盾构瓦斯隧道掘进技术

目前国内已有20多个城市在修建地铁,而采用盾构法施工的区间隧道越来越多,遇到的地层情况也越来越复杂,对盾构掘进技术提出了更高的要求。武汉地铁2号线范—汉区间作为国内首条直接穿越瓦斯储气层的城市地铁盾构隧道,按照普通盾构隧道的掘进技术实施很难适应瓦斯隧道的施工要求。在国内无相关的地铁瓦斯隧道成功施工经验可以借鉴,盾构施工难度大。而在铁路和公路隧道中有较多的瓦斯隧道施工经验,在借鉴瓦斯隧道施工技术 ^[1-8] 及通风技术在瓦斯隧道应用 ^[9-11] 的基础上,通过加强通风,用强大的风流稀释进入隧道内的瓦斯气体,并引导其排出隧道外以及保持盾构机与管片的密封性,封堵地层中的瓦斯气体进入隧道内作业面的这2种途径,提出盾构瓦斯隧道施工的指导思想:“控掘进、严出土、重通风、勤监测”,并将其运用到实际施工中,确保范汉区间盾构瓦斯隧道的安全顺利施工。

武汉地铁2号线范—汉区间左线长1010 m,右线长1 007 m,包括1个联络通道,采用盾构法施工。区间隧道为外径6m,内径5.4 m,管片拼装衬砌的单洞圆形隧道,管片环宽1.5 m,管片混凝土C50、P12。区间隧道埋深10 ~16m,隧道穿越软弱的淤泥质土、粉质黏土、富水的粉土粉砂互层及高承压水粉细砂层,沿线地下水丰富、承压水头高、水文地质情况复杂,而且地层中赋存瓦斯等有害气体,施工难度在国内地铁工程中并不多见。

盾构施工穿越的地层主要有:〈3-3〉层淤泥质粉质黏土;〈3-4〉层淤泥质粉质黏土夹粉土;〈3-5〉层粉质黏土、粉土、粉砂互层;〈4-1〉层粉细砂。

1)范—汉区间地下有害气体成分主要为CH ₄ ,一般占总体积的55% ~70% ,是可燃烧的主要气体;其次是CO ₂ 气体,占总体积的30%~40% ;其他几种气体有H ₂ S、SO ₂ ,,NO ₂ ,CO等。通过23个瓦斯探测孔的连续监测,有6个监测孔的CH ₄ 平均体积分数超过5% ,具有发生爆炸事故的条件;11个孔的CH ₄ 平均体积分数超过1% ,超过施工场所CH ₄ 体积分数限值;其中 H ₂ S、CO超出国家规定危险报警低限值,易造成重大伤亡事故。

2)〈3-4〉层含砂粉质黏土以及〈3-5〉层砂土互层为地铁施工场地(主要含气、储气层);储气层顶板埋深为6.4 ~16. 1 m,底板埋深为11.5 ~24.0 m,地铁沿线全部都在储气层中穿越,在盾构开挖过程中,储气层中的有害气体将必然对盾构施工造成危害。

3)地铁沿线储气层属于低压气层,气层压力偏低(一般100 ~300 kPa)。

4)地铁施工场地沿线可划分为2个有害气体压力区段,即大于孔隙气压力区段(Ⅰ区)和小于孔隙气压力区段(Ⅱ区),具体分区详见图1。盾构施工掘进经过Ⅰ区时,气体体积分数短时间内会迅速升高,若处理不及时将造成严重后果;经过Ⅱ区时,气体体积分数短时间内不会升高,若抽排及时将不会造成严重后果，而且在100 ~300 kPa时具有瓦斯突出的重大风险。

上海地铁2号线在设计之前就发现地下瓦斯,设计时已经将隧道线路避开了瓦斯区,根据其施工统计,隧道内溢出瓦斯气体体积分数不超过0.7% ,在施工作业区瓦斯体积分数规范要求以下,处理难度较小。日本盾构施工也遇到过多次瓦斯,均是在线路设计和盾构机设计之前发现的。设计时线路已躲避开瓦斯群,或盾构机制造时已考虑到了盾构机的防爆性能等。

广州6号线工程隧道内溢出瓦斯体积分数不到0.02% ,但开仓换刀时,由于瓦斯意外突发造成2人死亡的惨剧。日本丰住给水所—江东区盐滨间送水管一段2号工程施工之前测到了瓦斯,已经从设计和盾构机制造方面进行了防爆处理,但由于盾尾密封泄露,造成瓦斯爆炸,死亡5人。

