低瓦斯隧道盾構(gòu)法施工技術(shù)措施探討

張 哥 其

(中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司,四川 成都 610000)

?

低瓦斯隧道盾構(gòu)法施工技術(shù)措施探討

張 哥 其

(中鐵城市發(fā)展投資集團(tuán)有限公司,四川 成都 610000)

結(jié)合成都地鐵1號(hào)線三期低瓦斯盾構(gòu)隧道的實(shí)際情況，提出了低瓦斯工況下盾構(gòu)電氣防爆改裝、盾構(gòu)區(qū)間瓦斯監(jiān)測(cè)及通風(fēng)方案，并探討了盾構(gòu)穿越地質(zhì)斷層帶瓦斯抽放措施，保障了地鐵1號(hào)線三期低瓦斯盾構(gòu)法隧道的順利完工。

低瓦斯，盾構(gòu)隧道，安全技術(shù)，控制措施

1 工程概況

1.1 盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)情況

成都地鐵1號(hào)線三期工程位于成都市天府新區(qū)，正線全長(zhǎng)18.692 km。1號(hào)線三期段家山站—武漢路站區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，選用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。起止里程為Y(Z)DK31+593.200～Y(Z)DK32+661.925，全長(zhǎng)1 068.725 m。線路采用高站位低區(qū)間“V”字坡的縱斷面形式，隧道頂埋深9.0 m～26.4 m，最大縱坡為28‰，最小縱坡為2‰，平面最小曲線半徑R=1 500 m。區(qū)間隧道采用單層管片襯砌，管片材料為鋼筋混凝土，管片內(nèi)徑5.4 m、外徑6 m，厚度為0.3 m，寬度為1.5 m。采用六分塊方案，拼裝方式為錯(cuò)縫拼裝，管片接頭采用彎螺栓。

1.2 地質(zhì)情況

本區(qū)段主要巖土層由新至老分別為雜填土、粉質(zhì)粘土、全風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中等風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中等風(fēng)化砂巖，場(chǎng)地內(nèi)未見不良地質(zhì)，特殊巖土為人工填土、膨脹巖。盾構(gòu)隧道洞身穿越地層為⑦13中等風(fēng)化泥巖、⑦23中等風(fēng)化砂巖。

區(qū)間隧道在里程YCK32+150～YCK32+260范圍內(nèi)下穿地質(zhì)斷層帶，根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，該段發(fā)育有蘇碼頭背斜和蘇碼頭逆斷層，該斷層為區(qū)域壓扭性逆斷層，為非活動(dòng)性斷層。但隧道洞身埋深較深，洞身穿越地層除斷層外絕大多數(shù)段落巖層巖性較為完整，在7度地震作用下，不具備滑坡、崩塌、陷落等地震地質(zhì)災(zāi)害的條件，環(huán)境工程地質(zhì)條件一般，綜合判定，本工程場(chǎng)地穩(wěn)定。

1.3 瓦斯基本情況

該區(qū)間隧道斜穿蘇碼頭氣田南端，蘇碼頭氣田位于川西構(gòu)造南部，隧道有受淺層天然氣危害的可能，包括氣田氣和油田伴生氣兩種。天然氣顯示開始深度在50 m～70 m，濃度隨深度增加呈增加趨勢(shì)。為評(píng)價(jià)淺層天然氣對(duì)地鐵1號(hào)線三期隧道的危害，勘察單位在2015年12月份對(duì)1號(hào)線三期隧道進(jìn)行了淺層天然氣檢測(cè)工作，根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析結(jié)論為：該段區(qū)間隧道地質(zhì)鉆孔均有天然氣顯示，鉆孔天然氣最高濃度為9 450 ppm(0.945%)；根據(jù)室內(nèi)氣相色譜試驗(yàn)可知，淺層天然氣成分主要為CH4，不含H2S，SO2等有毒有害氣體；根據(jù)勘察單位和咨詢公司的淺層天然氣測(cè)試報(bào)告，判定該段區(qū)間隧道為低瓦斯隧道。

