頁巖氣地段隧道施工預報及監控檢測技術淺析

■李艷玲，王飛龍 ■陜西工業職業技術學院土木學院，陜西 咸陽 712000

1 頁巖氣地段隧道預報及檢測方案

1.1 隧道施工氣體預報及監控檢測技術的發展

頁巖氣內在機理極為復雜，基于經驗的傳統預測技術和數學建模的統計預測方法的應用取得了一定的成果但也受到了很大的限制。傳統的頁巖氣突出預測方法是靜態的不連續預測。目前，日益引起人們重視的突出連續動態預測的方法主要有3 條途徑:AE(Acoustic Emission)監測技術;利用環境監測系統連續監測工作面的頁巖氣涌出動態從而預測突出;電磁輻射監測技術。

1.2 頁巖氣地段隧道預報及監控檢測方案

為保證頁巖氣地段隧道能夠順利施工，建議成立專門頁巖氣檢測、監測機構。通過加大隧道頁巖氣監控以保證隧道在持續通風下，頁巖氣濃度控制在允許范圍內。

根據規范要求，并結合南方震旦地區頁巖氣地質特點，建議采用自動監控系統與人工監控相結合的方法。在掌子面、模板臺車頂部及相關輔助洞室設置KJ101-45B 型甲烷傳感器。同時設GFW15 型風速風量傳感器，對于回風處風速小于1m/s 時停止作業并檢查原因。對需人工檢測的部位，保證每120min 檢測一次，遇突出或異常情況需隨時監測。在洞口測風站配備手動式測風儀，定期測定回風巷的風流速度。當風流速度變化時，及時找出原因，采取措施。測點布設一般每斷面至少檢查5 個點，即拱頂、兩側拱腳、兩側墻腳各距坑道周邊20cm 處，在該5 點對坑道風流中頁巖氣和一氧化碳均應檢查;節理發育裂隙處檢查可沿裂隙布設測點;隅角、塌腔等處檢測按其斷面大小參考隧道斷面布設點位，但頂部測點不能減少。

頁巖氣監控機構設立:結合頁巖氣地段隧道的特點，成立由經理部安全總監擔任組長、工程部、安質部部長及分部經理、施工隊隊長為副組長，分部技術員、安全員等為組員的頁巖氣地段隧道頁巖氣監控小組，對隧道施工頁巖氣濃度進行全程監控，以確保現場不會出現“漏檢”、“假檢”和“少檢”。

2 頁巖氣地段隧道施工預測技術

根據頁巖氣隧道的工程特點，可設置專業地質預報法，以地質分析方法、TGP 地震波法、超前水平鉆孔相結合的綜合手段對前方圍巖情況進行預測。對異常地質情況認真分析，及時采取相應的防治手段，避免地質災害所帶來的損失和負面影響，確保施工安全。

2.1 超前地質預報內容

地質超前預報的內容包括隧道所在地區地質分析與宏觀地質預報、隧道洞身不良地質及災害地質超前預報和重大施工地質災害臨警預報，具體有預報前方的圍巖級別和穩定性，前方巖性變化和不良地質的范圍，預報隧道洞身所通過的富水斷裂、富水向斜的核部、富水砂層、軟土、極軟巖、頁巖氣地層等，評判其危害程度，提出施工方案對策。

2.2 超前地質預報方法

(1)地質素描:包括地質調查分析和隧道掌子面地質素描，對開挖面地層、巖性、節理發育程度、構造影響程度、圍巖穩定狀態等進行編錄。

(2)超前水平鉆孔。隧道正洞在開挖前采用超前水平鉆孔對前方地質進行探測驗證。超前鉆孔采用多功能輕型鉆機水平鉆孔進行超前地質進行探測驗證，低頁巖氣地段正洞每個斷面設置3 個探測孔，高頁巖氣地段每個斷面設置5 個探測孔，每個循環工序必須做好記錄、地質素描和影像資料。通過地質分析，為后續提供施工對策。

