页岩气地段隧道施工预报及监控检测技术浅析

■李艳玲，王飞龙 ■陕西工业职业技术学院土木学院，陕西 咸阳 712000

1 页岩气地段隧道预报及检测方案

1.1 隧道施工气体预报及监控检测技术的发展

页岩气内在机理极为复杂，基于经验的传统预测技术和数学建模的统计预测方法的应用取得了一定的成果但也受到了很大的限制。传统的页岩气突出预测方法是静态的不连续预测。目前，日益引起人们重视的突出连续动态预测的方法主要有3 条途径:AE(Acoustic Emission)监测技术;利用环境监测系统连续监测工作面的页岩气涌出动态从而预测突出;电磁辐射监测技术。

1.2 页岩气地段隧道预报及监控检测方案

为保证页岩气地段隧道能够顺利施工，建议成立专门页岩气检测、监测机构。通过加大隧道页岩气监控以保证隧道在持续通风下，页岩气浓度控制在允许范围内。

根据规范要求，并结合南方震旦地区页岩气地质特点，建议采用自动监控系统与人工监控相结合的方法。在掌子面、模板台车顶部及相关辅助洞室设置KJ101-45B 型甲烷传感器。同时设GFW15 型风速风量传感器，对于回风处风速小于1m/s 时停止作业并检查原因。对需人工检测的部位，保证每120min 检测一次，遇突出或异常情况需随时监测。在洞口测风站配备手动式测风仪，定期测定回风巷的风流速度。当风流速度变化时，及时找出原因，采取措施。测点布设一般每断面至少检查5 个点，即拱顶、两侧拱脚、两侧墙脚各距坑道周边20cm 处，在该5 点对坑道风流中页岩气和一氧化碳均应检查;节理发育裂隙处检查可沿裂隙布设测点;隅角、塌腔等处检测按其断面大小参考隧道断面布设点位，但顶部测点不能减少。

页岩气监控机构设立:结合页岩气地段隧道的特点，成立由经理部安全总监担任组长、工程部、安质部部长及分部经理、施工队队长为副组长，分部技术员、安全员等为组员的页岩气地段隧道页岩气监控小组，对隧道施工页岩气浓度进行全程监控，以确保现场不会出现“漏检”、“假检”和“少检”。

2 页岩气地段隧道施工预测技术

根据页岩气隧道的工程特点，可设置专业地质预报法，以地质分析方法、TGP 地震波法、超前水平钻孔相结合的综合手段对前方围岩情况进行预测。对异常地质情况认真分析，及时采取相应的防治手段，避免地质灾害所带来的损失和负面影响，确保施工安全。

2.1 超前地质预报内容

地质超前预报的内容包括隧道所在地区地质分析与宏观地质预报、隧道洞身不良地质及灾害地质超前预报和重大施工地质灾害临警预报，具体有预报前方的围岩级别和稳定性，前方岩性变化和不良地质的范围，预报隧道洞身所通过的富水断裂、富水向斜的核部、富水砂层、软土、极软岩、页岩气地层等，评判其危害程度，提出施工方案对策。

2.2 超前地质预报方法

(1)地质素描:包括地质调查分析和隧道掌子面地质素描，对开挖面地层、岩性、节理发育程度、构造影响程度、围岩稳定状态等进行编录。

(2)超前水平钻孔。隧道正洞在开挖前采用超前水平钻孔对前方地质进行探测验证。超前钻孔采用多功能轻型钻机水平钻孔进行超前地质进行探测验证，低页岩气地段正洞每个断面设置3 个探测孔，高页岩气地段每个断面设置5 个探测孔，每个循环工序必须做好记录、地质素描和影像资料。通过地质分析，为后续提供施工对策。

(2)TGP 地震波法。利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波来预报隧道掘进面前方的地质状况。现场采集信号时要求没有其它震源。采用TGP 对隧道前方的地质特性进行预测预报，每次预测距离为100m～150m，根据预测的结果分析围岩的地质情况，对TGP 探测断层、裂隙发育的地段可采用超前钻孔进行重点探测。同时每个开挖循环根据地质素描对前方围岩进行判断。TGP 测量装置与炮孔布置示意图1所示。

