地鐵高瓦斯隧道的施工方法選擇

段軍朝 布占江 何凱罡 徐 智

(1.華中科技大學土木與水利工程學院，430064，武漢； 2.中建三局集團有限公司，430064，武漢；3.中建三局基礎設施建設投資有限公司，430061，武漢 ∥ 第一作者，高級工程師)

成都軌道交通6號線和18號線穿越油氣田區，部分隧道位于高瓦斯區段。這種地層條件在國內地鐵領域尚屬首次，也給工程技術人員帶來嚴峻挑戰。

文獻[1-9]針對高瓦斯區間隧道施工中的瓦斯監測、設備防爆改裝、爆破開挖、隧道通風、安全防控等方面展開了相關研究，取得了較為豐富的研究成果。但關于高瓦斯隧道不同施工方法的對比研究較少，尤其是缺乏針對泥巖、砂巖等特定地層條件下的相關研究。

本文主要從施工安全、施工工期、施工造價和環境保護等方面入手，以成都軌道交通6號線(以下簡為“6號線”)三期工程為依托，探討城郊高瓦斯地鐵隧道的施工方法，對比分析試驗段各種開挖方法的優劣，以期為后續泥巖、砂巖及高瓦斯地層隧道施工提供參考。

1 工程概況

6號線三期工程正線全長22 km，位于成都市高新區和天府新區，線路呈由北向南再至西走向，貫穿蘇碼頭構造及其油氣田主要發育區，并受到鹽井溝構造和龍泉山三大灣氣田的影響。專項勘察期間，蒲草塘站—萬安站、萬安站—麓山大道站、麓山大道站—沈陽路站、沈陽路站—青島路站、青島路站—廟兒堰站5個區間共布37個鉆孔，間距約120 m；甲烷的質量分數在0～85 000 mg/L范圍內，部分達到天然氣燃爆極限。同時部分鉆孔還檢測到少量的CO和H2S氣體，結合蘇碼頭油氣田構造條件下淺層天然氣的形成、儲藏、運移和逸出特征，判定此5個區間為高瓦斯區間。

5個高瓦斯區間埋深為7～26 m。地鐵隧道結構斷面范圍內主要為泥巖、砂巖，可細分為強風化泥巖、中風化泥巖、強風化砂巖、中風化砂巖，巖質較軟。中風化泥巖天然單軸抗壓強度為2.33～6.36 MPa，中風化砂巖飽和單軸抗壓強度為7.06～18.49 MPa。巖石節理裂隙較為發育，地勘報告中確定的圍巖級別為Ⅴ級圍巖。沿線地下水主要是上層滯水、第四系孔隙水和基巖裂隙水，但大部分基巖的含水量較少。

6號線三期工程大部分位于城郊，其中的萬安站—麓山大道站、麓山大道站—沈陽路站、沈陽路站—青島路站、青島路站—廟兒堰站4個區間周邊環境相對簡單，大都屬于荒地或已經拆遷的農房，僅有蒲草塘站—萬安站區間約300 m處于新建道路正下方。另外萬安站—麓山大道站區間橫向穿越市政道路1條，小里程端西側有居民小區1個；麓山大道站—沈陽路站區間橫向穿越市政道路2條、側穿中國移動辦公樓1座，小里程端西側有居民小區2個、東側有居民小區1個。

2 地鐵高瓦斯隧道區間的施工方法選擇

2.1 設計階段施工方法選擇

地鐵區間工程常用的施工方法主要有盾構法、礦山法和明挖法。方法選用需要考慮建設造價、工期計劃、結構埋深、地形地貌、工程地質及水文地質、周邊環境、渣土外運難易等因素。

盾構法以其自動化程度高、施工速度快、開挖時地面沉降易控制、受地面建筑物影響小、作業環境較好等優點，已成為區間隧道施工的首選方法。但盾構法在高瓦斯隧道的應用屬于空白地帶，盾構法在低瓦斯隧道中應用的相關文獻也十分稀少，已知的安全保障措施主要為：

