保障隧道施工的安全进行.以该隧道进口端左洞ZK 102+413断面为例，阐述上述预报方法的实际应用情况.该断面以红色泥质页岩为主，存在砂岩薄层，节理、风化裂隙发育，细粒结构，岩体结合较差，岩体受构造影响较大，产状极不明显，岩体稳定性较差，围岩等级为Ⅳ级.

2.1 地质雷达探测

当地质雷达工作时，向被勘测介质发射无线电磁波，对地下介质进行扫描，当电磁波遇到不同介质的分界面时将产生反射或散射.由于各种介质的电导率和介电常数不同，会影响到电磁波的探测深度和传播速度.通过探测获得地质雷达探测图像后，对其进行解析，即可确定各介质的形态或位置并且预测掌子面前方的地质和水文情况，判断有无空洞、水及质量缺陷等[4－5].

本研究中采用美国休斯敦大学研发的SSL无线便携式地质雷达进行探测，天线中心频率为100 MHz，根据现场的工作条件和岩性特征，其探测距离一般为20 m～30 m，地质雷达工作时采用点测模式采集信号.在ZK 102+413掌子面横向探测一条水平线，测线距离上台阶地面约1 m，宽度约16 m，通过现场探测并进行数据处理后，得探测图像如图1所示.

图1 ZK 102+413掌子面地质雷达探测图像

对地质雷达探测图像进行分析，距掌子面3 m～6 m，13 m～16 m范围内(即 ZK 102+416～419，ZK 102+426～429区段)，雷达电磁波反射较强，岩石比较松软，同向轴较为连续但局部错段，裂隙较发育，整体性较差，虽无明显气包，但有瓦斯积聚的可能性;其余部位雷达电磁波反射较弱，岩石相对较密实.总体而言，围岩呈松散状态，局部区段裂隙较发育，岩体结合较差，需加强瓦斯排放.

2.2 超前钻孔探测

超前钻孔的主要目的是探测掌子面前方的岩性、断层、褶皱和地下含水等地质状况，还可通过钻孔对孔内瓦斯浓度、流量、压力进行检测，以判断可能的瓦斯赋存情况[6].本隧道选用不取芯钻探法，采用煤矿用防爆型液压钻机进行钻探，钻头直径为110 mm，超前钻孔布设4个，孔4为向下倾斜钻孔，终点接近隧道开挖底部，其余孔均为水平钻孔，前后两循环钻孔搭接长度为5 m，其布置方案如图2所示.

图2 超前钻孔布置

对ZK 102+413掌子面进行超前钻探，钻孔深度为60 m，通过对钻探速度变化和钻孔冲洗液的观测分析，前方岩体主要由红色泥质页岩和灰色透镜状砂岩组成，节理裂隙较发育，岩体较破碎，稳定性完整性较差，无水体富集;在钻孔过程中，没出现卡钻、顶钻现象，但在探孔周边检测出瓦斯的存在，瓦斯浓度较小，2#孔钻探完毕在退钻过程中存在气流涌出现象，应加强瓦斯检测.超前钻探分析结果与地质雷达探测结果相仿，两者互为印证.

2.3 探孔瓦斯检测

由于本隧道为高瓦斯隧道，瓦斯赋存不集中，不利于准确探测瓦斯集中区域.因此，全隧道进行超前钻孔对前方瓦斯进行预测.钻孔完毕后，由专业瓦斯检测员对探孔内瓦斯浓度、压力及流量进行测量，检测仪器分别采用光干涉甲烷检测仪、膜盒压力表和玻璃转子流量计.在每个探孔钻探结束后，即由瓦检员插入一根长3 m、直径2 cm的薄壁钢管，并封堵孔口管周，对孔内瓦斯浓度进行测量，之后接上压力表和流量计，测出瓦斯压力值和流量值.

在ZK 102+413掌子面处各个探孔所测得的瓦斯浓度、压力及流量值见表1.

表1 ZK 102+413掌子面探孔瓦斯检测记录

检测结果显示，除3#孔外，其余孔内瓦斯浓度均高;另外，2#孔内存在瓦斯压力和瓦斯流量，但数值较小.由表中数据及超前钻探情况可判断，不存在瓦斯突出的可能性，但瓦斯浓度高，需加强观测，还应加强通风以稀释瓦斯，达到降低其浓度的目的.

经过持续观察检测，该断面1#，4#孔内瓦斯浓度下降较快，但2#孔内瓦斯浓度仍很高，测得结果见如表2.

表2 2#孔瓦斯检测记录

对2#孔的瓦斯检测表明，孔内瓦斯浓度持续保持在10%以上，没有下降趋势，瓦斯压力和流量均呈上升趋势.结合地质雷达探测和超前钻探结果，该断面前方岩体局部节理裂隙较发育，且在退钻时产生了气流涌出现象，故前方可能存在瓦斯聚集.因此，建议在2#孔周边增设2个瓦斯排放孔，同时增大洞内通风量，以保证瓦斯及时稀释排放.在2#孔两侧的新增排放孔钻探完后，瓦斯得到了更快的排放，通过检测，2#孔内的瓦斯浓度也迅速降低，从而避免了瓦斯灾害的发生.

上述地质雷达探测、超前钻孔探测及探孔瓦斯检测等方法，均应用于丹景2号隧道的整个开挖过程中，对隧道掌子面前方的岩体地质状况、瓦斯赋存情况进行了预测预报，取得了很好的预报效果，到目前为止，没有发生突发性地质灾害及瓦斯灾害，有效地保证了隧道施工的安全.

3 结语

(1)隧道作为交通生命线，需要穿山越岭，但由于地下地质条件的复杂性，给施工带来很多困难，对施工安全造成严重影响，因此，对掌子面前方的瓦斯地质状况进行超前预报是非常重要的;

(2)对于分散型小气包天然气瓦斯隧道，瓦斯赋存不均匀、不集中，需要加强掌子面及探孔内瓦斯浓度的检测，并根据浓度变化情况，及时研究调整通风方案，建立合理的瓦斯防治措施和施工措施;

(3)地质雷达探测、超前钻孔探测、探孔瓦斯检测等超前预测预报方法在丹景2号隧道施工过程中的成功运用，及时有效地保证了隧道施工的安全，对类似工程有一定的借鉴作用.

[1]王清海，李晓虹，夏彬伟，何 正.超前预测预报在笔架山隧道施工中的应用[J].岩土力学，2005，26(6):951－954.

[2]何发亮，李苍松.隧道施工期地质超前预报技术的发展[J].现代隧道技术，2001，38(3):12－14.

[3]马 亢，徐 进，张志龙，王兰生，李朝政.雪峰山公路隧道的超前预测预报研究[J].岩土力学，2009，30(5):1381－1386.

[4]李大兴.探地雷达方法与应用[M].北京:地质出版社，1994:10－12.

[5]潘江鹏，朱建群，孟庆生，李 凯.隧道地质预报与监控量测的综合运用[J].土工基础，2012，26(4):129－131.

[6]刘 杨，姚海波.天然气高瓦斯山岭隧道地质灾害的特点与预报[J].铁道工程学报，2011(3):69－71.