2 低瓦斯工況下盾構(gòu)法施工安全技術(shù)措施

2.1 盾構(gòu)施工防爆改造

按照《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》，低瓦斯隧道內(nèi)電氣設(shè)備和機(jī)械可使用非防爆型，因地鐵盾構(gòu)隧道斷面僅約為23 m2，空間狹小且盾體和后配套占據(jù)大部分空間，易于導(dǎo)致瓦斯積聚，故考慮對(duì)其進(jìn)行防爆改造。1號(hào)線三期前期設(shè)計(jì)和施工準(zhǔn)備期間未發(fā)現(xiàn)瓦斯地層，盾構(gòu)設(shè)備已經(jīng)投入使用，已不具備防爆改造條件，故盾構(gòu)機(jī)不進(jìn)行全面的防爆改裝，對(duì)所有電纜、電氣設(shè)備的裸露部分以及通風(fēng)、抽水設(shè)備進(jìn)行防爆改裝及增加。

2.1.1 電纜電氣改造

隧道內(nèi)電纜采用不延燃橡膠套電纜，動(dòng)力線、照明線連接使用防爆接線盒，洞內(nèi)使用防爆配電箱、防爆開關(guān)和防爆插座。

2.1.2 照明

照明采用220 V電壓，固定照明使用隔爆型防爆燈，應(yīng)急照明燈更換為防爆型。

2.1.3 風(fēng)筒

洞內(nèi)所有通風(fēng)管道更換為阻燃性、抗靜電性塑料涂覆布正壓風(fēng)筒。

2.1.4 抽水設(shè)備

隧道內(nèi)使用防爆水泵，并與隧道內(nèi)照明線相連接。

2.2 通風(fēng)技術(shù)方案

按照國(guó)內(nèi)瓦斯隧道規(guī)范要求，洞內(nèi)通風(fēng)主要檢測(cè)瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)速兩個(gè)指標(biāo)。目前常規(guī)盾構(gòu)隧道內(nèi)回風(fēng)流風(fēng)速遠(yuǎn)達(dá)不到1 m/s，需要改進(jìn)盾構(gòu)施工壓入式通風(fēng)方案。

2.2.1 通風(fēng)風(fēng)機(jī)

該盾構(gòu)隧道施工仍采用壓入式通風(fēng)為主，利用盾構(gòu)自帶二次風(fēng)機(jī)并安裝射流風(fēng)機(jī)和局扇加速隧道內(nèi)回風(fēng)的流動(dòng)。盾構(gòu)法瓦斯隧道通風(fēng)量的計(jì)算，按照洞內(nèi)人員所需新鮮空氣量、瓦斯涌出量所需風(fēng)量、最小斷面風(fēng)速三種方案進(jìn)行計(jì)算、比對(duì)，取最大值。主風(fēng)機(jī)選擇SDF(C)-No11.5(75 kW×2)軸流風(fēng)機(jī)，施工期間選用高速擋位。經(jīng)過計(jì)算，常規(guī)盾構(gòu)隧道φ1 000 mm風(fēng)管無法滿足風(fēng)壓及風(fēng)量要求，故將風(fēng)管直徑擴(kuò)大至φ1 200 mm。低瓦斯盾構(gòu)區(qū)間通風(fēng)示意圖見圖1。

2.2.2 盾構(gòu)機(jī)二次通風(fēng)改造

盾構(gòu)掘進(jìn)施工期間盾體內(nèi)和地層間基本為全封閉結(jié)構(gòu)，瓦斯溢出最大可能性在螺旋機(jī)出土口位置，盾構(gòu)原有風(fēng)管φ600 mm，不能滿足盾體內(nèi)部通風(fēng)和瓦斯稀釋要求。在第4號(hào)～5號(hào)臺(tái)車連接處增加一個(gè)φ600 mm的剛性連接，直接送風(fēng)至2號(hào)臺(tái)車中部，增加送風(fēng)面積。為保證風(fēng)管的順直，臺(tái)車連接處采用鋼筒連接，風(fēng)管延伸至螺旋機(jī)出土口處(見圖2)。

2.2.3 增加局部風(fēng)扇和射流風(fēng)機(jī)

盾構(gòu)機(jī)主體內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，主風(fēng)機(jī)風(fēng)流盾體內(nèi)部和后配套臺(tái)車位置存在較多盲區(qū)，特別是可能溢出瓦斯的螺旋機(jī)出土口、密封不嚴(yán)的盾尾位置，形成瓦斯積聚。故通風(fēng)不暢的地方采用局部通風(fēng)的方式：在螺旋機(jī)出土口位置、人倉(cāng)口、1號(hào)/2號(hào)臺(tái)車頂部的中間皮帶輸送機(jī)、3號(hào)～6號(hào)臺(tái)車位置安裝5.5 kW防爆型局部風(fēng)扇,在隧道進(jìn)洞100 m處拱頂安裝1臺(tái)22 kW射流風(fēng)機(jī)，引導(dǎo)氣體向洞外方向流動(dòng)，防止瓦斯在死角部位聚集。

