瓦斯隧道具体施工期隐患监测预报技术应用

瓦斯隧道具体施工期隐患监测预报技术应用地址:湖南省长沙市雷锋大道青山花卉市场内邮编:410205网址电话真/p>

企业名称：湖南中大建设工程检测技术有限公司上级主管单位名称：中南大学注册时间2004年电8137682传质等级公路工程桥梁隧道专项（部级）、公路工程综合乙级（省级）营业执照430000000031800

职工总人数：200名。其中高级工程师：18名；工程师60多名；行政管理人员15名。大专以上学历人员超过总人数的70%。公司名片序号项目名称检测内容备注1遵赤高速公路中枢隧道工程TSP法、地质雷达法隧道地质预报；隧道监控量测，爆破震动监测已完2长沙市株树桥引水隧道工程隧道开挖质量及衬砌质量检测、锚杆长度及饱满度、锚杆抗拔力、钢结构焊缝超声探伤检测、原材料检测等已完3临湘至鸭栏公路荆竹山隧道衬砌、开挖断面质量专项检查已完4浙江衢常铁路箬岭隧道地质超前预报(TSP法、地质雷达法)已完5国道209线吉首绕城公路工程健身坡隧道竣工验收检测已完6怀化—新晃高速公路第八、十三合同段隧道锚杆长度、锚固质量检测已完7武广铁路浏阳河隧道爆破震动监测已完8锦屏电站引水隧道地质超前预报(地质雷达法)已完9湖南肖家冲煤矿瓦斯治理措施研究瓦斯检测与治理已完10湖南新生煤矿瓦斯自动监测系统研究瓦斯检测与治理已完11湖南红卫煤矿煤瓦突出防治措施研究瓦斯检测与治理已完12高速公路路基病害探测技术研究不良地质体探测在监13岩溶路基探测设备研究岩溶探测在监14地下工程地质灾害超前探测预报系统研究不良地质体探测及探测预报系统研究在监15长沙至重庆高速公路吉首至茶洞段除矮寨特大桥外的全部路、桥、隧道交竣工验收检测（含质量专项检查）在监16海南三亚绕城高速公路凤凰隧道等三座隧道TSP法、地质雷达法隧道地质预报；隧道监控量测；锚杆抗拔力及长度检测在监17厦蓉高速汝城至郴州段第13、16、17合同段七座隧道TSP法、地质雷达法隧道地质预报；隧道监控量测；锚杆抗拔力及长度检测在监18包茂高速公路湖南吉首至怀化段第1合同段三座隧道TSP法隧道地质预报；隧道监控量测；锚杆抗拔力及长度检测在监19湖南桃花江核电站进厂公路隧道隧道监控量测在监20湖南永蓝高速公路阳明山隧道群十一座隧道TSP法、地质雷达法隧道地质预报；隧道监控量测；锚杆抗拔力及长度检测在监目录

一、引言 二、瓦斯隧道围岩量测监控 三、瓦斯隧道瓦斯检测监控 一、引言

瓦斯

地下工程开挖过程中从煤(岩)层内逸出的各种有害气体的总称，其主要成分为甲烷(CH4)。瓦斯隧道 若在隧道勘测与施工过程中，通过地质勘探或施工检测表明隧道内存在瓦斯，此隧道应定为瓦斯隧道。1）基本概念

2000年以来我国修建的部分瓦斯隧道

当前贵州省内在建高速存在众多瓦斯隧道！

如水-盘高速发耳瓦斯隧道、……

一般隧道的监控量测问题

瓦斯隧道的监控量测问题瓦斯隧道最大的问题之一：

瓦斯气体中毒和瓦斯爆炸事故瓦斯中各种气体的主要物理性质

国内外隧道重大瓦斯事故都汶高速董家山隧道瓦斯爆炸

国道213都汶段龙眼睛隧道在塌方维修时发生瓦斯爆炸事故K47+540山坡的局部裂K47+550山坡的局部裂

7某隧道山顶开裂某隧道塌陷冒顶上述隧道冒顶塌方洞内坍塌体某隧道衬砌开裂隧道漏水如何有效保证施工质量，最大限度地保障安全生产？有效监控量测预报关口前移，有效预防变形监测瓦斯监测选测项目必测项目人工检测自动监测信息化施工、动态安全管理目的超前地质预报2）瓦斯隧道施工监测实施的依据

