低瓦斯地層盾構隧道施工方案研究

【中圖分類號】 U455.49

【文獻標志碼】 A

0 引言

隧道通風是隧道施工的重要環節，經濟合理的通風方案是施工人員和設施安全的重要保障[1-2]。當隧道穿越含瓦斯地層時，制定相關的應對措施尤為重要。盾構法憑借機械化程度高、對周圍影響小、污染小等優勢，近來在城市隧道中的應用越來越廣泛，盾構隧道穿越瓦斯地層的案例也越來越多，關于瓦斯地層隧道盾構的施工控制，已有不少學者進行過研究。段軍朝等[3]提出了在瓦斯隧道盾構中結合物聯網、流媒體等高新技術的集約化管控模式。梁立剛等4研究了沼氣地層的盾構穿越，創新提出了事前、事中和事后三層集成控制。石小偉等[5]提出利用抽風系統將盾構機土倉內有害氣體排出，降低土倉瓦斯濃度；以及用氮氣置換土倉的氧氣和瓦斯降低燃燒或爆炸的可能性。周少東等[通過運用專項瓦斯勘察發現了低濃度、低壓力的瓦斯，研究設計了適合武漢軌道交通2號線漢一范區間隧洞盾構的通風、監測系統等。吳賢國等[7研究重點在于，通過瓦斯的監測和預警結合紅外遙控設置集合、分布式網絡化結構和超強異地交叉斷電等技術來控制瓦斯隧道盾構風險。林文書等[8]主要就盾構螺旋出土、盾尾密封、同步注漿及二次注漿質量等方面開展研究，最后總結提出了較為成熟的盾構瓦斯隧道掘進方法。李越[重點研究了沼氣對隧道盾構的影響模式，并提出相應施工措施。

以某工程的低瓦斯盾構區間為研究背景，本文通過勘探情況分析判定了地層瓦斯等級，先確定了通風方式，后根據鐵路瓦斯隧道技術規范進行計算分析，有針對性又兼顧經濟環保地設計了主通風機的類型和安置方案，依據盾構機空氣流通情況提出了加設局部風機的方案，合理選用和布置了氣體傳感器制訂瓦斯檢測系統方案以及提出了瓦斯氣體防堵方案。可供其他類似情況的工程參考。

1 工程概況

某工程隧道拱頂埋深范圍在 10～28m 。隧道設計使用鋼筋混凝土管片，外徑 ?8300mm 內徑 ?7500mm 寬度400mm ，強度C50，抗滲等級P12。全線采用 1.2m 和 1.5m 兩種規格管片，每環采用6塊管片。

2 地質情況

本工區主要穿越地層包括黏土（硬塑）全風化泥巖、強風化泥巖、中等風化泥巖。

3 瓦斯背景

根據有害氣體檢測研究報告，地層不具有油氣儲集能力。從現場測試結果來看，平均 68.2% 的鉆孔中存在天然氣顯示。這說明了天然氣顯示的普遍性，但其濃度普遍較低，大多鉆孔天然氣檢測濃度均小于 10 000ppm （ 1% ），低于天然氣燃爆極限。這充分說明了油氣浸染的范圍減小且深度更低。從鉆孔可以看出，該區間段鉆孔巖芯都比較完整，節理裂隙不發育，所以油氣從深部向上運移通道更加不暢，也無油氣良好儲層，所以油氣浸染范圍減小，濃度也減小。有害氣體主要有可燃氣體甲烷（ CH₄ ），天然氣濃度最高達到15120×10^-6 ，低于天然氣燃爆極限。

參考TB 10120-2019 《鐵路瓦斯隧道技術規范》[10]，根據天然氣的逸出量和隧道實際開挖位置的油氣構造、地層、巖性等，綜合判定線路穿越的是微瓦斯地層，施工過程中應加強對有害氣體的監測及防護措施（如專項技術交底、加強隧道通風、選用防爆型風機等）。