2.2.4 通風(fēng)方案安全措施

1)盾構(gòu)瓦斯隧道主風(fēng)機(jī)均按照一用一備同等功率配置，設(shè)置一臺(tái)200 kW的發(fā)電機(jī)與盾構(gòu)大電并聯(lián)。常用風(fēng)機(jī)、備用風(fēng)機(jī)采用“Y”型連接風(fēng)筒與主風(fēng)管連通，10 min內(nèi)能完成風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)換。

2)常規(guī)盾構(gòu)隧道風(fēng)機(jī)安裝在盾構(gòu)口，低瓦斯盾構(gòu)隧道將風(fēng)機(jī)挪至車站中板出土口位置，距離盾構(gòu)口約30 m。

3)盾構(gòu)風(fēng)筒轉(zhuǎn)折處通風(fēng)損耗較大，全部更換為定制硬質(zhì)異性風(fēng)管(見圖3)。

2.3 盾構(gòu)隧道瓦斯檢測(cè)

2.3.1 瓦斯檢測(cè)方案

采取自動(dòng)監(jiān)測(cè)和人工檢測(cè)相結(jié)合的方式。自動(dòng)瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是對(duì)盾構(gòu)原有的系統(tǒng)加以改進(jìn)，在螺旋輸送機(jī)出土口、人倉(cāng)位置安裝兩臺(tái)固定式瓦斯氣體檢測(cè)儀(外置)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示器和瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)，聲光報(bào)警器安裝在盾構(gòu)操作室內(nèi)。人工瓦斯檢測(cè)采用便攜式瓦斯檢測(cè)儀和光干式瓦斯檢測(cè)儀，施工單位、第三方單位雙檢制，檢測(cè)頻率1次/2 h，施工單位和第三方單位間隔1 h檢測(cè)。人工檢測(cè)瓦斯易聚集處，隅角中瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測(cè)，確保施工安全。每工作班安排瓦檢員以1次/2 h連續(xù)平行檢測(cè)，及時(shí)上報(bào)并做好存檔記錄。

2.3.2 瓦斯檢測(cè)部位

對(duì)盾構(gòu)隧道內(nèi)易于瓦斯積聚的部位進(jìn)行檢測(cè)，按照規(guī)范和實(shí)際檢測(cè)情況，選定以下檢測(cè)部位：1)盾構(gòu)機(jī)中盾頂部油缸；2)盾尾內(nèi)管片頂部；3)螺旋機(jī)出渣口；4)二次風(fēng)機(jī)上部；5)3號(hào)臺(tái)車中部；6)成型隧道頂部(每20 m檢測(cè)一個(gè)斷面)。以上檢測(cè)部位均距隧道頂部以下20 cm～30 cm。

2.3.3 瓦斯?jié)舛阮A(yù)警報(bào)警值

根據(jù)施工過程中出現(xiàn)一次瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)報(bào)警案例，總結(jié)得出，盾構(gòu)法隧道中，存在較多瓦斯積聚死角部位，在瓦斯規(guī)范基礎(chǔ)上，將盾構(gòu)隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛阮A(yù)警控制標(biāo)準(zhǔn)提高至0.3%。報(bào)警濃度為0.3%，瓦斯斷電濃度為0.5%，復(fù)電濃度為小于0.4%。當(dāng)濃度超過0.5%時(shí)，應(yīng)停止工作，撤出人員，切斷電源，斷電范圍為盾構(gòu)機(jī)整體的全部電氣設(shè)備。緊急關(guān)閉螺旋輸送機(jī)閘門，停止盾構(gòu)掘進(jìn)。

2.4 盾構(gòu)穿越地質(zhì)斷層瓦斯消散處置

2.4.1 盾構(gòu)隧道穿越瓦斯地質(zhì)斷層帶風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)地勘報(bào)告顯示，該盾構(gòu)區(qū)間穿越地質(zhì)斷層帶。詳勘期間鉆孔在穿越蘇碼頭背斜軸部時(shí)鉆遇斷層，天然氣隨斷層向上逸出，造成孔口濃度高達(dá)4%。根據(jù)蘇碼頭氣田油氣勘探生產(chǎn)資料顯示，斷層在蓬萊鎮(zhèn)組氣藏中起到破壞作用，即斷層有讓淺層天然氣逸散的作用。地層中的天然氣通過斷層向上運(yùn)移至淺部地層，在淺部白堊系泥巖和表部粘性土的封堵下可在白堊系砂巖地層中局部富集形成氣囊，威脅隧道施工。由此可見，盾構(gòu)隧道在穿越瓦斯地層斷層時(shí)，有遇到局部高濃度淺層天然氣的可能(見圖4)。