图1 T-P 隧道地质超前预报测量装置与炮孔布置图

2.3 地质预报信息反馈

地质预报方法就是建立一个地质信息系统，通过收集地质信息，输入信息处理系统，进行综合分析、判断，并将处理结果反馈给施工现场，及时调整施工方法和参数。然后从施工过程中取得新的地质信息，更新系统，处理后，再一次反馈给施工现场，如此往复。通过地质信息系统的及时、准确预报，为信息化施工提供决策依据。

2.4 地质预报成果的采用

检测预报单位提交成果报告后，施工单位要认真参考其结论建议，在地质不良的地段加强工作面上的浅孔钻探工作，注意预报成果与施工现场实际情况相比较。

3 页岩气地段隧道施工监控检测技术

3.1 页岩气隧道施工监控检测项目

根据有关规程规定，结合页岩气隧道地质情况及页岩气涌出情况，隧道出口段监控项目主要有:工作面甲烷浓度、工作面氧气浓度、回风甲烷浓度、洞外压入式风机开停状况。

3.2 监控检测设备选型

(1)自动监控系统。页岩气自动监控系统可使用KJ101N 矿用安全自动监控系统，其传感器悬挂位置应能反映隧道风流中页岩气，一氧化碳的最高浓度及隧道内的风速。在检测到页岩气浓度≥0.4%时报警，页岩气浓度≥0.5%时切断电源实施瓦电闭锁。根据技术要求在距洞口处拱顶设置GTH500 型电化学式一氧化碳传感器，KJ101-45B 型甲烷传感器及GFW15 型风速风量传感器;

(2)人工检测系统。现场瓦检员、进洞工班长按每次上下班和工作期间1 次/h 用CJG10 型光干涉页岩气检测仪检测;管理人员按每次上下班检测和工作期间1 次/2h 用AZJ-2000 型便携式甲烷检测报警仪进行检测;作业区内页岩气浓度的含量在0.4% 以下正常施工;在0.4%以上时，应随时检查，发现异常及时报告，并采取有效措施保证施工安全。

(3)监测数据反馈及信息化施工。监测数据通过分析后反馈给施工单位，施工中根据监测数据进行调整。

3.3 页岩气地段隧道页岩气浓度监测

(1)典型断面页岩气浓度监测。页岩气地段隧道选取中间里程典型断面，分析正常通风下断面页岩气浓度随时间的变化。

(2)随掌子面进尺页岩气浓度监测。选取典型里程段，分析页岩气随掌子面进尺的浓度变化，随掌子面里程进尺掌握页岩气浓度。

4 小结

本文以页岩气地段隧道施工预报及监控检测为主要研究内容，主要得到了以下结论在隧道施工中可供参考:(1)成立了专门页岩气检测、监测机构，通过加大隧道页岩气监控，以保证隧道在持续通风下，页岩气浓度控制在允许范围内;(2)采用地质素描、超前地质探孔和TGP地震波法对隧道的地质进行超前探测，配合页岩气监测系统，保证了探测的准确性;(3)采用自动监控系统与人工监控相结合的方法，在掌子面、模板台车顶部及相关辅助洞室设置KJ101-45B 型甲烷传感器，保证了检测的准确性、及时性和灵活性;(4)总结并应用了超前钻孔实测、页岩气突出判别、页岩气排放等页岩气监控监测关键技术，通过排放效果检验，对页岩气的监测及浓度控制起到了关键的作用。

［1］龚玉华.王勇.综合地质预报技术在坛厂隧道施工中的应用［J］.现代隧道技术，2011(06).

［2］刘国，李焯均，沈卫东.综合超前地质预报在长乐山隧道施工中的应用［J］.现代隧道技术，2011(01).

［3］董新平.探地雷达隧道支护背后空洞检测效果影响因素分析及提高检测质量的对策［J］.现代隧道技术，2009(03).