頁巖氣地段隧道施工預(yù)報及監(jiān)控檢測技術(shù)淺析

■李艷玲，王飛龍 ■陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木學(xué)院，陜西 咸陽 712000

1 頁巖氣地段隧道預(yù)報及檢測方案

1.1 隧道施工氣體預(yù)報及監(jiān)控檢測技術(shù)的發(fā)展

頁巖氣內(nèi)在機理極為復(fù)雜，基于經(jīng)驗的傳統(tǒng)預(yù)測技術(shù)和數(shù)學(xué)建模的統(tǒng)計預(yù)測方法的應(yīng)用取得了一定的成果但也受到了很大的限制。傳統(tǒng)的頁巖氣突出預(yù)測方法是靜態(tài)的不連續(xù)預(yù)測。目前，日益引起人們重視的突出連續(xù)動態(tài)預(yù)測的方法主要有3 條途徑:AE(Acoustic Emission)監(jiān)測技術(shù);利用環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測工作面的頁巖氣涌出動態(tài)從而預(yù)測突出;電磁輻射監(jiān)測技術(shù)。

1.2 頁巖氣地段隧道預(yù)報及監(jiān)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(jiān)測機構(gòu)。通過加大隧道頁巖氣監(jiān)控以保證隧道在持續(xù)通風(fēng)下，頁巖氣濃度控制在允許范圍內(nèi)。

根據(jù)規(guī)范要求，并結(jié)合南方震旦地區(qū)頁巖氣地質(zhì)特點，建議采用自動監(jiān)控系統(tǒng)與人工監(jiān)控相結(jié)合的方法。在掌子面、模板臺車頂部及相關(guān)輔助洞室設(shè)置KJ101-45B 型甲烷傳感器。同時設(shè)GFW15 型風(fēng)速風(fēng)量傳感器，對于回風(fēng)處風(fēng)速小于1m/s 時停止作業(yè)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(jiān)測。在洞口測風(fēng)站配備手動式測風(fēng)儀，定期測定回風(fēng)巷的風(fēng)流速度。當(dāng)風(fēng)流速度變化時，及時找出原因，采取措施。測點布設(shè)一般每斷面至少檢查5 個點，即拱頂、兩側(cè)拱腳、兩側(cè)墻腳各距坑道周邊20cm 處，在該5 點對坑道風(fēng)流中頁巖氣和一氧化碳均應(yīng)檢查;節(jié)理發(fā)育裂隙處檢查可沿裂隙布設(shè)測點;隅角、塌腔等處檢測按其斷面大小參考隧道斷面布設(shè)點位，但頂部測點不能減少。

頁巖氣監(jiān)控機構(gòu)設(shè)立:結(jié)合頁巖氣地段隧道的特點，成立由經(jīng)理部安全總監(jiān)擔(dān)任組長、工程部、安質(zhì)部部長及分部經(jīng)理、施工隊隊長為副組長，分部技術(shù)員、安全員等為組員的頁巖氣地段隧道頁巖氣監(jiān)控小組，對隧道施工頁巖氣濃度進行全程監(jiān)控，以確?，F(xiàn)場不會出現(xiàn)“漏檢”、“假檢”和“少檢”。

2 頁巖氣地段隧道施工預(yù)測技術(shù)

根據(jù)頁巖氣隧道的工程特點，可設(shè)置專業(yè)地質(zhì)預(yù)報法，以地質(zhì)分析方法、TGP 地震波法、超前水平鉆孔相結(jié)合的綜合手段對前方圍巖情況進行預(yù)測。對異常地質(zhì)情況認(rèn)真分析，及時采取相應(yīng)的防治手段，避免地質(zhì)災(zāi)害所帶來的損失和負(fù)面影響，確保施工安全。

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報內(nèi)容

地質(zhì)超前預(yù)報的內(nèi)容包括隧道所在地區(qū)地質(zhì)分析與宏觀地質(zhì)預(yù)報、隧道洞身不良地質(zhì)及災(zāi)害地質(zhì)超前預(yù)報和重大施工地質(zhì)災(zāi)害臨警預(yù)報，具體有預(yù)報前方的圍巖級別和穩(wěn)定性，前方巖性變化和不良地質(zhì)的范圍，預(yù)報隧道洞身所通過的富水?dāng)嗔?、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(zhì)預(yù)報方法

(1)地質(zhì)素描:包括地質(zhì)調(diào)查分析和隧道掌子面地質(zhì)素描，對開挖面地層、巖性、節(jié)理發(fā)育程度、構(gòu)造影響程度、圍巖穩(wěn)定狀態(tài)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(zhì)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(zhì)進行探測驗證，低頁巖氣地段正洞每個斷面設(shè)置3 個探測孔，高頁巖氣地段每個斷面設(shè)置5 個探測孔，每個循環(huán)工序必須做好記錄、地質(zhì)素描和影像資料。通過地質(zhì)分析，為后續(xù)提供施工對策。

