杭海城際鐵路盾構(gòu)穿越沼氣地層施工措施研究

范潤東，趙星星，劉曉波，徐汪豪，馬 祥

（1.浙江杭海城際鐵路有限公司，浙江 海寧 314400；2.中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215000）

近年來，隨著國內(nèi)各地城市的交通需求持續(xù)增長，城市地鐵建設(shè)仍在不斷地增加。城市地鐵的興建也面臨著越來越復(fù)雜的地質(zhì)條件和工況，部分地區(qū)存在著地鐵隧道穿越沼氣地層的情況。有些地層中沼氣的含量大，氣壓高，而且地層中沼氣大部分以囊狀形式存在，給施工勘察帶來較大挑戰(zhàn)。盾構(gòu)穿越沼氣地層時存在沼氣泄露而擾動地層、沼氣聚集導(dǎo)致爆炸以及施工人員沼氣中毒的風(fēng)險，對盾構(gòu)施工帶來較大的安全隱患，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中需采取有效的對策措施。

為解決盾構(gòu)穿越沼氣地層的施工問題，國內(nèi)已有學(xué)者進(jìn)行了一些研究。目前針對盾構(gòu)穿越沼氣地層時沼氣對隧道施工的影響以及輔助沼氣釋放的施工措施較多，但考慮不同工程地質(zhì)條件、沼氣含量和分布情況以及周邊環(huán)境條件存在較大差異，需要在借鑒已有研究基礎(chǔ)上，結(jié)合具體工程實際對沼氣的專項施工處理措施進(jìn)行研究。

杭州至海寧城際鐵路余杭高鐵站～許村鎮(zhèn)站區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越沼氣地層，地層范圍內(nèi)有地下管線分布，可能對施工產(chǎn)生不利影響。沼氣的勘察、監(jiān)測以及針對沼氣分布情況的盾構(gòu)掘進(jìn)施工措施是施工的重難點。

1 工程概況

杭州至海寧城際鐵路余杭高鐵站～許村鎮(zhèn)站盾構(gòu)區(qū)間左線長3 128.22m，右線長3 128.555m，設(shè)置一座中間風(fēng)井，5 座聯(lián)絡(luò)通道，盾構(gòu)區(qū)間范圍內(nèi)新建隧道上方有較多管線分布。隧道埋深為8.6m～25m，線間距10.8～16m。

1.1 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

本工程場地地貌類型為長江三角洲杭嘉湖平原，地形平坦開闊，多為村莊、農(nóng)田，盾構(gòu)穿越地層主要為④1 淤泥質(zhì)黏土、⑤2 粉質(zhì)黏土、⑤4 粉砂、⑥2 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑥2-1 粉質(zhì)黏土、⑦2-1 粉質(zhì)黏土夾粉土層。工程場地涉及地表水體以小型河流為主，主要為場地西側(cè)的喬司港，地下水主要為第四系松散土類孔隙潛水和孔隙微承壓水，其中地下水位埋藏淺，地下水位埋深為0.1～3.0m，動態(tài)變幅一般在1.0～1.5m 左右，承壓水水位為地面下6.5m 左右，水頭標(biāo)高為-0.467m。

1.2 沼氣賦存與分布情況

綜合盾構(gòu)區(qū)間的有害氣體勘察結(jié)果可知，余杭高鐵站～許村鎮(zhèn)站區(qū)間沿線600 環(huán)（共900m）以前地層中有沼氣分布情況，部分區(qū)域沼氣分布情況如圖1 所示，沼氣氣體中甲烷含量普遍高于90%。沼氣地層中含氣層頂部埋深在地面下13.0～21.6m 之間，含氣層底板埋深在地面下15.0～31.0m 之間，主要含氣層分布于隧道結(jié)構(gòu)頂板及頂板附近范圍等隧道結(jié)構(gòu)處。

圖1 沼氣縱斷面分布示意圖

1.3 工程主要風(fēng)險分析

結(jié)合工程的地質(zhì)情況、盾構(gòu)掘進(jìn)情況以及沼氣分布特點，考慮施工過程中主要有以下風(fēng)險。

1)地層中沼氣氣囊呈雞窩狀分布，故其分布情況難以精確勘察，沼氣難以準(zhǔn)確進(jìn)行預(yù)釋放措施。

2)大部分沼氣氣囊的氣量小、氣壓低，相鄰氣囊之間的連通性差，即使經(jīng)過沼氣釋放措施后仍會有部分沼氣殘留在氣囊中。

3)地層中含氣層厚度較大，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中若出現(xiàn)沼氣釋放情況，會對隧道管片產(chǎn)生較大的變形影響，導(dǎo)致隧道出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，滲漏嚴(yán)重時地層土體隨地下水涌入還會導(dǎo)致管片斷裂。

