城市地鐵隧道施工中瓦斯風險及應對措施研究

【摘要】為了考慮在地鐵隧道施工前階段瓦斯引起的安全問題。介紹了一個典型的地鐵隧道，成都地鐵18號線，提出了在施工過程中處理瓦斯問題的正確方法。闡明了瓦斯的產生機理，并探討了地層勘探過程中瓦斯風險的識別過程。為減輕施工過程中淺層瓦斯的潛在危害，提出了一種瓦斯層盾構隧道的風險識別和控制系統。

【關鍵詞】城市地鐵； 地鐵隧道； 瓦斯； 盾構隧道

【中圖分類號】U456.3+3A

0 引言

在城市交通建設中，地鐵隧道的盾構掘進技術正日益成為一種高效、快速的地鐵隧道施工方法。中國地鐵線路的總長度目前已超過6000 km［1］。隨著許多新的城市隧道的建設，更多需要解決的地質挑戰出現。近年來，由瓦斯爆炸引起的隧道施工事故造成了重大的生命和財產損失。在淺層地區進行盾構掘進施工時，面對一個嚴峻而復雜的挑戰——瓦斯風險。因此，越來越多的隧道公司和工程師關注瓦斯流入和爆炸造成的安全問題［2-3］。

瓦斯的主要成分——甲烷，通常是在含煤地層中產生的，是導致隧道事故的主要原因。甲烷主要出現在石炭紀巖層中，美國礦山安全與健康管理局（MSHA）要求甲烷的濃度應低于1.0%（其爆炸下限的1/5），以保證工作的安全［4］。最近的研究表明，在過去的半個世紀里，忽視了甲烷爆炸的潛在危險，導致了許多嚴重的隧道事故［5］。1971年的圣費爾南多隧道發生爆炸。該隧道長度為8.85 km，采用6.8 m的硬巖隧道掘進機開挖。隧道穿過一個油田，在挖掘面前鉆芯中發現了碳氫化合物的氣味。但是，沒有任何經驗和預防方法可以作為參考，導致了爆炸。這次事故奪走了17名工人的生命，并中斷施工兩年。這次事故發生后，MSHA制定了更高的安全標準，以防止類似的災難發生。2014年2月20日下午3時20分許，武漢漢口長豐大道古田二路十字路口地下突發爆炸。路面被炸得支離破碎，幾輛車被掀翻，現場多名路人被強大的爆炸氣流沖倒受傷。經判斷，是由地下箱涵瓦斯積聚引發此次爆炸［6］。瓦斯，作為由有機物分解產生的甲烷主要成分的氣體，其易燃、易爆的性質使得隧道施工面臨著極高的安全風險與環境問題［7］。

本研究的目的是通過成都地鐵18號線的實際經驗案例，展示隧道施工過程中如何處理瓦斯問題。闡明了瓦斯的生成機制以及其對隧道施工的影響。詳細介紹了該項目中針對瓦斯問題的對策和相應的應急計劃，這將對其他類似的隧道項目產生積極的影響。

1 地質條件背景及預調查

1.1 成都地鐵18號線背景

成都地鐵18號線（Chengdu Metro Line 18）是中國四川省成都市的第八條地鐵線路，于2020年9月27日開通運營首開段（火車南站至三岔站），并于2020年12月18日開通運營非首開段（三岔站至天府機場北站）。該線路全長約69.39 km，設有12座車站，包括10座地下站和2座地面站，列車采用8節編組A型列車。成都地鐵18號線是一條快線，連接著成都市區和成都天府國際機場之間的交通網絡，是成都首個PPP地鐵項目，在中國國內地鐵建設史上采用多項新技術。這條線路的開通為市民和游客提供了便捷的出行選擇，兼顧了市域客流和機場客流的需求，同時也為城市交通發展和經濟繁榮做出了積極貢獻。本文研究的重點是火車南站到天府新站，據初步調查報告顯示，隧道埋深在17～35 m之間（圖1）。

1.2 地質條件調查

在本研究中，對成都地鐵18號線地區的巖土工程特性進行了詳盡的調查和分析。調查結果如表1所示，該地區的地質構造和巖土組成復雜多樣，涵蓋了多種地層類型。

如圖2所示，初步的地質調查和勘探發現，含氣層的深度在26～32 m之間。根據瓦斯壓力測量數據，在80%（25個瓦斯排放孔中的20個）的瓦斯排放孔中檢測到瓦斯。大部分瓦斯儲存在粉質土中（6-2層），其他瓦斯在砂質黏土中（8-2層），這是由于氣體從較高的粉質土層擴散。實測壓力峰值值約為0.2 MPa。經瓦斯初步檢測后，共鉆了215個排氣孔，在地層中釋放瓦斯。報告顯示，在215個排氣孔中，有87個檢出瓦斯，占79.21%。因此，調查結果與初步調查的結果一致。