(2)TGP 地震波法。利用地震波在不均勻地質(zhì)體中產(chǎn)生的反射波來預(yù)報隧道掘進面前方的地質(zhì)狀況。現(xiàn)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(zhì)特性進行預(yù)測預(yù)報，每次預(yù)測距離為100m～150m，根據(jù)預(yù)測的結(jié)果分析圍巖的地質(zhì)情況，對TGP 探測斷層、裂隙發(fā)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(huán)根據(jù)地質(zhì)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(zhì)超前預(yù)報測量裝置與炮孔布置圖

2.3 地質(zhì)預(yù)報信息反饋

地質(zhì)預(yù)報方法就是建立一個地質(zhì)信息系統(tǒng)，通過收集地質(zhì)信息，輸入信息處理系統(tǒng)，進行綜合分析、判斷，并將處理結(jié)果反饋給施工現(xiàn)場，及時調(diào)整施工方法和參數(shù)。然后從施工過程中取得新的地質(zhì)信息，更新系統(tǒng)，處理后，再一次反饋給施工現(xiàn)場，如此往復(fù)。通過地質(zhì)信息系統(tǒng)的及時、準(zhǔn)確預(yù)報，為信息化施工提供決策依據(jù)。

2.4 地質(zhì)預(yù)報成果的采用

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

3 頁巖氣地段隧道施工監(jiān)控檢測技術(shù)

3.1 頁巖氣隧道施工監(jiān)控檢測項目

根據(jù)有關(guān)規(guī)程規(guī)定，結(jié)合頁巖氣隧道地質(zhì)情況及頁巖氣涌出情況，隧道出口段監(jiān)控項目主要有:工作面甲烷濃度、工作面氧氣濃度、回風(fēng)甲烷濃度、洞外壓入式風(fēng)機開停狀況。

3.2 監(jiān)控檢測設(shè)備選型

(1)自動監(jiān)控系統(tǒng)。頁巖氣自動監(jiān)控系統(tǒng)可使用KJ101N 礦用安全自動監(jiān)控系統(tǒng)，其傳感器懸掛位置應(yīng)能反映隧道風(fēng)流中頁巖氣，一氧化碳的最高濃度及隧道內(nèi)的風(fēng)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(jù)技術(shù)要求在距洞口處拱頂設(shè)置GTH500 型電化學(xué)式一氧化碳傳感器，KJ101-45B 型甲烷傳感器及GFW15 型風(fēng)速風(fēng)量傳感器;

(2)人工檢測系統(tǒng)。現(xiàn)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(yè)區(qū)內(nèi)頁巖氣濃度的含量在0.4% 以下正常施工;在0.4%以上時，應(yīng)隨時檢查，發(fā)現(xiàn)異常及時報告，并采取有效措施保證施工安全。

(3)監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋及信息化施工。監(jiān)測數(shù)據(jù)通過分析后反饋給施工單位，施工中根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行調(diào)整。

3.3 頁巖氣地段隧道頁巖氣濃度監(jiān)測

(1)典型斷面頁巖氣濃度監(jiān)測。頁巖氣地段隧道選取中間里程典型斷面，分析正常通風(fēng)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(jiān)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(jié)

本文以頁巖氣地段隧道施工預(yù)報及監(jiān)控檢測為主要研究內(nèi)容，主要得到了以下結(jié)論在隧道施工中可供參考:(1)成立了專門頁巖氣檢測、監(jiān)測機構(gòu)，通過加大隧道頁巖氣監(jiān)控，以保證隧道在持續(xù)通風(fēng)下，頁巖氣濃度控制在允許范圍內(nèi);(2)采用地質(zhì)素描、超前地質(zhì)探孔和TGP地震波法對隧道的地質(zhì)進行超前探測，配合頁巖氣監(jiān)測系統(tǒng)，保證了探測的準(zhǔn)確性;(3)采用自動監(jiān)控系統(tǒng)與人工監(jiān)控相結(jié)合的方法，在掌子面、模板臺車頂部及相關(guān)輔助洞室設(shè)置KJ101-45B 型甲烷傳感器，保證了檢測的準(zhǔn)確性、及時性和靈活性;(4)總結(jié)并應(yīng)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(jiān)控監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)，通過排放效果檢驗，對頁巖氣的監(jiān)測及濃度控制起到了關(guān)鍵的作用。

［1］龔玉華.王勇.綜合地質(zhì)預(yù)報技術(shù)在壇廠隧道施工中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011(06).

［2］劉國，李焯均，沈衛(wèi)東.綜合超前地質(zhì)預(yù)報在長樂山隧道施工中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2011(01).

［3］董新平.探地雷達隧道支護背后空洞檢測效果影響因素分析及提高檢測質(zhì)量的對策［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009(03).