4微瓦斯隧道盾構通風

瓦斯氣體進入隧道的主要方式是：含有瓦斯的渣土在開挖時通過土壓盾構機的螺旋輸送機被送載于皮帶傳送機上，皮帶傳送機在隧洞內運行時，瓦斯從渣王直接釋放于隧道中。為了實現隧道中瓦斯濃度的快速降低、保證工程安全，本工程以通風作為主要手段。

4.1 瓦斯區間通風方案

在通風方式上，首先采取了最常用的壓入式通風，軸流主風機在隧道洞口將新鮮空氣通過一次通風送到螺旋輸送機出土口。在區間始發端分別放置4臺 75kW 的主風機（每條線路配備兩臺風機，一臺備用）依靠 ?1.4m 的風筒布向隧道內輸送新鮮空氣。主風機布置見圖1。

圖1施工通風系統

盾構機中設備較多，存在一些本身空氣流動不暢且主通風難以顧及的死角，容易引起瓦斯聚集，帶來不良后果。根據規范[10]，隧道內回流風速不小于 0.25m/s ，盾構范圍內瓦斯易積聚處風速不小于 1m/s 。盾構隧道通風設計除 75kW 的主通風機外，每條盾構隧道增設局部通風機與其共同發揮作用。局部防爆風機設于盾體內的上平臺。左右兩側各1臺，功率為 2.2kW ，風量 3.2m³/s ，及連接橋上部和其中兩臺臺車頂部。類型為射流風機，功率為 15kW ，出口風速達39m/s ，有效通風距為 91.26m 。風機朝向拖車尾部，以防瓦斯在隧洞頂部匯集。局部風機的通風量不超過隧道壓入風量 Q₁ 的0.3倍。盾構設備占隧道有效截面的 30% 。

4.2風機選型相關計算

根據隧道規范及其條文，風量計算是風機選型的關鍵參考因素，主要有3種算法。（1）風機出口端供應的新鮮空氣能夠滿足隧道內達到最多工作人數時的所需，記此時出口風量為 Q₁ 。（2）風機出口的風量能夠在規定時間內將有害氣體稀釋到瓦斯允許的濃度時，記此風量為 Q₂ 。（3）施工方法不同，規范所規定的隧道內最小風速也不同。風機出口的風量能夠讓隧道風速滿足規范規定的最小風速時，記此風量為 Q₃ 。

取控制風量為 Q₁，Q₂，Q₃ 中最大值。考慮風管的損失率（ 100m 漏風率），即可確定風機需提供的總供風量 Q ，從而計算出風機所需功率和風管直徑。計算流程見圖2。

圖2計算流程

4.2.1 風量計算

4.2.1.1按施工人員用風量確定

施工期內，隧道最多工作人數取50人。

式中： Q₁ 為施工人員需風量， （m³/s） ; v 為洞內每人所需新鮮空氣量，取 3m³/min;m 為洞內同時工作最多人數，取50人； k 為風量備用系數， k 取1.1。

則： Q₁=2.75m³/s

4.2.1.2 按隧道工作面瓦斯濃度不超過允許值確定

式中： Q₂ 為工作面瓦斯濃度不超限所需風量， （m³/s） ： K 為瓦斯涌出的不均衡系數； K 取1.6; G_w 為瓦斯絕對涌出量，取 0.78m³/min;C 為工作面允許的瓦斯濃度，取 0.2% □

則： Q₂=10.4m³/s

4.2.1.3按隧道內規定的最小風速確定

根據施工要求隧道內回風速度不小于 0.5m/s 考慮。

Q₃=v×S

式中： Q₃ 為施工隧洞所需風量， （m³/s ） s 為隧道內面積，取 44.2m²：v 為洞內最小風速，取 0.5m/s 。則： Q₃=22.1 m³/s （204號