2 地鐵隧道施工

2.1 掘進方法

本工程采用赫倫克內克特公司生產的土壓平衡盾構隧道掘進機（EPB-TBM）對地鐵隧道進行開挖。如表2所示，前盾的為6.45 m，預制管段的外徑為6.20 m，有兩個螺旋輸送機，功率分別為200 kW和160 kW。如圖3所示，刀頭6.48 m，開率約為35%。安裝了四個刀具磨損探測器，監測刀頭的狀況。當刀具磨損超過限制時，沖洗系統將通知TBM驅動器更換刀具，減少泥餅形成。

2.2 瓦斯的組成與分布

對從氣體排放孔中采集的氣體樣品進行實驗分析，發現取樣氣體的主要成分為甲烷（CH4），占總氣體的90%～98%，還有少量硫化氫（H2S）。甲烷分子量：16.043，密度：0.42（-164 ℃） g/L，（標準情況）0.717 g/L，常溫下為無色無味氣體，通常被認為是瓦斯或可燃氣體的混合物，導致火災

事故風險的發生。當甲烷濃度在4.5%～14.5%之間時，可能會發生爆炸，爆炸可能性隨著氧濃度的增加而增加。

為保證隧道施工過程的安全，采用靜壓排放設備進行瓦斯排放，如圖4所示。探桿為Φ42 mm，可以避免探測孔的坍塌。

火車南站與天府新站之間共計215個瓦斯排放孔（PQK1-PQK215），間距在10～15 m之間。所選的11個瓦斯排放孔的詳細情況見表4。可以發現，不同孔內測得的瓦斯壓力差異較大，說明瓦斯的分布不均勻。為滿足施工和當地政府法規的要求，瓦斯壓力應控制在0.005 MPa以下。釋放瓦斯過程后，對5個排放孔（PQK92、PQK101、PQK123、PQK140、PQK204）進行再次進行驗證，保證氣體釋放的質量。瓦斯分布不均，揭示了本項目復雜的地質條件。各種類型的第四紀沉積物和新構造運動導致了復雜的地形。成都的土壤由于含水量高，相對“軟”。因此，軟土中瓦斯的不均勻分布給隧道開挖帶來了更多的挑戰。

2.3 施工初期瓦斯的影響

露天開挖法和TBM法都是城市地鐵隧道中常用的方法。與TBM法相比，露天開挖更容易并節約成本。但在這種方法中，瓦斯的突然爆發會導致周圍土壤的不穩定和快速擾動。此外，高壓氣體也可能導致基坑坍塌或更嚴重的事故。因此，在采用開挖方法時，確保施工安全具有重要意義。露天開挖方法的缺點是對地面運輸條件有相當高的要求。與露天開挖方法相比，開挖面受益于TBM的盾構結構，可以降低開挖面坍塌的風險。因此，在成都18號線的項目中，使用了盾構TBM來挖掘隧道。但就瓦斯而言，使用TBM的風險是瓦斯的高壓會打破板底，瓦斯突然涌入隧道會導致內部結構變形和坍塌。同時，渾濁的水會與瓦斯一起倒入TBM，造成嚴重的事故。在施工階段，瓦斯通常通過三種方式流入隧道：（1）來自刀頭和螺旋輸送機的空隙；（2）來自屏蔽尾部的間隙；（3）來自管段內部的接縫或裂縫。雖然一些排放孔表明瓦斯壓力不高，但瓦斯濃度必須控制在0.005 MPa以下，以防止施工過程中氣體中毒。

2.4 地鐵運行期間瓦斯的影響

在地鐵隧道的運行階段，瓦斯的存在會對隧道的結構和人員造成更大的危害。由于溫度、壓力和微生物活動的變化，儲存在深層的瓦斯會四處移動。瓦斯的移動會導致相應隧道段的不均勻沉降，影響軌道的布置。由于軌道的長期變形，可能會導致發生列車脫軌事故。此外，軌道和車輪之間的摩擦可能會引爆爆炸性甲烷，對地鐵運行安全造成重大威脅。當瓦斯隨著時間的推移緩慢積累時，壓力會超過隧道結構的承載極限，對地鐵隧道造成破壞。因此，必須通過適當的對策來解決瓦斯問題，以避免由瓦斯引起的更糟糕的破壞。