瓦斯隧道变形监测

《公路隧道施工技术规范》（JTGF60-2009）

《铁路隧道监控量测技术规程》（TB10121-2007）

瓦斯隧道瓦斯监测

《煤矿安全规程》（2005年版，2010年条款修订）

《铁路瓦斯隧道技术规范》（TB10121-2007）

《防治煤与瓦斯突出细则》（1995年版）

量测项目围岩种类必测项目选测项目洞内观察净空收敛拱顶下沉锚杆抗拔力地表下沉围岩内位移锚杆轴力钢支撑应力接触压力混凝土应变洞内弹性波硬岩软岩土砂公路隧道一些主要的常规监测项目必须实施、可以实施、必要时实施变形监控量测信息化施工设计流程图瓦斯监控预测项目——目前无公路瓦斯隧道行业规范

突出危险性监控预测区域突出危险性预测石门揭门突出危险性预测

瓦斯超限监控检测施工期全过程日常监测异常情况瓦斯监测人工监测人工监测与自动监测相结合隧道施工前期区域突出危险性预测瓦斯危险监控隧道施工期日常瓦斯监测异常期瓦斯监测人工监测自动监测瓦斯隧道施工全过程安全生产确保

石门揭门突出危险性预测二、瓦斯隧道施工变形监测项目1）洞内、外观察a）监测目的 预测开挖面前方的地质条件； 为判断围岩、隧道的稳定性提供地质依据； 根据喷层表面状态及锚杆的工作状态，分析支护结构的可靠程度。 b）观察内容

（i）掌子面地质水文条件、岩性、结构面产状、有无断层，是否偏压、围岩类别，掌子面自稳情况，地下水的影响情况等，并做好记录。 （ii）对初期支护效果观察包括：锚杆的锚固效果、喷层的光洁度、喷层有无裂缝，裂缝的部位、长度、宽度、深度，喷层是否把钢支撑全部覆盖。c）方法和工具

主要方法和工具为：现场观察、数码相机、地质罗盘仪、地质锤等。常见岩石的识别常见沉积岩识别常见岩浆岩识别常见变质岩识别2）周边收敛量测

收敛：隧道围岩周边各点趋向隧道中心的变形。

周边收敛量测：主要是隧道内壁面两点连线方向的距离的变形量的量测。收敛值为两次量测的距离之差。

根据变位速度判断围岩稳定程度和二次衬砌施作的合理时机；指导现场的施工，根据喷层表面状态及锚杆的工作状态，分析支护结构的可靠程度。判断隧道空间的稳定性；a）量测目的b）量测设计（一）必测项目的量测断面间距和每断面测点数量表

围岩级别断面间距（m）每断面测点数量净空变化拱顶下沉Ⅴ-Ⅳ5～101～2条基线1～3点Ⅳ10～301条基线1点Ⅲ30～501条基线1点（i）收敛量测的间距与测线

（ii）量测频率 量测频率可根据位移速度和量测断面距开挖面距离按位移速度确定位移速度（mm/d）量测频率≥52～3次/d1～51次/d0.5～11次/2～3d0.2～0.51次/3d＜0.21次/3～7d按距开挖面距离(注：b为隧道开挖宽度)量测断面距开挖面距离（m）量测频率(0～1)b2次/d(1～2)b1次/d(2～5)b1次/2～3d＞5b1次/3～7db）量测设计（二）