2.4.2 盾構(gòu)穿越地質(zhì)斷層措施

為確保施工安全，施工期間在斷層帶和背斜核部地段(Y(Z)DK32+100～Y(Z)DK32+280，Y(Z)DK32+370～Y(Z)DK32+535)隧道兩側(cè)(即左線左側(cè)和右線右側(cè))提前設(shè)置瓦斯消散孔：孔徑φ108 mm、孔距5 m、結(jié)構(gòu)輪廓外3 m、左右交錯(cuò)布設(shè)，孔深至結(jié)構(gòu)底板，第四系土層深度內(nèi)設(shè)鋼護(hù)管防止塌孔及地下水流入，鋼護(hù)管高出地面1 m～1.5 m，孔口設(shè)防雨水灌入的頂棚，使用期間隨時(shí)抽排疏干孔內(nèi)積水。

2.4.3 瓦斯消散孔效果檢驗(yàn)

對(duì)瓦斯消散孔按照1次/2 h頻率進(jìn)行瓦斯氣體檢測(cè)，從檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，有少量瓦斯氣體從消散孔溢出，檢測(cè)到瓦斯?jié)舛茸畲笾禐?.3%，檢測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)間延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，約一周后大部分消散孔檢出瓦斯為0，僅有部分消散孔檢出瓦斯，濃度在0.01%～0.04%之間。說明通過設(shè)置瓦斯消散孔(見圖5)，有效釋放了氣囊存留氣體，瓦斯抽放效果明顯。

3 低瓦斯隧道盾構(gòu)法施工險(xiǎn)情處置

2016年7月4日，盾構(gòu)停機(jī)3 d后復(fù)掘進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)出渣口固定式瓦斯檢測(cè)儀報(bào)警，顯示瓦斯?jié)舛葹?%。經(jīng)過多次、多部位檢測(cè)，盾尾、出渣口、拼裝機(jī)頂部檢測(cè)瓦斯?jié)舛葹?.45%，出渣口上方液壓油缸12點(diǎn)位置瓦斯?jié)舛确逯颠_(dá)4%。現(xiàn)場(chǎng)立即切斷盾構(gòu)機(jī)電源，人員全部撤離，并加強(qiáng)隧道通風(fēng)。經(jīng)檢測(cè)瓦斯?jié)舛戎饾u降低，7月5日上午檢測(cè)顯示瓦斯?jié)舛冉禐?。

通過該次瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)報(bào)警險(xiǎn)情，充分說明了該地質(zhì)區(qū)間瓦斯氣囊存在的可能性，并提出了低瓦斯工區(qū)砂巖地層被擾動(dòng)后，少量瓦斯氣體會(huì)積聚，在打開螺旋機(jī)出土口、管片注漿口時(shí)，需要將防止局部積聚瓦斯危害，納入低瓦斯隧道管理的重點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

地鐵1號(hào)線三期低瓦斯盾構(gòu)法隧道已經(jīng)順利完工，但低瓦斯工況下地鐵盾構(gòu)隧道施工目前暫無國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，施工過程的瓦斯管控需逐步完善和總結(jié)，特別是盾構(gòu)掘進(jìn)過程中洞身范圍瓦斯的超前預(yù)探技術(shù)和通風(fēng)措施的固化。

[1] 國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局，國(guó)家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦安全規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2016.

[2] TB 10120—2002，鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范[S].

On technical measures for shield construction of low gas tunnel

Zhang Geqi

(ChinaRailwayUrbanDevelopmentInvestmentGroupCo.,Ltd,Chengdu610000,China)

Combining with the fact of the low-gas shield tunnel in the Third Phase of No.1 Line of Chengdu Subway, the paper points out the reconstruction of the electric explosion-proof in low gas, gas monitoring and ventilation scheme between shields, and ventilation scheme, and explores the methane drawing of the in the shield through the geological faults, so as to ensure the construction of the shield method of the Third Phase of the No.1 Subway.

low gas, shield tunnel, safety technique, controlling measure

1009-6825(2017)06-0199-03

2016-12-18

張哥其(1986- )，男,工程師

U455.43

A