与上海、日本已施工的盾构瓦斯隧道相比,本工程遇到的情况更为复杂,其主要施工风险如下。

《铁路瓦斯隧道技术规范》规定:隧道施工时,作业面瓦斯(CH ₄ )体积分数不得超过0.5%。通过对23个探测孔的连续监测,有6个监测孔的瓦斯平均体积分数超过5% ,具有发生爆炸事故的条件;11个孔的瓦斯平均体积分数超过1%,超过施工场所瓦斯体积分数限值;所有探测孔均有瓦斯体积分数检出。据有关煤炭专家推测,地下瓦斯体积分数至少是外溢体积分数的2倍。所以此段隧道地层中瓦斯体积分数全部超标。

施工前对范湖站盾构始发端瓦斯气体体积分数进行监测,具体情况为:盾构洞门位置在敞口和通风情况下体积分数在0.02%上下,通风中断4h,拱顶的瓦斯体积分数立即上升到5.5%;地面降水井井口处瓦斯平均体积分数7% ,有1/4测次瓦斯体积分数超过了10%。敞开的洞口和降水井口的瓦斯体积分数本身被周围大自然的空气稀释,不存在集聚的条件,充分地说明地下瓦斯体积分数远远超过5%。

根据有害气体勘察、监测情况结合岩土工程勘察报告分析知:〈3-3〉层是气源层,〈3-4〉、〈3-5〉层既为气源层,又为主要储气层。范—汉沿线隧道全部都在储气层中穿越,随着盾构开挖掘进,是对隧道掌子面土体一次彻底疏松,土体里面的瓦斯气体在螺旋输送器口、66 m运输皮带上以及在运输渣车上近乎完全释放,释放的瓦斯气体全部遗留在隧道内,由于盾构成型隧道为相对密闭的空间,长此已久,释放出来的瓦斯体积分数将逐渐升高,当瓦斯气体体积分数达到1 %~5%时,遇到火源将发生瓦斯燃烧事故,达到5%~16%时,遇到火源将发生瓦斯爆炸,体积分数更高时可致使施工人员窒息死亡。以上3种情况的发生可能造成重大的人员伤亡。同时如果发生瓦斯爆炸,将对隧道内机械设备造成不可挽回的损失,因此瓦斯气体的存在必然对施工造成严重危害。

范—汉隧道地下有害气体成分与别的城市目前施工的盾构隧道不同,瓦斯主要为甲烷(CH ₄ ),但还包含CO ₂ 、H ₂ S、SO ₂ 、 NO ₂ 、CO等气体。部分硫化物气体严重超标,对人身有危害。

在范湖站盾构起点处盾构机机头、泄水口、降水井口及K6钻孔,均检出较高体积分数的H,S,而且超过国家《工作场所有害因素职业接触限值》(不得高于10×10 ^-6 )。H ₂ S为无色气体,具有臭蛋气味,硫化氢是一种神经毒剂,亦有窒息性和刺激性。

国家《工作场所有害因素职业接触限值》规定CO体积分数不得超过20x10 ^-6 。勘察过程中有6个探测孔检出的CO体积分数均超过15x10 ^-6 ,达到了危险报警低限值;而最高值为400 ×10 ^-6 ,属于高度危险检出值。因此,在施工过程中,必须加强检测与防范,避免人员重大伤亡事故的发生。CO纯品为无色、无臭、无刺激性的气体,过度吸入空气中CO,可使人产生严重的头痛、眩晕、昏迷,甚至致死。

通过对盾构推进的施工参数做出主动调整,重点控制盾构螺旋出土、盾尾密封、同步注浆及二次注浆质量，防止瓦斯大量泄露进入隧道,降低隧道安全施工风险。

螺旋出土口为瓦斯进入隧道内的第1大途径。根据出渣情况及时向开挖面注入优质的泡沫和日本TAC高分子聚合物添加剂,对渣土进行改良,提高渣土的和易性和流塑性,降低渣土的透气性,从而改善土仓和螺旋输送器出土时的密封性。通过控制螺旋输送机出土速度和开口度,形成土塞,进一步提高螺旋的密封性,减少瓦斯从螺旋泄入隧道。编制预防泡沫管管路堵塞的专项方案,以保持掘进过程中泡沫管的连续通畅。使用高浓度的膨润土和泡沫混合使用技术,从土仓的上部和刀盘的4口泡沫孔注泡沫,土仓的下部加注高浓度的膨润土,以增加渣土的和易性。