4.2.1.4根據上述計算結果，取控制風量

Q₀=Max（Q₁，Q₂，Q₃），Q₀=22.1m³/s

按風機供風量確定

式中： Q 為風機供風量， ?m³/min| ）； Q₀ 為控制風量，（m³/s） ： L 為風管長度，取 1310m;P₁₀₀ 為風管每 100m 的漏風率，取 0.3% 。

則： Q=1380m³/min

4.2.2 風壓計算

4.2.2.1 摩擦阻力

式中： 為風管沿程阻力， （Pa）：v₁ 為風管內風速， （m）s） ;ρ 為空氣密度，取 1.32kg/m³ L 為風管長度， 1310m;D 為風管直徑， 1.4m;λ 為摩擦阻力系數； λ 取0.015。

則每 100m 長度風速累計： h_y=2337.88Pa

4.2.2.2 動能損失

式中： h_d 為局部阻力， （Pa）：ρ 為空氣密度， 1.32kg/m³; v 為風管內風速， μ（m/s） 。

則： ?h_d=178.46Pa

4.2.2.3 系統風壓

式中： h 為系統風壓， （Pa）;h_y 為風管沿程阻力， （Pa）;h_d 為風管通風動能損失， （Pa） 。

則： h=2516.34Pa

風機選型推薦：按上述計算選型參數：風量大于1380 、風壓大于 2516.34Pa 。依據技術參數軟風管"。

建議選用 75kW 變頻軸流風機。其全功率下，流量：2656m³/min ;風壓： 5500Pa ;額定轉速： 1450r/min 。

5 氣體檢測方案

工程除了對甲烷氣體濃度進行檢測，對空氣中一氧化碳、氧氣、二氧化碳以及硫化氫等氣體的含量也進行了測定，

以此為依據綜合判斷瓦斯氣體將帶來的危險性。

5.1 氣體檢測系統

5.1.1 盾構機自動檢測系統

建立自動監測系統，瓦斯監測傳感器分別安裝在盾體上部、螺旋機出土口、人倉門口、臺車頂部等重要位置，除此之外，盾構機還配備了硫化氫（ H₂S ）、一氧化碳（CO）、氧氣C [0₂ ）和二氧化碳（ CO₂ ）等氣體的監測傳感器。傳感器將濃度轉換為電信號，傳給數據采集站，采集站將信號運算處理后，傳給監控計算機，通過監控計算機讀取數據，使得自動監控系統可對所監控地點的有害氣體實現遠距離、定點、長期、連續的自動監測。盾構機上安裝的瓦斯傳感器報警濃度為0.3% ，瓦斯斷電濃度為 0.5% ，當有毒氣體濃度達到限值時，系統報警功能立即啟動，發出聲光警報，警示作業人員立即采取行動。盾構機的復電濃度小于 0.3% ，斷電范圍為盾構機和臺車后配套非本質安全型電氣設備。一級氣體報警（濃度達到 0.3% ）主要完成螺旋機后閘門的關閉和整機動作的停止；二級氣體報警（濃度達到 0.5% ）主要完成地面高壓開關的斷開。在施工過程中，盾構機和后配套設備上安裝的瓦斯自動監測報警斷電儀，斷電后只能瓦斯低于 0.3% 時通過

人工進行恢復。

5.1.2人工檢測系統

每個掘進班組配備1名瓦檢員，使用兩種儀器——便攜式瓦斯檢測儀和光干式瓦斯檢測儀完成檢測。正常盾構區間，應該每間隔1h對整個盾構機中瓦斯容易匯集的位置開展人工檢測。瓦斯檢測點位置：盾構機中盾頂部油缸、盾尾內管片頂部、螺旋機出渣口、射流風機上部、每節臺車中部、臺車范圍內每 20m 的斷面，成型隧道頂部每 50m 。微瓦斯盾構區間每間隔 30min 對上述地方進行1次人工檢測。瓦檢員應做到每隔 ^2h 進行1次連續平行檢測，及時上報并記錄存檔，確保盾構隧道的安全。

