高瓦斯盾構隧道施工控制關鍵技術分析

祝和意

(陜西鐵路工程職業技術學院， 陜西 渭南 714000)

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高瓦斯盾構隧道施工控制關鍵技術分析

祝和意

(陜西鐵路工程職業技術學院， 陜西 渭南 714000)

目前國內地鐵工程采用盾構法在瓦斯地層中施工經驗較少，且無相關規范參考。在論述高瓦斯隧道施工控制原理及工藝流程的基礎上，從前期準備、瓦斯壓力段分區及涌出量計算、關鍵系統設計等方面展開分析與論述。為了適應高瓦斯隧道工程施工需求，進行瓦斯監控系統、通風系統及盾構局部改造與設計；同時，從隧道內渣土運輸、渣土改良、盾尾密封及盾構掘進參數控制等方面，對高瓦斯隧道掘進過程關鍵控制技術進行全面研究。工程實踐證明，通過應用瓦斯監控系統及其施工控制關鍵技術，實現了對土壓盾構掘進過程中隧道內瓦斯量的有效控制，達到了預期目標。

高瓦斯隧道； 盾構； 監測系統； 施工控制

0 引言

目前在我國長三角地區(如上海、杭州、寧波、蘇州)及內陸大江河流域城市(如武漢、南京)的地鐵工程勘察中發現的地下淺層有害氣體(瓦斯)，已成為地鐵建設中的一大危害[1-4]。到目前為止，國內地鐵工程采用盾構法在瓦斯地層中施工經驗較少，亦無相關規范。瓦斯隧道分為低瓦斯隧道、高瓦斯隧道及瓦斯突出隧道3種，針對瓦斯隧道施工主要需從3個方面進行控制： 控制隧道內瓦斯涌出量、加強通風以稀釋隧道內瓦斯含量、對隧道內設備易產生電火花處進行防爆處理[5-7]。彭佩等[8]對瓦斯隧道特點及瓦斯分布規律等進行了研究論述；祝和意[9]、余紅軍等[10]、趙鈺[11]分別以都汶高速公路紫坪鋪隧道、蘭渝鐵路LYS-10標段瓦斯隧道及發耳隧道為研究對象，對不同工況下的高瓦斯隧道施工技術進行了分析總結，但在瓦斯隧道在線監測方面還需展開進一步的研究。本文針對高瓦斯隧道特點，從瓦斯判斷、瓦斯計算、盾構設備改造、施工關鍵技術等方面開展研究論述，相關研究成果適用于高瓦斯土壓盾構法隧道施工。

1 基本控制原理

1.1 控制原理分析

在有限空間施工，通過掘進速度以控制瓦斯涌出量，使隧道處于低瓦斯狀態。刀盤切削疏松地層土體，使富含在地層中的瓦斯氣體完全釋放，通過螺旋輸送機進入隧道，是隧道內瓦斯涌出的主要途徑。計算地層的瓦斯含量，劃分瓦斯氣體壓力段區，在不同瓦斯壓力段區控制盾構掘進速度，進而控制單位時間的出土量，從而來控制單位時間內瓦斯氣體的涌出量。其實現的基本過程為：