常用有机械式的收敛计和数显式收敛计两种。 如：QJ-85型坑道周边收敛计；JSS30A型数显收敛计；SWJ－IV型隧道隧道收敛计。c）量测仪器——

收敛计

t时刻的周边收敛值Ut即为的两次读数差。其公式为：Ut＝L0－Lt＋Xt1－Xt0式中：L0——

初读数时所用尺孔刻度值；

Lt——t时刻时所用尺孔刻度值；

Xt1——t时刻时经温度修正后的读数值，Xt1＝Xt＋εt

Xt0——

初读数时经温度修正后的读数值，Xt0＝X0＋εt

Xt——t时刻量测时读数值；

X0——

初始时刻读数值；

εt——

温度修正值；εt＝α（T0－T）Lα——

钢尺线膨胀系数；

T0——

鉴定钢尺的标准温度，T0

=20℃T——

每次量测时的平均气温；

L——

钢尺长度。d）测试原理

对埋深较浅、固结程度低的地层或水平成层的场合，该项量测比收敛量测更为重要。

a）量测目的量测数据是确认围岩的稳定性，判断支护效果，指导施工工序，预防拱顶崩塌，保证施工质量和安全的最基本的资料。

3）拱顶下沉量测b）量测仪器——精密水准仪c）量测原理（一）

设第一次读数后视点读数为A1，前视读数为B1；第二次后视点读数为A2，前视读数为B2。则拱顶变位可采用如下两种计算方法： （i）差值计算法 钢尺和标尺均正立（即读数上小下大）。 后视读数差：A=A2-A1

前视读数差：B=B2-B1

拱顶变位值：C=B-A

结论：C>0拱顶上移；

C<0拱顶下沉。

（ii）水准计算法 通过计算前后两次拱顶测点的高程差来求拱顶的变位值。钢尺读数上小下大，标尺读数下小上大，标尺基准点标高假定为K0。 第一次拱顶标高Kd1=K0+A1+B1

第二次拱顶标高Kd2=K0+A2+B2

拱顶变位值C=Kd2-Kd1=A2-A1+B2-B1

结论：C>0拱顶上移；C<0拱顶下沉。c）量测原理（二）该项量测在新规范中已列为必测项目

a）量测目的 对因隧洞施工影响可能引起的地面建（构）筑物及地表沉降量、沉降速度进行观测。通过量测了解地表下沉的范围、量值、地表及地中下沉随工作面推进的规律、地表及地中下沉稳定的时间。

4）地表下沉量测

其测点布置为每5～50m一个断面，每断面至少7个测点，每隧道至少2个断面。中线每5～20m一个测点。 b）量测频率观测间隔时间： 开挖面距量测断面前后小于2倍隧道宽度时1～2次/d； 开挖面距量测断面前后小于5倍隧道宽度时1次/2d； 开挖面距量测断面前后大于5倍隧道宽度时1次/周。c）量测方法

根据开挖断面、埋深及岩性情况，一般在Ⅲ～Ⅴ级围岩中且覆盖层厚度小于40m的段落，应进行地表沉降观测。 观测点间距5～10m，采用钻孔钢筋混凝土埋设。如有建筑物，沉降观测点则应埋在基础上或墙脚；地面沉降点尽可能埋入基岩中。若因表土层太厚，无法埋入，则按《建筑变形测量规范》要求采用混凝土墩方式埋设。

在距隧道两侧80m以外稳固、不易受到破坏、且通视条件较好的地方埋设基准点。

基准点的埋设采用Φ8钢筋混凝土钻孔灌注，埋入基岩的深度不小于0.3m，同时上设保护盖。每组基准点由2～3个基准点组成，各基准点之间的距离大于50m。

采用精密水准仪和铟钢尺进行量测，仪器精度为0.1mm，观测精度按二级变形测量的精度要求进行，即允许观测误差为±0.5mm。三、瓦斯隧道施工期瓦斯监测项目1）瓦斯隧道等级划分

低瓦斯隧道高瓦斯隧道瓦斯突出隧道

注意：瓦斯隧道的类型按隧道内瓦斯工区的最高级确定。 瓦斯工区：地层含有瓦斯的隧道施工区段。瓦斯工区的等级——按绝对瓦斯涌出量来划分

非瓦斯工区低瓦斯工区：全工区的瓦斯涌出量小于0.5m3/min；

高瓦斯工区：全工区的瓦斯涌出量大于或等于0.5m3/min；

煤与瓦斯突出工区：满足瓦斯突出判断的四个条件。 （i）瓦斯压力P≥0.74MPa； （ii）瓦斯放散初速度△P≥10； （iii）煤的坚固性系数f≤0.5； （iv）煤的破坏类型为Ⅲ类及以上。