5.2氣體檢測傳感器分布

盾構機上設計布置5套固定氣體檢測裝置，分別安置于盾體人艙門口、連接橋、臺車頂部、臺車皮帶機出土口。用于檢測 0₂ 含量， CH₄ 含量，CO含量、 CO₂ 含量和 H₂S 含量，并顯示于上位機界面。傳感器分別設了一級報警值和二級報警值，并且配備有報警燈和報警喇叭，能夠做到自動檢測并發出警示。傳感器的系統組成見表1。

表1傳感器系統組成

6 瓦斯氣體防堵措施

通風是處理瓦斯已經泄露于隧道之中情況下的有效手段，但除了通風，從瓦斯來源出發，將瓦斯防堵于隧道外也是重要手段。除了渣土直接釋放，瓦斯還有其他入隧途徑[10]：從刀盤與盾殼接縫處滲人；從盾尾與管片的縫隙處進入；氣體從管片襯砌接縫處或管片裂縫處進入。雖然上述途徑的瓦斯泄露量從以往的工程經驗看來，與渣土處的泄露量相比可忽略不計，但從安全的角度出發，仍有必要采取一些相應措施。

6.1掘進時渣土防逸

采用泡沫劑對渣土進行改良，使渣土的和易性和流塑性得到改善、透氣性更低，從而提高刀盤艙和螺旋輸送機出土的密封性。控制實際施工中螺旋機出土速度和開口度，可形成土塞現象，也可讓螺旋輸送機的密封性增強，降低瓦斯通過螺旋輸送機逸入隧道的可能性。每環掘進中保持刀盤艙倉位在2/3處，降低倉內壓力和出土量，從而降低瓦斯從刀盤艙溢出的可能性以及減少從渣土中釋放的瓦斯量，減輕通風機的負擔。

6.2盾尾密封

始發前必須在尾刷內涂抹優質油脂，且分3層涂抹，盾尾刷背部間隙填充飽滿，手涂油脂涂抹總量不少于10.5桶。

盾構掘進過程中，必須切實保證盾尾內充滿優質油脂并保持較高的壓力，每環盾尾油脂注入量不少于1/4桶（掘進時間30min ），以防瓦斯通過盾尾進人隧道。通過控制盾構機在掘進過程中的姿態，盾尾間隙保持均勻。

6.3管片質量控制

管片破損、錯臺及制作安裝質量均會造成地下水及瓦斯氣體滲漏，因此正常施工中嚴控成型管片質量。根據盾構機姿態與管片姿態相對位置關系，及時調整管片型號，防正因管片選型問題，造成管片破損、錯臺及盾尾滲漏；根據注漿壓力及掘進出土方量情況，保質保量跟注每環同步漿液，及時填充壁后建筑間隙，防止滲漏;如遇到地下水豐富地段，漿液流失嚴重，應及時施做止水環箍，并在止水環間注入漿液。

7 結束語

本文研究了某工區的微瓦斯地層盾構法施工。根據鉆孔勘察情況評價判斷出瓦斯地層為微瓦斯等級。每條隧洞設計了2臺 75kW 變頻軸流主風機（其中1臺備用），2臺 的局部風機以及3臺 15kW 的射流風機的通風機選型并布置在合理的位置，在滿足規范、保證施工安全的情況下也達到了節能、經濟的效果。研究選擇了盾構機上合理位置設置氣體傳感器，則濃度信息可轉換成電信號傳輸到數據采集站，再經計算機處理分析后用來指導盾構機施工決策，形成了一套適用性強的自動檢測系統。由隧道施工實際情況選擇了：改善渣土性質提高出土口密閉性，油脂密封盾尾，控制盾構姿態，控制管片質量和拼裝平整度，同步注漿等瓦斯氣體防堵措施。

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