1)通過盾構隧道瓦斯極限涌出量計算方式，來判定目標瓦斯隧道等級。

2)根據所判定的目標瓦斯隧道等級，相應的設計通風系統和瓦斯監控系統，通過加強通風來稀釋隧道中的瓦斯，并對隧道內的瓦斯進行全面監測，以實現信息化施工。

3)通過控制盾構掘進速度和螺旋輸送機閘門開啟時間來控制瓦斯涌出量，使實際瓦斯達到預設條件。

4)通過以加強隧道通風為主，以加強盾尾密封和盾構及隧道內其他設備的防爆設計為輔，配合瓦斯監控系統和各項安全管理制度的綜合措施，來防止瓦斯災害事故的發生。

1.2 施工工藝流程

瓦斯隧道盾構法施工的關鍵技術為計算瓦斯極限涌出量、判斷瓦斯隧道等級、通風設計、電氣照明設計、瓦斯監控系統設計以及掘進過程控制。瓦斯隧道盾構法施工流程如圖1所示。

圖1 瓦斯隧道盾構法施工工藝流程

Fig. 1 Construction flowchart for shield tunnel with high gas concentration

2 關鍵技術分析

2.1 前期準備工作

2.1.1 地質勘探

施工前對沿線地層的瓦斯進行詳細的勘察，具體內容應包含以下幾點。

1)確定地鐵沿線一定范圍內的有害氣體縱、橫向分布范圍及壓力的大小。

2)查明含有害氣體土層的埋深、厚度、分布范圍等與地鐵設計直接相關的基礎信息。

3)確定有害氣體的分布區間及形成機制。

4)有害氣體的物質組成及物理化學特性。

2.1.2 技術準備

1)組織舉辦瓦斯知識培訓班，邀請相關專家、有經驗人士對所有參建人員進行培訓，包括瓦斯事故救援知識等。

2)根據地層中瓦斯情況，組織召開瓦斯技術交底會，加強全體人員對瓦斯地層的認識。

3)嚴格加強火源管理和進洞管理制度，編制動火制度、開艙換刀等各項瓦斯隧道管理制度。

2.1.3 應急準備

1)根據瓦斯隧道發生的險情，準備各項應急物資，如氧氣袋、滅火器等。

2)編制各項應急預案，并組織所有參建人員進行實際現場演練。

3)建立完善的應急救援機構，明確責任人。

2.2 瓦斯壓力段分區及等級判定

2.2.1 瓦斯氣體壓力段分區

通過目標瓦斯隧道的瓦斯壓力值與孔隙氣壓力值進行比較，可將目標瓦斯隧道分為一個或多個瓦斯氣體壓力段區；隧道瓦斯氣體壓力段區分為瓦斯氣體壓力大于孔隙氣壓力段區(Ⅰ區)和瓦斯氣體壓力小于孔隙氣壓力段區(Ⅱ區)2種類型。

2.2.2 瓦斯隧道等級判定

2.2.2.1 瓦斯隧道等級劃分原則

瓦斯隧道施工前必須進行瓦斯等級判定，并以此為依據判定瓦斯隧道的施工風險，并制定相應的應對措施。對于瓦斯地層盾構法施工，國內尚無相關的規范，通過參考《鐵路瓦斯隧道技術規范》的劃分原則來判定瓦斯隧道等級，并相應地進行各項施工準備工作。《鐵路瓦斯隧道技術規范》規定： 當絕對瓦斯涌出量小于或等于0.5 m3/min時，隧道可定義為低瓦斯隧道；當絕對瓦斯涌出量大于0.5 m3/min時，隧道可定義為高瓦斯隧道。

2.2.2.2 瓦斯涌出量影響因素分析

1)土層孔隙率及地下瓦斯氣體壓力。假設土層的孔隙中充滿較高壓力的瓦斯氣體，渣土進入隧道后，渣土中的瓦斯氣體從地層中的高壓狀態轉變為隧道中的標準大氣壓，由于壓力變化及渣土的空隙變化，吸附狀態的瓦斯部分將變為游離狀態的瓦斯；因此土層的孔隙率及地下瓦斯氣體的壓力將直接影響瓦斯涌出量。

2)盾構推進速度等盾構掘進參數。隧道施工中盾構的掘進速度決定了出土量的大小，隧道內的瓦斯氣體濃度與出土量成正比，而渣土則是瓦斯最為重要的溢出源，故盾構的掘進速度是瓦斯涌出量的關鍵影響因素。同時，開挖面瓦斯涌出量還與螺旋輸送機閘門開啟時間、開挖時的設定壓力等因素有關，如果設定壓力大于瓦斯壓力則開挖面瓦斯的溢出可能就會受到限制，否則，瓦斯可能會在螺旋輸送機開啟時大量溢出。

瓦斯的溢出不只是來自于開挖出來的渣土，還有一部分來自于隧道圍巖，故瓦斯的溢出量的計算和控制是比較復雜的。實際工程中主要是通過自動監測的手段獲取隧道瓦斯涌出量的數據，然后對其等級進行判定，并采取相應的應對措施。