1) 配備瓦斯監控系統，實現盾構機瓦電閉鎖，并輔以人工檢測；

2) 加強洞內通風，采用大直徑抗靜電阻燃風管，延長風管出口，配備局部風扇，實現盾構機風電閉鎖；

3) 洞內采用水冷干式變壓器、防爆電纜、防爆燈具、防爆電話，配置備用發電機；

4) 采取掘進姿態控制、渣土改良、盾構密封、管片拼裝等環節的輔助措施；

5) 進洞門禁、動火審批等管理措施。

由此可見，針對盾構機和電瓶車本身的防爆技術措施不足，不能達到隔爆型或本質安全型電氣設備的技術要求，若在高瓦斯隧道采用盾構法施工，安全風險很高。

礦山法是十分成熟的隧道施工方法，地鐵區間埋深一般較淺，也被稱為淺埋暗挖法。與盾構法相比較，礦山法隧道斷面可以靈活多變，線路的曲線半徑可以更小。因地鐵工程主要位于城鎮，對地表沉降控制較為嚴格，需要強調地層的預支護和預加固，即“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、早封閉、勤量測”。對于本工程而言，圍巖節理裂隙發育，區間部分斷面頂部處于強化巖層，進洞段考慮采用管棚支護，進洞之后考慮采用小導管超前注漿等措施；分部開挖方式可根據斷面大小選擇，以達到控制變形的要求；另外，礦山法在高瓦斯隧道應用的成功案例已經很多，現有的技術和管理措施相對成熟，基本能夠保障高瓦斯隧道施工的安全。因此，礦山法是較為適用的施工方法。

明挖法能夠最大程度地降低甚至消除瓦斯給施工帶來的安全風險。工作面可以根據需要進行設置，施工速度較快，工程造價相對較低，但也受到周邊環境、結構埋深、地下水、土石方開挖難易度及土方外運等因素的影響。基坑支護、降水措施、土石方開挖及回填等工程量隨著這些因素的影響會產生很大的變化。

綜上所述，應采用礦山法和明挖法相結合的方式進行地鐵高瓦斯隧道施工，其優劣對比分析詳見表1。結合工程實際情況，兼顧工期、安全、造價、適用性等因素，本項目5個高瓦斯地鐵隧道區間實際采用的施工方法如圖1所示。

圖1 地鐵高瓦斯隧道區間的施工方法分布

表1 地鐵高瓦斯隧道區間明挖法與礦山法對比表

2.2 施工階段開挖方法選擇

2.2.1 開挖方案初選

礦山法隧道的開挖方法多種多樣，從斷面開挖順序上可分為全斷面法、臺階法、中隔壁法和雙側壁導坑法。從巖土體破除方式上包括鉆孔爆破法(即鉆爆法)和機械開挖法。機械開挖常用設備有懸臂掘進機、挖掘機或由其改裝而成的“炮機”等機具。

1) 高瓦斯隧道單洞單線開挖斷面總面積為39.16 m2，跨度為6.76 m，屬于小斷面隧道。考慮圍巖節理裂隙發育和變形控制要求，選用短臺階法施工，分上臺階以及下臺階和仰拱兩步進行開挖和支護，上臺階初期支護增設鎖腳錨桿，并將其作為臨時支撐控制拱頂沉降和圍巖變形。

2) 高瓦斯隧道鉆爆開挖技術較為成熟，主要安全技術要求如下：①采用濕式鉆孔；②采用煤礦許用炸藥，嚴禁反向裝藥；③采用電力起爆，并使用煤礦許用電雷管，當使用煤礦許用毫秒延期電雷管時，最后一段的延期時間不得大于130 ms；④爆破網絡必須采用串聯連接方式，瞬發電雷管與毫秒電雷管不得在同一申聯網絡中使用；⑤采用防爆型起爆器作為起爆電源，一個開挖工作面不得同時使用兩臺及以上起爆器起爆；⑥嚴格控制裝藥前、爆破前和爆破后的洞內瓦斯濃度。對于本工程，線路周邊環境較為簡單，對爆破振動控制要求不高，少量鄰近既有建(構)筑物地段可以改為機械開挖方式，但Ⅴ級圍巖條件下超欠挖控制還需要進一步研究論證。

3) 懸臂掘進機早期主要用于煤礦工程，近年來逐漸被應用到公路、鐵路及水工等隧道工程，但尚未在地鐵高瓦斯隧道工程應用[10-12]。目前，市面上的掘進機主要有防爆和非防爆兩種類型，即煤礦掘進機和隧道掘進機，從安全角度出發，煤礦掘進機能夠適用于高瓦斯隧道。煤礦掘進機的型號多樣，以徐工系列為例，鏟板寬度為2.8～3.8 m，機身尺寸在2.200 m×1.470 m至3.000 m×2.195 m(寬度×高度)范圍內，定位切割范圍為4.00 m×4.84 m至5.70 m×7.10 m(寬度×高度)；最大切割巖石強度為70～130 MPa，經濟切割巖石強度為60～100 MPa；供電電壓有AC 660 V和AC 1 140 V兩種；爬坡能力最大為18°。區間隧道單洞單線斷面分部開挖輪廓尺寸最大為6.76 m×3.38 m(寬度×高度)，隧道斷面內巖石強度均小于經濟切割強度。綜上所述，可初步判定懸臂掘進機能夠適應本工程的基本條件。