四个指标的意义

瓦斯压力指标P是指瓦斯煤层中用压力表测得的瓦斯压力，单位是MP；瓦斯放散初速度指标△P是指用△P测定仪测量时其U形管汞柱计在间隔50s时两次读出的汞柱高度差P1、P2之差，单位为mm；煤的坚固性系数指标f按公式计算

f=20n/L其中：煤的破坏类型见下表煤的破坏类型分类表注意： 瓦斯隧道只要有一处有突出危险，该处所在的工区即为瓦斯突出工区。煤与瓦斯突出： 在地应力和瓦斯压力共同作用下，破碎的煤(岩)与大量瓦斯从煤体内突然喷向开挖空间的动力破坏现象。2）瓦斯隧道区域突出危险性预测

实质上是对瓦斯隧道所在煤系地层突出危险性进行判断预测。该工作应在隧道工程地质勘探时期进行。在隧道开挖的时期可对将揭露或在揭露的煤层进行地质超前探测和地质观测，以修正原地质勘探时期的结论。此时可和瓦斯隧道一般性监测中的洞内、外观察相结合。这一工作需要科研创新。区域突出危险性预测的方法和手段（i）调查、收集邻近煤矿和油气田的既有资料区域性地质、矿产地质、水文地质、有害气体的实测资料，油气田、气井资料及有关瓦斯赋存、突出的其他地质资料；井田的分布、开采水平、通风方式、瓦斯等级、采空区范围、采煤及顶板管理办法、接替采区和规划采区的位置及范围等资料；有关瓦斯矿井通风和煤与瓦斯突出的历史记载和实测资料。其中着重调查和确定如下内容： 隧道的瓦斯来源； 隧道通过的地层层序、年代、岩层种类及含煤地层的分布，煤层数及顶底板特征和位置，煤层厚度、倾角，隧道穿煤里程及长度； 煤层的主要物理性质和指标以及工业成分分析，包括颜色、光泽、重度、硬度、水分、挥发分、固定碳、灰分、瓦斯含量、瓦斯压力、瓦斯放散初速度等；

煤的自燃及煤尘爆炸性判断，煤与瓦斯突出危险性判断；采空区形态，接替及规划采区位置及压煤量；煤层的瓦斯带和瓦斯风化带位置；查明形成瓦斯的地质构造，包括煤层、油页岩层所处的构造部位，天然气的生成、运移、储集、封闭条件及影响因素，地下水对天然气运移、储存的影响。（ii）瓦斯隧道施工期间应进行地质核查工作

对于揭露的煤层，应取样复测煤层的瓦斯含量和其他有关参数； 必要时应钻孔埋管实测瓦斯压力，以及通过通风和瓦斯检测计算全坑道的瓦斯涌出量 根据检测结果核对施工工区和煤系地层的瓦斯等级，必要时应进行修正，同时应相应修改设计。（iii）突出危险区域性预测的结论：

评述煤层、瓦斯和天然气的情况； 瓦斯地质分析、采空区及压煤量、邻近的煤矿和油气田、气井情况； 隧道瓦斯严重程度预测及对工程的影响、建议技术措施等。3）石门揭煤时煤瓦突出危险性监测预报

石门：在与煤层走向正交或斜交的岩石水平坑道中揭煤时，开挖工作面与煤层间的岩柱，其厚度一般取为，当岩层松软、破碎时应适当增大。

石门揭煤：掘进石门和煤层的全过程，它包括揭开石门、半煤半岩掘进、全煤层掘进，过完煤层等。（i）监测目的预防煤与瓦斯突出危险，以便及时采取应对手段；工作面瓦斯浓度监测，及时预防事故。（i）监测方案a）煤层超前钻孔探测

接近突出煤层前，应在距设计煤层位置15-20m(垂距)处的开挖工作面打超前探孔1个，初探煤层位置； 在距初探煤层位置10m（垂距）处的开挖工作面上打3个超前探孔，并取岩(煤)芯，分别探测开挖工作面前方上部及左右部位煤层位置； 按各孔见煤、出煤点计算煤层厚度、倾角、走向及与隧道的关系，并分析煤层顶、底板岩性； 掌握并收集探孔施工过程中的瓦斯动力现象。超前钻孔要求