2.3 關鍵系統設計

為了安全起見，隧道施工瓦斯監測采取人工與自動相結合的監測方式，兩者監測的數值相印證，避免誤報現象的發生。人工檢測由瓦斯檢查員執行檢查瓦斯，瓦斯檢查員必須經專門培訓，考試合格，持證上崗。本文主要針對瓦斯自動監控系統的關鍵技術展開研究。

2.3.1 瓦斯監控系統設計

瓦斯監控系統是將自動監測系統、通風系統和盾構電力系統通過監控中心連接成的一個自動控制系統。當隧道內任一點的甲烷傳感器探測的濃度達到報警值時，監控中心根據不同的限值采取報警、加強通風、緊急關閉螺旋輸送機閘門或停止盾構掘進等操作措施。

2.3.1.1 功能設計

針對盾構瓦斯隧道的實際施工需求，瓦斯監控系統必須具有以下功能。

1)瓦斯監測設備必須具備對CH4、H2S、CO等有害氣體成分的濃度監測及對不同氣體超限的報警功能。

2)盾構主體和成型隧道共用一個網絡控制系統，進行統一分析指揮，單獨設立監控中心，盾構操作室設分站。當瓦斯氣體超標時，對盾構的斷電分2步： 第1步切斷運輸皮帶和螺旋輸送器的電源，第2步切斷盾構本體電源。隧道內運輸設備單獨設置一套監測瓦電閉鎖裝置，當瓦斯濃度超標時直接斷電停機。

3)有害氣體安全監測配置應有監控主機、數據通訊接口、UPS電源、傳感器、控制模塊、甲烷傳感器、防爆報警燈等。整套系統具有在無人值守的情況下，當某監測點瓦斯濃度達到相應報警值時，實現自動控制本監測點對應的報警指示燈報警，濃度接近限值時系統自動啟動本監測點風機及相鄰風機的功能。

