成簡快速路龍泉山 2#高瓦斯隧道地質預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)塊石質土,坡殘積(Q4dl+el)粘土,下伏基巖為侏羅系上統蓬萊鎮組(J3P)砂巖、泥巖,中統遂寧組(J2Sn)泥巖、泥質砂巖、砂巖、中統沙溪廟組(J2S)泥巖、砂巖。區內褶皺強烈,逆掩斷層發育,上、下構造變異較大,也是區內構造特點之一。地表資料反映,龍泉山和熊坡背斜構造皆屬斷層之上北東向的表皮褶皺,地層深處大都變為單斜或鼻狀突起。

2 區域地質分析與隧道瓦斯賦存特點

根據區域地質資料、勘查設計文件和現場路線地質踏勘成果,隧道所穿越龍泉山部分整體處于一疏緩的背斜構造中,隧道進出口兩端均為巖層緩傾的單面山,節理、斷層不太發育,局部富集節理密集帶或發育小型斷層。隧道圍巖以侏羅系上統蓬萊鎮組中厚層泥質砂巖、泥巖為主,地層產狀穩定。而隧道下伏地層為侏羅系中統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。這一地質構造格局使龍泉山二號隧道恰好處于油氣層蓋層構造中,沿隧道線路主體部分布設的 3處探孔均測出瓦斯存在,且局部含量較高。

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

3 采取的對策

根據以上分析,決定綜合采用 TSP超前地質預報、地質編錄和水平鉆探三種手段,秉持長短結合、精泛相佐的原則,對掌子面前方圍巖和瓦斯情況進行準確預報。

3.1 TSP超前地質預報

(1)TSP超前地質預報原理。

TSP地質超前預報主要采用 TSP-200型地質探測儀。TSP-200采用回聲測量原理,通過地震波在不同地質體中和地質界面上產生的反射波特性預報前方的地質狀況。

TSP-200系統主要由以下三部分組成:

①記錄單元:12道,24位 A/D轉換,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:數據采集和處理集于一體,高度智能化。

地震波在設計的震源點(通常在隧道的左或右邊墻,大約 24個炮點)用小量炸藥激發產生。地震波在巖石中以球面波形式傳播。當地震波遇到巖石物性界面(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入前方介質(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,用以計算不良地質體界面的距離。探測數據由 TSPwin軟件進行計算處理,由專業的地質預報人員進行解譯。

圖 1 TSP探測原理示意圖

(2)地質預報的具體做法。

TSP超前地質預報由外業工作和內業整理兩部分組成。

外業工作包括在施工現場布設炮孔、安裝接收器,設置儀器采集參數、激發震源同時收集并記錄數據。炮孔的布設如圖 2所示。在隧道一側邊墻連續布設 24個炮孔和一個接收器,其具體位置、傾角見表 1。

圖 2 觀測系統平面示意圖

數據采集時,采用 X-Y-Z三分量同時接收,設定采樣間隔和記錄長度。激發地震波時,采用無延時瞬發電雷管,防水乳化炸藥,藥量為 50～100g左右。

表 1 炮孔與接收器孔布設參數表

3.2 地質素描法

(1)原 理。

由專業地質人員對隧道的工程地質、水文地質特征進行詳細的編錄并繪制地質素描圖,每個循環根據掌子面的地質特征,結合勘察設計地質資料,對掌子面前方的地質情況進行預測,繪制地質縱斷面展開圖并提出工程措施。

(2)方 法。

對洞壁巖體主要結構面(斷層、層理及節理、裂隙等)進行定性及定量統計量測,查明主要結構面的產狀、性質、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,分析優勢結構面對圍巖穩定性的影響。

對巖體受構造影響程度、節理發育程度、巖體完整程度、富水程度及圍巖穩定狀態等進行詳細編錄,據此對圍巖級別及其他地質參數進行修正,提出有針對性的支護、襯砌或超前加固措施。

對重點地段,如斷帶、節理密集帶、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情況與地面測繪出入較大的重點地段進行核對和詳細的調查與分析評價。

3.3 超前水平鉆探

地質探孔預報僅指短距離超前水平鉆探,是目前各種超前地質預報方法中最簡單、最有效的一種預報方法。采用水平地質鉆機在開挖面鉆 1～3個孔(探孔深 15m,一般地質地段超前地質鉆孔 1個,水量較大、砂層和風化深槽地段 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、褶皺構造的性質、寬度、產狀及可能的瓦斯賦存情況,如瓦斯壓力、瓦斯濃度等和地下水含水情況。

4 效果評價

截至 2010年 2月 5日,龍泉山 2#隧道總共實施 TSP地質預報 15次,揭露節理密集帶進口 20處、出口 12處。以上節理的存在均得到地質編錄的證實。

瓦斯出露段的開挖證明:所預報的節理密集帶均有瓦斯溢出。

5 結 語

根據龍泉山 2#高瓦斯隧道地質預報的成功實施,可以得出以下結論:

(1)隧道的地質預報必須以區域地質分析為根本,在充分掌握場區區域地質和構造信息的基礎上分析致災機理,找出控災的主要矛盾,從而做到有的放矢;

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

(3)嚴格現場操作,規范探測與鉆探施工;

(4)地質與物探相結合、宏觀與微觀相佐證,步步為營、穩扎穩打,是成功探測瓦斯的關鍵。