盾構穿越運營地鐵中遇不良地質沼氣層時的治理和防范措施

楊成龍

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

隨著各大城市軌道交通的蓬勃發展，在盾構施工過程中遇到的不良地層也越來越多樣。淺層沼氣是地下空間開發所可能遇到的地質災害之一[1]。淺層沼氣的釋放，可能會導致土層失穩，造成無可挽回的重大損失。此外，沼氣產生后會分散在空氣當中，當達到一定的濃度之后遇到明火時就會發生爆炸，對人身安全以及工程安全產生不利影響。如何安全有效地減小淺層沼氣帶來的重大危害，是當前軌道交通工程以及其他地下工程發展過程中必然要面對的難點之一。

1 工程概況

上海市軌道交通15號線工程土建14標段古北路站—天山路站區間隧道頂部埋深20.1～27.7 m。在天山路古北路附近距進洞約24 m處，上、下行線隧道將先后穿越運營地鐵隧道下方后進洞，穿越長度約20.3 m，穿越處在建隧道與運營地鐵隧道呈61°斜交，兩隧道間垂直距離最小僅為1.9 m（圖1），給區間盾構推進施工和運營地鐵隧道結構安全造成極大影響。

圖1 在建隧道穿越運營地鐵隧道剖面

古北路站—天山路站區間隧道主要穿越的土層為：⑤1-1層灰色黏土、⑤1-2層灰色粉質黏土、⑤2層灰色黏質粉土、粉質黏土互層。

2 沼氣泄漏及產生的危害

2.1 沼氣泄漏情況

古北路站—天山路站上、下行線盾構區間采用凍結法加固接收。南井下行線4點至8點方向的凍結孔在焊接過程中，發生明火燃燒現象，可以持續10～120 s不等。在后續鉆孔過程中，多次發生噴氣現象。另外，在天山路車站基坑開挖過程中也有氣泡冒出。使用氣體檢測儀對氣體進行檢測，確認氣體主要為沼氣（主要成分為甲烷）。通過查看地質勘察報告和設計圖紙相關信息，結合凍結鉆孔過程工況分析，初步判斷沼氣主要來自⑤1-2層粉質黏土及下臥的部分⑤2層土。

2.2 運營地鐵隧道沉降情況

布置在運營地鐵隧道內的電子水平尺前期數據顯示，沼氣泄漏后運營地鐵隧道發生較大的沉降。為此，項目部立即停止凍結鉆孔施工，并對9月1日—9月10日的監測數據進行系統梳理與分析。分析電子水平尺歷時曲線后得知，沉降值于9月2日—9月6日開始發生突變（1.0 cm左右），于9月8日—9月9日發生明顯突變（1.6 cm），表明淺層沼氣泄漏對地層沉降以及地鐵隧道結構安全影響嚴重。

3 主要處理措施

3.1 地質雷達探測

為更好地了解運營地鐵隧道沉降情況，以及周邊土層的流失狀況，項目部對與工程相關的區域進行了地質雷達探測，同時到運營地鐵隧道內部對管片底部也進行探測。探測結果顯示，局部地表淺部1～3 m、4～10 m有土層松動、滑移現象（圖2）。

圖2 地質雷達探測結果

3.2 打設放氣孔與注漿孔

根據監測數據，在擬建隧道下行線及西南側方向地面發生約5 cm的沉降，為緩和沉降曲線的半徑以及確保穿越施工安全，減少對運營地鐵隧道的整體危害，在靠近運營地鐵隧道及進洞區范圍的地面上開32個垂直孔，孔深33 m。垂直孔分成16組，1個放氣，1個同步注漿，填充氣體流失的空隙[2]，如圖3中紫色和黃色點位所示。

注漿孔和放氣孔開孔直徑均為127 mm，深度33 m，新建隧道埋深為28 m。注漿管和放氣管采用DN40 mm（1.5英寸）、50 cm一節、PVC材質的花管，在注漿孔位置設置單向閥（圖4）。在放氣管頂部設置簡單的計量工具，以確定注漿量（1.5～2.0倍氣體體積）。

圖3 放氣孔和注漿孔開孔位置

圖4 地面開孔與壓漿

3.3 運營地鐵隧道內部應急注漿施工

應急注漿范圍為運營地鐵隧道上行S914—S943，下行X832—X890，總計89環。采取一跳一開孔[3]，預開孔45環，每環2孔，總計90孔。

注漿施工流程：安裝防噴裝置→鉆穿管壁→插入注漿芯管，打設注漿管→連接注漿管路→注漿、拔管→拔除注漿管→重復注漿→封孔（圖5）。

圖5 隧道內部應急注漿示意

采用水泥-水玻璃雙液漿，單次注漿高度20 cm，單次注漿量80～120 L。當注漿量達到每次注漿的要求或者單次注漿抬升超過報警值（3 mm）時終止注漿。

3.4 運營地鐵隧道監測

為保證地鐵安全運營，在運營地鐵隧道內部應急注漿施工和盾構穿越施工期間，在運營地鐵隧道影響區段內布設自動化監測系統，將監測數據及時傳輸到監控室，通過運營地鐵隧道內實時、精確的監測數據指導注漿施工和盾構穿越施工。

3.5 人員保護措施

在盾構機內安裝氣體檢測儀器（與推進系統聯動），同時安全員每班施工前佩戴防毒面具（附帶氧氣瓶）并使用便攜式氣體檢測儀器對隧道內進行氣體檢測，尤其是盾構頭部拼裝區域和螺旋機出泥口，增強對可燃氣體的檢測。當盾構氣體檢測儀器報警時，觸發氣體稀釋裝置，釋放高分子穩定綜合劑，稀釋有毒有害氣體。隧道內施工人員每人佩戴防毒面具，穿著防靜電工作服。每班推進之前，由佩戴有氧氣鋼瓶面罩的工作人員使用手持式氣體分析儀器測試。開啟正反送軸流風機，加強隧道內的通風[4]。

為進一步保證施工安全，盾構照明設備更換為防爆燈，盾構油箱涂刷反射隔熱涂料，油路閥門更換為防火閥，同時更換油閥密封圈。隧道內電纜更換為阻燃電纜，每日派工人對隧道內的易燃物品進行清理。

4 處理后效果

運營地鐵隧道發生沉降后，根據自動化監測數據及時進行運營地鐵隧道內部應急注漿，以控制其沉降發展。自9月10日—9月15日，共進行4次注漿施工，累計注漿量18.45 m3，單孔每次注漿量80～120 L，采取少量多次的注漿方式，在加固土體的同時，盡量減少注漿對土體的擾動。

運營地鐵隧道內部應急注漿6 d后，運營地鐵隧道下行線沉降基本穩定，最大沉降變化量為－0.30 mm。至9月16日19：30，累計最大沉降－0.50 mm，累計最大隆起1.37 mm（為準確控制應急注漿量，注漿前對電子水平尺監測數據進行歸零）。

5 結語

淺層沼氣泄漏作為一種工程地質災害，對新建工程乃至已有建（構）筑物的質量與安全都存在著重大威脅。由于地下空間的不斷開發，施工過程中遇淺層沼氣的情況無法避免。

本工程通過采取地質雷達探測、打設放氣/注漿孔、運營地鐵隧道內部應急注漿施工、運營地鐵隧道監測、施工現場防毒防爆等一系列措施進行綜合治理和防范，解決了由于沼氣泄漏而導致土層大幅沉降的問題，確保了運營地鐵隧道與在建隧道的施工安全，可為今后類似工程的施工提供借鑒。