优质泡沫使用量由25kg/m提高到50 kg/m;TAC只在Ⅰ承压瓦斯区使用,用量10 kg/m。

盾尾与管片接缝处是瓦斯气体进入隧道的第2大途径,盾构盾尾密封可有效防止瓦斯从盾尾泄入隧道，如果盾尾密封失效、管片破损或止水条损坏等将会导致瓦斯由盾构尾部泄入,所以盾尾密封是否正常工作对施工进度和安全都有重大影响。

严格控制盾构机在掘进过程中的姿态,水平及垂直偏差不大于50 mm,使盾尾间隙保持均匀(60 ~ 90 mm)，避免出现单侧盾尾间隙过大,从而导致盾尾密封失效，漏水、漏砂、瓦斯气体等进入盾壳内部。

掘进中的姿态控制应该注意下列问题:

1)在切换刀盘转动方向时,应保留适当的时间间隔,切换速度不宜过快,否则可能造成管片受力状态突变,而使管片损坏。

2)应根据掌子面地层情况及时调整掘进参数,调整掘进方向时应设置警戒值与限制值。达到警戒值时及时启动纠偏程序。

3)蛇行修正及纠偏时应缓慢进行,如修正过程过急,蛇行反而更加明显。在直线推进的情况下,应选取盾构当前所在位置点与设计线上远方的一点作一直线,然后再以这条线为新的基准进行线形管理;在曲线推进的情况下,应使盾构当前所在位置点与远方点的连线同设计曲线相切。

4)推进油缸油压的调整不宜过快、过大,否则可能造成管片局部破损甚至开裂。

5)正确进行管片选型,确保拼装质量与精度,以使管片端面尽可能与计划的掘进方向垂直。

盾构始发前严格控制尾刷内涂抹油脂质量,使用优质油脂,每道尾刷分3层仔细涂抹饱满。拼装负环时要顺着尾刷方向压推,即垂直压下,平行尾刷往后推,以防破坏尾刷的铁板和毛刷。在推负环时,要压注盾尾油脂保持尾刷腔饱满,防止尾刷磨损。管片选型和拼装时,科学控制盾尾间隙,防止盾尾间隙不均匀造成局部盾尾间隙过大,浆液和有害气体从间隙内漏进盾尾。盾构掘进过程中,必须切实保证盾尾内充满优质油脂并保持较高的压力,以防瓦斯通过盾尾进人隧道。在瓦斯盾构掘进,盾尾油脂压注量由正常隧道掘进使用量的25kg/环提高到50kg/环,比正常情况多出1倍。

盾尾和管片接缝是瓦斯泄露的第2大通道,在采取封堵措施的同时,通过提高管片拼装质量也能起到一定的作用。所以管片从制作、运输和下井全程要抓好质量管理,实行三检制,不让一块破损管片用于正式隧道。合格管片要进行盖章,严格把好质量关。做好管片选型,避免盾尾将管片和止水条损坏,地层中瓦斯从破损处泄露入隧道。工班要配备熟练的管片拼装手,严格控制管片拼装错缝、错台,避免管片碎裂现象,保证管片拼装质量,有效地防止瓦斯从盾尾和管片接缝泄露。

根据正常施工组织每环是一次性出土,但由于渣土中含有瓦斯,为了缩短瓦斯气体在隧道泄露的时间，同时减少瓦斯在单位时间内泄露量,减轻通风压力,提高隧道施工安全,把每环出土分2次,即每掘进75 cm出1次土。在瓦斯体积分数高的地段,对渣车及时用塑料布覆盖,减少瓦斯气体从渣土中溢出。

盾构机掘进施工过程中可能会出现螺旋输送口喷涌、盾尾密封失效、盾构开仓等特殊情况,对这3种特殊情况制定了相应的措施,确保施工的安全顺利进行。

由于范—汉区间掘进地层为〈3-4〉淤泥质粉质黏土夹粉土、〈3-5〉粉质黏土、粉土、粉砂夹层,含有

粉细砂层、高承压水及瓦斯气体,地质条件复杂。地下隧道施工具有不可预见性(例如线路前方出现瓦斯包)。掘进时若发现从螺旋出土口涌水、涌砂及瓦斯

气体大量涌出,应采取以下措施:

1)立即关闭螺旋输送机的出土闸门,作业人员撤离到螺旋输送机的出土闸门20 m范围外。瓦斯检测员对

附近瓦斯含量进行检测,如超过1.5%,作业人员撤高隧道,加强通风,待瓦斯体积分数在安全范围内恢复施工。

2)恢复施工时首先在少出土或不出土的挤压状态下继续向前推进,使土仓内建立平衡。通过刀盘的转动,将土仓内的土体搅拌均匀,然后才将螺旋输送机的后门慢慢打开,开门度为10%,边掘边出土,始终保持土仓内压力稳定。

3)掘进过程中向土仓内注入泡沫剂、膨润土等提高渣土的和易性和止水性,同时在螺旋输送机出口栓接保压泵碴装置建立土压平衡状态。

恢复施工首先加快盾构机掘进,降低盾尾外部的压力,并及时在泄露位置加注优质的盾尾油脂。调整盾构机和管片姿态,减小泄露处的盾尾间隙。在土压值允许的情况下,尽量降低土压。改变同步浆液配合比,加大水泥用量,缩短浆液的凝固时间,尽早降低盾尾处的浆液压力。

在盾构开仓时,仓内积聚的高体积分数瓦斯会发生突涌,易造成爆炸,所以在开仓前要按照以下方案准备。

1)由于范—汉区间隧道穿越地层为软土,掌子面自稳性差,在开仓换刀前应在地面采取旋喷桩、压密注浆、降水等加固措施,稳定掌子面土体后方可进行开仓作业。

2)在开仓作业前及仓内作业过程中加强洞内和土仓内通风,风速达到2 m/s 以上,同时要加强瓦斯监测,确保瓦斯体积分数在0.5%以下。

3)开仓前的空气稀释:开仓前土仓内空气循环主要利用旋转接头的泡沫系统通过泡沫管路向刀盘前方吹入风,土仓隔板上的原有保压系统的管路作为排气通道,排风到盾构机后配套尾部,形成循环,稀释土仓内的气体,确保瓦斯体积分数在0.5%以下后,方可进行开仓作业。

4)开仓后仓内环境质量的保证:仓内作业过程中,土仓内空气循环主要利用土仓隔板上的孔口(原有的土仓隔板上预留的水电入口)吹入,土仓出入口为排气口,形成循环,保证土仓内的空气质量(如图2所示)。

5)洞内通风主要利用洞外的压入式通风机供风，形成循环。洞内及仓内通风的同时进行气体监测,保证作业人员作业环境的安全。

整个瓦斯地层中的盾构隧道施工技术研究过程分3步进行:第1步详细勘察瓦斯气体分布情况;第2步对整体的施工方案进行全面的制定;第3步做好盾构掘进时的应急处理。

在隧道开始掘进到隧道完全贯通的时间内,通过对盾构掘进参数的修改达到了预期的效果。整个施工过程中,隧道内瓦斯气体体积分数在可控范围内,证明了实施措施的合理性。项目部贯彻正确的指导思想“控掘进、严出土、重通风、勤监测”在范—汉区间施工中取得了成功,积累了盾构瓦斯隧道的成功施工经验,在类似的后续地层施工中得到推广应用(如范—汉区间左线)。

2008年12月30日范—汉区间右线的精密贯通，顺利地完成了国内首条盾构瓦斯隧道的施工。施工过程中采取了加强同步注浆、二次注浆及管片拼装质量,控制掘进速度等掘进管理,取得了良好的实际效果,在保证盾构瓦斯隧道施工安全的同时,各项技术指标均满足规范要求。

施工前期不断摸索盾构瓦斯隧道合理的盾构掘进参数,总体掘进速度较慢,在经历100m 的试验盾构掘进施工后,不断优化施工方案,各个施工环节紧密配合,使盾构掘进速度达到300 m/月的正常盾构隧道标准,最终历时100 d完成范—汉区间右线的掘进。掘进过程中瓦斯气体体积分数基本在可控范围内,瓦斯气体体积分数超标现象发生后,均得到有效处理,未发生瓦斯气体体积分数超标而引起的生产安全事故。

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