為進一步研究鉆爆法和懸臂掘進機開挖法的優劣，選取試驗段進行施工對比研究。試驗段初期支護中鋼架間距為0.9 m，循環進尺按2榀鋼架間距，即1.8 m控制。

2.2.2 鉆孔爆破開挖

根據工程特點，上、下臺階均采用光面爆破的方式進行淺孔松動爆破。利用延時爆破理論，增強碎巖作用、降低振動效應、減小巖體拋擲及提升斷面成型效果，遵循“多打孔、少裝藥、多分段”原則。采用YT28氣腿式鑿巖機鉆孔，鉆孔直徑為40 mm；采用水平楔形掏槽方式，掏槽眼和底板眼深度取2.3 m，輔助眼和周邊眼深度取2 m；藥卷統一采用φ32 mm、長20 cm藥卷(三級煤礦許用乳化炸藥)；雷管采用煤礦許用毫秒電雷管1～5段，最后一段延期時間為100 ms；上臺階單循環裝藥量為28.8 kg，下臺階裝藥量為26.7 kg；周邊眼、輔助眼、掏槽眼和底板眼裝藥集中度分別為0.2 kg/m、0.35 kg/m、0.39 kg/m、0.39 kg/m，炸藥單耗為0.8 kg/m3。爆破網絡如圖2所示。

圖2 爆破網絡示意圖

2.2.3 懸臂掘進機開挖

選用EBZ 160型懸臂掘進機施工，機身尺寸為2.33 m×1.65 m(寬度×高度)，整機質量為47 t，總功率為265 kW，定位切割范圍為5.4 m×4.8 m(寬度×高度)，最大切割巖石強度為80 MPa，裝載能力為4.32 m3/min。上臺階采用由中間向外逐漸擴大、近似于同心巖掘進的截割方式(見圖3)，下臺階采用自上而下的截割方式。

圖3 懸臂掘進機施工現場照片

2.2.4 開挖方法結果對比

2.2.4.1 施工工效

鉆爆法主要工序平均耗時統計：鉆孔3.5 h，裝藥3 h，爆破、超欠挖處理和出渣12 h，立架7 h，噴錨8 h，合計循環一次需要33.5 h。受到火工品供應、渣土外運等因素影響，綜合進尺約每月30 m。

懸臂掘進機法主要工序平均耗時統計：開挖與出渣7 h，立架7 h，噴錨6 h，合計循環一次需要20 h。受到渣土外運、設備故障等因素影響，綜合進尺約每月60 m。

由此可見，懸臂掘進機施工工效顯著高于鉆爆法，一是因為懸臂掘進機采用了邊掘進、邊出渣的先進工藝，改變了工序銜接關系，壓縮了施工用時；二是因為在高瓦斯隧道實施爆破，需要嚴格執行一炮三檢和3人連鎖放炮等復雜管理程序，掌子面附近的監測傳感器和風筒出口段需在爆破前后進行移動，進而增加了爆破過程時間消耗。另外，城市地鐵施工中對火工品的管理也更加嚴格，偶爾存在火工品禁用和斷供問題，影響現場施工的連續性。

2.2.4.2 施工質量

采用鉆爆法施工時，由于圍巖節理裂隙發育，光面爆破效果較差，超欠挖問題難以控制，超欠挖處理也導致了整體工效的降低。懸臂掘進機能夠精確控制截割頭的截割路徑，基本不會出現超挖；若出現欠挖部分，通過局部修整則可達到規范要求，因此，與鉆爆法相比，懸臂掘進機開挖斷面成型質量更好。

2.2.4.3 施工安全

懸臂掘進機為防爆設備，只要做好設備的日常檢查、維護和保養，便能很好地保障瓦斯隧道施工安全。而鉆爆法施工工序多、管理程序復雜，對施工單位的管理水平提出了更高的要求。施工過程中容易出現飛石擊損風筒、爆堆中殘留炸藥等安全問題，爆破振動也易引起附近居民投訴，因此，鄰近重要建(構)筑物還需進行專門監測。

2.2.4.4 施工造價

經測算，懸臂掘進機施工造價高于鉆爆法約20%，主要是因為設備租賃費偏高。

3 結論

1) 城郊地鐵高瓦斯區間隧道在設計階段應綜合考慮工程造價、施工安全、工期要求和周邊環境等多方面的因素選取施工方法。盾構機和電瓶車不能達到隔爆型或本質安全型電氣設備的技術要求；高瓦斯隧道不應采用盾構法施工，宜優先選用明挖法施工；當基坑開挖條件受限或埋深過大時，可采用礦山法進行施工，這兩種方法應根據工程實際情況組合使用。

2) 與鉆爆法相比，采用懸臂掘進機開挖地鐵高瓦斯隧道，在施工工效、施工質量和施工安全等方面具有顯著優勢。懸臂掘進機施工速度是鉆爆法的兩倍，但施工造價相對較高，懸臂掘進機每延米施工造價高于鉆爆法約20%。