(2)TGP 地震波法。利用地震波在不均勻地質體中產生的反射波來預報隧道掘進面前方的地質狀況。現場采集信號時要求沒有其它震源。采用TGP 對隧道前方的地質特性進行預測預報，每次預測距離為100m～150m，根據預測的結果分析圍巖的地質情況，對TGP 探測斷層、裂隙發育的地段可采用超前鉆孔進行重點探測。同時每個開挖循環根據地質素描對前方圍巖進行判斷。TGP 測量裝置與炮孔布置示意圖1所示。

圖1 T-P 隧道地質超前預報測量裝置與炮孔布置圖

2.3 地質預報信息反饋

地質預報方法就是建立一個地質信息系統，通過收集地質信息，輸入信息處理系統，進行綜合分析、判斷，并將處理結果反饋給施工現場，及時調整施工方法和參數。然后從施工過程中取得新的地質信息，更新系統，處理后，再一次反饋給施工現場，如此往復。通過地質信息系統的及時、準確預報，為信息化施工提供決策依據。

2.4 地質預報成果的采用

檢測預報單位提交成果報告后，施工單位要認真參考其結論建議，在地質不良的地段加強工作面上的淺孔鉆探工作，注意預報成果與施工現場實際情況相比較。

3 頁巖氣地段隧道施工監控檢測技術

3.1 頁巖氣隧道施工監控檢測項目

根據有關規程規定，結合頁巖氣隧道地質情況及頁巖氣涌出情況，隧道出口段監控項目主要有:工作面甲烷濃度、工作面氧氣濃度、回風甲烷濃度、洞外壓入式風機開停狀況。

3.2 監控檢測設備選型

(1)自動監控系統。頁巖氣自動監控系統可使用KJ101N 礦用安全自動監控系統，其傳感器懸掛位置應能反映隧道風流中頁巖氣，一氧化碳的最高濃度及隧道內的風速。在檢測到頁巖氣濃度≥0.4%時報警，頁巖氣濃度≥0.5%時切斷電源實施瓦電閉鎖。根據技術要求在距洞口處拱頂設置GTH500 型電化學式一氧化碳傳感器，KJ101-45B 型甲烷傳感器及GFW15 型風速風量傳感器;

(2)人工檢測系統。現場瓦檢員、進洞工班長按每次上下班和工作期間1 次/h 用CJG10 型光干涉頁巖氣檢測儀檢測;管理人員按每次上下班檢測和工作期間1 次/2h 用AZJ-2000 型便攜式甲烷檢測報警儀進行檢測;作業區內頁巖氣濃度的含量在0.4% 以下正常施工;在0.4%以上時，應隨時檢查，發現異常及時報告，并采取有效措施保證施工安全。

(3)監測數據反饋及信息化施工。監測數據通過分析后反饋給施工單位，施工中根據監測數據進行調整。

3.3 頁巖氣地段隧道頁巖氣濃度監測

(1)典型斷面頁巖氣濃度監測。頁巖氣地段隧道選取中間里程典型斷面，分析正常通風下斷面頁巖氣濃度隨時間的變化。

(2)隨掌子面進尺頁巖氣濃度監測。選取典型里程段，分析頁巖氣隨掌子面進尺的濃度變化，隨掌子面里程進尺掌握頁巖氣濃度。

4 小結

本文以頁巖氣地段隧道施工預報及監控檢測為主要研究內容，主要得到了以下結論在隧道施工中可供參考:(1)成立了專門頁巖氣檢測、監測機構，通過加大隧道頁巖氣監控，以保證隧道在持續通風下，頁巖氣濃度控制在允許范圍內;(2)采用地質素描、超前地質探孔和TGP地震波法對隧道的地質進行超前探測，配合頁巖氣監測系統，保證了探測的準確性;(3)采用自動監控系統與人工監控相結合的方法，在掌子面、模板臺車頂部及相關輔助洞室設置KJ101-45B 型甲烷傳感器，保證了檢測的準確性、及時性和靈活性;(4)總結并應用了超前鉆孔實測、頁巖氣突出判別、頁巖氣排放等頁巖氣監控監測關鍵技術，通過排放效果檢驗，對頁巖氣的監測及濃度控制起到了關鍵的作用。

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［2］劉國，李焯均，沈衛東.綜合超前地質預報在長樂山隧道施工中的應用［J］.現代隧道技術，2011(01).

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