4)監測裝置系統應有自動記錄、統計、成圖及分析功能。

5)隧道內運輸部位氣體安全監測控制系統配置有礦用瓦斯斷電儀、瓦斯傳感器等(如圖2所示)。系統具有自動檢測瓦斯濃度，當瓦斯超限時控制電瓶車斷電的功能。

圖2 盾構內瓦斯探測器

6)系統操作人員可在地面進行遠程監測與控制，實現向洞內直接發送控制命令。

2.3.1.2 超限自動處理

當隧道拱頂、盾構內等地方傳感器檢測到瓦斯濃度超標，系統能夠立即自動采取對應的切斷電源、加強通風等處理措施。

2.3.2 通風系統設計

2.3.2.1 風管選擇

隧道斷面空間狹窄，運輸車輛、作業人員進出頻繁及瓦斯隧道對風量的要求，風管直徑應選擇比正常隧道施工時的大20%～30%。瓦斯隧道風管口到出土口的距離應小于5 m。

2.3.2.2 風機選型

瓦斯隧道對通風的風量和風壓有嚴格要求，故所選主風機的通風風量及系統風壓要滿足施工需求。

1)隧道通風量計算。計算瓦斯隧道通風量的方法主要有以下3種：

①以同一時間工作人員所需新鮮空氣為標準，則

Q=KMQm。

式中： K為風量備用系數，取1.2； M為同時在洞內工作人數； Qm為每人所需新鮮空氣量，取4 m3/min。

②以隧道瓦斯涌出量為計算標準，隧道回風流中瓦斯濃度應低于0.25%所需要風量，則所需通風量

Q=QCH4×K1/(Bg-Bg0)。

式中： K1為瓦斯涌出的不均衡系數，取1.6； Bg為工作面允許的瓦斯濃度，取0.25%； Bg0為送入風流中的瓦斯濃度，取0。

③以最小斷面風速為計算標準，由于機械壓入式通風百米漏風率≤1.5%，故實際風量

Q=(Vmin×S)/(1-0.015)L/100 m×1.2。

式中： Vmin為最小斷面風速，取1 m/s； S為開挖斷面面積； 1.2為風機備用系數。

2)系統風壓計算。風傳遞過程中需要克服的阻力主要分為管道摩擦阻力和局部阻力2部分，其中p局=0.1p管，管道摩擦阻力

p管=ρ×6.5×(α·L)/d5×2Q。

式中： ρ為空氣密度，取1.2 kg/m3； α為風阻系數，取0.002 5； L為隧道長度，m； d為配用風筒直徑，取1.3 m； Q為平均供風量。

3)主風機選型。①風量選擇： 根據以上3種不同的通風量計算方式進行計算，取最大值作為通風需求量，按照最不利因素進行考慮，以保證工作面供風量為原則。②風壓計算： 系統風壓p總>p管+p局，即可滿足通風條件。風機布置如圖3所示。

圖3 風機布置示意圖

由于盾構構造復雜，機身及后配套臺車存在較多的通風盲區，故在通風盲區處設置局部防爆風機以加強局部空氣流通，防止瓦斯在通風盲區處聚集。

2.3.3 適應性設計與改造

為使盾構的局部改造達到良好的防爆效果，應對盾構的性能進行系統研究，對可能產生的潛在危險源進行分析，并將盾構及隧道內的相關設備進行如下改造。

1)根據普通隧道照明要求設置照明燈具的數量、布置方式等，同時為滿足瓦斯隧道施工要求，設置應急燈、防爆燈具、防爆插頭等。工作面的防爆燈具應采用Ⅰ類防爆燈具。

2)隧道內動力電(包括二次注漿)線纜選用阻燃線纜，局部風扇、接線盒、配電箱、開關等均采用防爆型。隧道電氣防爆設計如圖4所示。

3)由于盾構的電機、配電柜等大型機電設備作為盾構的主體部件無法進行防爆改造，對在運轉過程中容易產生電火花的部位(電器接頭)應進行密封處理，并配合瓦斯監測系統確保施工安全。

4)隧道內的運輸行走設備及其他機械、電氣設備均采用防爆型設備。

圖4 隧道電氣防爆設計

2.4 掘進過程控制技術

2.4.1 隧道內渣土運輸

渣土是隧道內瓦斯氣體最主要的溢出源，通過改進出土方式和減少渣土在隧道內停留的時間，來減少隧道內瓦斯氣體含量。正常隧道每環出土一次，而瓦斯隧道則采用一環出土2次或2次以上的方式來減少單位時間內的出土量，從而減少單位時間內的瓦斯涌出量。螺旋輸送機出土口通風情況如圖5所示。

圖5 螺旋輸送機出土口通風示意圖

2.4.2 渣土改良

在盾構施工過程中，要綜合采取各項改良及配套措施以確保渣土及螺旋輸送機的密封性能，具體措施為：

1)根據渣土改良情況實時調節渣土改良劑，以降低渣土的透氣性，并提高螺旋輸送機出土時的密封性能。

2)合理調節螺旋輸送機的出土速度及閘門開口度，確保土塞效應的形成。

3)通過向土艙上部及下部分別注入泡沫和膨潤土，以提高渣土的流塑性。

2.4.3 盾尾密封可靠

當隧道位于水位線以下時，盾尾密封只要滿足盾構施工密封要求就行；但當隧道位于水位線以上時，在盾構掘進過程中，則要對盾構姿態進行嚴格控制，同時加強盾尾油脂的注入管理。

1)確保盾構掘進過程中的水平(垂直)偏差控制在50 mm以內。

2)當進行刀盤轉向切換時，要留有適當的時間間隔。

3)當進行盾構掘進方向調整時，不易過快；同時，要提前設置警戒值和限制值。

4)盾構在瓦斯隧道中掘進時，合理調整盾尾油脂注入量，確保盾尾不露漿且不露氣。

2.4.4 盾構掘進參數控制

在盾構掘進中，根據地層條件、隧道埋深、水位壓力等具體情況，合理調整土艙壓力，以平衡掌子面的水土壓力。在總推力和扭矩等參數允許的情況下，盡量將土艙壓力建高。

掘進速度不能超過按瓦斯氣體壓力區段進行計算的速度值。

2.4.5 瓦斯預報及抽放技術

2.4.5.1 瓦斯預報技術

利用聲發射技術對變形破碎地層進行定位，利用電磁輻射監測技術對工作面進行非接觸連續預測[12]，并結合瓦斯在線監測系統所獲得的瓦斯涌出動態變化趨勢，進而對瓦斯涌出現象進行準確的預測。