每个探孔应穿透煤层并进人顶(底)板不小于0.5m； 正式探测孔应取完整的岩(煤)芯，进入煤层后宜用干钻取样； 各探孔直径不宜小于76mm； 钻孔过程中应观察孔内排出的浆液、煤屑变化情况，并作好记录。

在距煤层垂距5m处的开挖工作面打瓦斯测压孔，或在距煤层垂距不小于3m处的开挖工作面进行突出危险性预测。 此时采用人工检测的手段，对开挖工作面瓦斯涌出情况进行检测、对瓦斯压力测压孔等孔内的瓦斯动力现象、瓦斯涌出情况进行观察和检测。 同时利用瓦斯压力测压孔进行煤层内瓦斯压力的测定，从而预测石门揭煤时煤层的瓦斯突出危险性。b）揭煤前瓦斯突出危险性监测煤层瓦斯压力的测定

方法： 机械装置测压 液体测压 水泥砂浆封孔测压 粘土测压粘土测压法

i）在测压孔内插入带有压力表接头的紫铜管，管径为8mm,长度不小于7m。

ii）将特制的柱状粘土送入钻孔内，柱状粘土末端距铜管末端0.2～0.5mm,每次送入柱状粘土0.3～0.5m,用堵棍捣实。

iii）每次送入柱状粘土1m进入钻孔后，打入一木塞。木塞直径小于钻孔直径15～20mm,木塞长度150～200mm。打入木塞时应保护好铜管，以防折断。

iv）距孔口0.5～1.0m用水泥砂浆封堵。

v）经24h水泥凝固后，安上压力表测压，并详细记录压力上升与时间关系，直到压力稳定为止。稳定后的压力即为煤层瓦斯压力。揭煤突出危险性预测方法

《铁规》要求：从下列五种方法中选用两种方法预测并相互验证。 （i）瓦斯压力法； （ii）综合指标法； （iii）钻屑指标法； （iv）钻孔瓦斯涌出初速度法。 （v）“R”指标法

具体方法见《铁规》。 突出危险性预测方法有待深入研究。

突出危险性预测方法中有任何一项指标超过临界指标，该开挖工作面即为有突出危险工作面。 其预测时的临界指标应根据实测数据确定，当无实测数据时，可参照下页表中所列突出危险性临界值。突出危险性预测指标临界值表4）工作面瓦斯日常监测

1）人工监测

采用瓦检仪进行。市场上有各种型号的瓦斯检测仪器。如： 美国MSHA102型瓦斯检测仪、日本理研株式会社GX-82型瓦斯氧气检测仪以及西安煤安全厂生产的光学瓦斯检定器和北京JCB-C19B型甲烷测报仪。

洞内瓦斯浓度大于1.5%时，发出警报，须撤出施工人员，停止一切作业，加强通风，同时打开掌子面的高压风。

洞内瓦斯浓度在1%～1.5%时，进行警戒预防，指挥员、安全员随时监测，禁止放炮，切断掌子面电源，加强通风。洞内瓦斯浓度在0.5%～1.0%时，发出一次警报，加强监测、通风。

洞内瓦斯浓度在0.3%～0.5%时，正常通风。洞内瓦斯浓度在0.3%以下时，正常通风和作业。对人工瓦斯检测的要求 i）当瓦斯浓度在0.5%以下时，瓦检员每小时检查一次，每次检测应在测定地点测读3次，且以3次读数最高者作为该处检测结果值；

ii）瓦斯浓度在0.5%以上时，应随时检查，检查作业不得离开该工作面；

iii）瓦检员必须保证“一炮三检制”和“三人连锁放炮制”。瓦斯监测频率 i）隧道内各工作面(掌子面开挖、初期支护、仰拱开挖、仰拱混凝土施工、防水板挂设、二次衬砌立模、二次衬砌混凝土灌注、隧道散水治理)；

ii）瓦斯可能产生积聚的地点(二衬台车部位、隧道内避车洞室和综合洞室的上部、隧道内具有明显凹陷的地点、隧道塌方及冒顶地点等)；

iii）隧道内可能产生火源的地点(电机附近、电气开关附近、电缆接头的地点)； 瓦斯监测地点（一） iv）瓦斯可能渗出的地点(地质