3 隧道開挖過程中瓦斯的對策

3.1 盾構TBM中的瓦斯檢測系統

為防止瓦斯事故，在屏蔽層TBM中建立了實時、準確的有害氣體監測系統，其中包括自動檢測部分和手動檢測部分。如圖5（a）所示，瓦斯檢測裝置安裝在TBM的高風險區域，如屏蔽尾皮密封部分，和螺旋輸送機的進出口。圖5（b）、圖5（c），顯示了實時監控和報警控制器。此外，在淤泥車上還安裝了氣體檢測裝置，以檢測運輸過程中隧道內的瓦斯狀況。根據中國標準JTG/T 3660-2020《公路隧道施工技術規范》，甲烷的濃度應控制在0.5%以下。如圖6所示，如果開挖面瓦斯濃度超過0.5%，報警系統將向地面控制中心發出警告，將及時進行氣體檢查。工人們通常會使用便攜式瓦斯檢測設備來檢查瓦斯泄漏點的確切位置。如果甲烷濃度超過1.0%，則必須切斷TBM的電源，所有工人都應離開隧道。只有在事故原因確定且施工現場未發現危險后，才能繼續施工。

3.2 盾構隧道通風系統

良好的通風系統對隧道施工的安全起著至關重要的作用。但關于使用通風系統來防止隧道內瓦斯引起的爆炸事故的研究有限。如圖6所示，成都地鐵18號線，采用了推入式通風系統，圖6（a）和圖6（b）顯示了連接到隧道外部的通風管。來自外部的新鮮空氣通過管道壓到挖掘面，擠出內部空氣。通過連續的空氣循環，使空氣質量達到可以滿足施工標準的要求。為確保整個工程的安全，應采取最強或最佳措施：（1） 在盾構機尾部注入潤滑油；（2） 對螺旋輸送機進行瓦斯監測；（3） 確保分段襯砌的質量以及分段之間的密封；（4） 運行通風系統；（5） 控制盾構機的駕駛姿態。

3.3 事故應急響應機制

除了施工期間的預防措施外，還須建立一套事故應急機制。如圖7所示，設置了一系列的組織，形成整個有序的應急響應團隊。當控制中心收到預警信息后，應急響應團隊開始行動，各部門應承擔消除相應的風險。

3.4 風險識別與控制系統

采用了三級風險識別和控制系統，防止潛在的瓦斯事故。第一個杠桿是為了“阻擋”事故的源頭。在此杠桿中，應進行全面的地質調查，以詳細檢測瓦斯的分布和條件。瓦斯排放工作應在開挖開始前完成。此外，整個項目都應進行實時監測工作。壓入通風系統在整個施工過程中通過連續的空氣循環進入隧道。當隧道內空氣質量接近標準閾值時，風壓速度和容積將加快。因此，第一級是最關鍵的部分。第二級是“事故管理”。如發生事故，將由項目總工程師啟動應急響應機制，以確保及時救援。每個組織都應采取措施來處理相應的問題。第三個層次是“事故后管理”。事故發生后，應對所有事故報告進行總結和審查，以便進行研究，減少未來發生事故的可能性。

成都地鐵18號線項目采用了三級風險識別和控制系統，以預防潛在的瓦斯事故。第一級是“封堵”事故源。在該級別中，應進行全面的地質調查，詳細檢測瓦斯的分布和情況。挖掘工作開始之前，應完成瓦斯排放工作。此外，整個項目期間應進行實時監測工作。推入式通風系統通過持續的空氣循環，將新鮮空氣從外部輸送到隧道內。當隧道內的空氣質量接近標準閾值時，空氣壓力和流量將加快。因此，第一級是最關鍵的部分;第二級是“事故管理”。如果發生事故，由項目的總工程師啟動應急響應機制，確保及時進行救援。每個組織都應采取措施解決相應的問題;第三級是“事故后管理”。事故發生后，應總結和審查所有事故報告，以便研究并降低未來事故的可能性。

4 結論

本研究對城市地鐵隧道建設過程中的瓦斯問題進行了綜合分析。澄清了瓦斯的來源和性質，幫助隧道工程師更好地了解瓦斯。此外，還詳細介紹了解決成都地鐵18號線隧道瓦斯問題的對策，可以為其他具有類似地質條件的地鐵隧道項目提供經驗。其主要結論如下：

（1）地質條件的預勘察勘探對隧道起著重要作用，應急響應機制組織結構可防止瓦斯的潛在風險。在隧道開挖前，通過地質調查可以發現瓦斯的分布和儲存情況。

（2）應根據標準將瓦斯釋放，直至壓力降低到安全值。在開挖過程之前，預先探測階段檢測到的瓦斯壓力應控制在0.005 MPa以內。

（3）在隧道施工階段，應在高風險區域，如開挖面、螺旋輸送機和盾構機尾部安裝實時監測系統和瓦斯檢測設備，以保持開挖過程的安全狀態。

（4）應建立事故應急響應機制，以預防與瓦斯相關的風險，更好地處理任何瓦斯事故，并從事故中吸取教訓。

參考文獻

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