2.4.5.2 瓦斯抽放技術

瓦斯抽放是指為了減少和解除瓦斯對隧道施工的威脅，利用機械設備和專用管道造成負壓，將巖層釋放至隧道中的高濃度瓦斯抽出來，并輸送到地面或其他安全地點[13]。結合隧道瓦斯賦存條件，確定瓦斯抽放參數，認真做好材料設備選型、鉆孔布設、封孔施工、管路連接和瓦斯抽放監測等關鍵環節。目前在國內已取得成功應用的是水力壓裂瓦斯集中抽排處理技術，能夠有效地將隧道內的瓦斯濃度控制在預期范圍內[14]。

3 工程應用效果分析

以武漢軌道交通4號線某盾構區間為例，結合其工程特點，進行了瓦斯監測控制系統設計，如圖6所示。

圖6 瓦斯監測控制系統原理圖

在盾構掘進過程中，嚴格按照規定要求進行各項工序，采取的具體措施有： 24 h不間斷連續監測瓦斯、CO濃度和回風速度，采用防爆雙風機向洞內24 h不間斷供風等。盾構在掘進過程中始終確保隧道瓦斯涌出濃度在可控范圍內，且實現了成型隧道瓦斯涌出量在0.5%以下，達到了使用要求。

4 結論與建議

基于高瓦斯隧道特點，設計了一種瓦斯在線監控系統，通過工程應用證明，所設計的監測系統能夠準確地對隧道瓦斯濃度進行測量，并及時將數據傳至控制室，為工程的安全施工提供了有力的保障條件。同時，對高瓦斯隧道盾構施工過程中的渣土改良及運輸、盾尾密封、掘進參數控制等關鍵技術進行了分析，能夠為今后類似高瓦斯盾構隧道工程施工提供參考。同時，提出如下建議：

1)針對高瓦斯隧道施工要求，要制定并嚴格落實瓦斯檢測、通風管理等各項針對性的瓦斯隧道施工與管理制度，以確保高瓦斯隧道的安全順利貫通。

2)基于高瓦斯隧道工程特點，在條件允許的情況下，建議盡量選用泥水平衡盾構施工，更有利于對瓦斯的控制。

3)針對各項工程的特點，還有待進一步深化高瓦斯隧道施工關鍵技術的研究及推廣工作，以滿足更多城市地鐵隧道的建設需求。

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Analysis of Key Construction Control Technologies for Shield Tunnel with High Gas Concentration

ZHU Heyi

(Shaanxi Railway Institute, Weinan 714000， Shaanxi, China)

The shield tunneling in ground with high gas concentration of Metro projects is not common in China currently. The preparation, sectioning of gas, gas gushing volume and key system design of shield tunnel with high gas concentration are analyzed and discussed based on construction control technology. The gas monitoring system, ventilation system and local rehabilitation and redesign of shield are carried out. Meanwhile, the key construction control technologies, i.e. mucking, ground conditioning, shield tail sealing and shield boring parameter control, are studied. The construction practice shows that the gas volume can be controlled by using above-mentioned technologies.

tunnel with high gas concentration; shield; monitoring system; construction control

2016-06-29;

2016-08-04

國家重點基礎研究發展計劃(2014CB046906)

祝和意(1979—)，男，陜西旬陽人，2010年畢業于長安大學，結構工程專業，碩士，副教授，主要從事地下與隧道工程技術研究工作。E-mail: zhuheyi791128@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.11.013

U 45

B

1672-741X(2016)11-1366-06