4)沼氣預(yù)釋放時會對地層產(chǎn)生一定的影響，由于盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)域上方有管線分布，地層中沼氣一經(jīng)釋放容易對土體產(chǎn)生擾動，嚴(yán)重時還會破壞土體原有結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致已有管線發(fā)生變形。

5)盾構(gòu)及隧道管片存在一些氣體路徑，其中包括螺旋排土機(jī)、刀盤與盾殼的接縫、盾尾間隙、管片接縫和注漿孔縫隙等，沼氣可通過這些氣體路徑進(jìn)入隧道內(nèi)部，帶來沼氣泄露的風(fēng)險。

6)由于新建隧道長度較長，隧道內(nèi)沼氣的排出、排盡有較大的困難，容易導(dǎo)致沼氣在隧道內(nèi)重新聚集，同時沼氣中主要成分甲烷屬于無色無味氣體，隧道內(nèi)部的沼氣聚集難以察覺，一旦發(fā)生沼氣泄露，氣體容易在隧道頂部聚集而達(dá)到爆炸濃度，同時還會導(dǎo)致施工人員中毒。

2 沼氣地層盾構(gòu)隧道勘察及施工措施

2.1 勘察措施

由于盾構(gòu)區(qū)間沼氣賦存呈氣囊的特點，需針對這一特點開展沼氣的勘察工作，在已查明區(qū)間范圍的淺層有害氣體成分以及分布范圍的基礎(chǔ)上，再通過現(xiàn)場測試的方法，查明該范圍內(nèi)淺層有害氣體壓力和流量大小，為區(qū)間隧道下一階段的設(shè)計施工提供淺層有害氣體的狀態(tài)參數(shù)，并對淺層有害氣體影響盾構(gòu)施工的區(qū)段提供有控放氣及其他安全施工措施指導(dǎo)性技術(shù)方案。

1)勘察孔布置 淺層有害氣體勘探孔盡可能靠近在原有縱斷面上，與原勘探孔孔位錯開，在隧道外兩側(cè)以及隧道凈距中部各布置1 排探氣孔（共3 排），梅花型布置，垂直投影間距25～30m。勘探孔深宜進(jìn)入隧道底以下15m，確定淺層有害氣體勘探孔深度為30～35m。

2)氣體壓力的測定 用靜壓設(shè)備把探桿（探桿中部通氣）壓入土層預(yù)定深度后，接三通設(shè)備，將閥門1 關(guān)閉，閥門2 打開，然后逐漸上拔，待噴氣口勻速噴出氣體時再將閥門2 關(guān)閉，打開閥門1，氣體通過沉淀池將泥砂沉淀，從壓力表讀取壓力值，裝置如圖2 所示。

因噴出的氣體需克服土體間阻力，造成氣壓損失，因此直接測定法測出的壓力值往往小于真實氣壓值。噴出的水和泥砂隨著氣體被一并帶出后，最終維持平衡，此時探桿內(nèi)留有一定高度的水頭壓力P2（見圖3），而地下氣體的真實壓力P1應(yīng)該等于上部沉淀池腔內(nèi)氣體壓力P3 加上P2。由于每個孔的P2 值各不相同且無法測定，因此只能估算修正。根據(jù)收集的資料以及以往工程的經(jīng)驗，對氣壓為0.05MPa 的實測值建議加以0.05MPa 的修正，對氣壓為0.15MPa 的實測值建議加以0.1MPa 的修正，對氣壓為0.25MPa 的實測值建議加以0.15MPa 的修正，中間值建議采用內(nèi)插法計算。

圖2 氣壓測試示意圖

圖3 氣壓實際值示意圖

在本區(qū)間的勘察過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)氣體后，分別對各個勘探孔的峰值壓力值進(jìn)行測試，分析壓力測試結(jié)果結(jié)合盾構(gòu)推進(jìn)情況可以得出：本區(qū)間部分區(qū)域有地下淺層有害氣體，且大部分淺層有害氣體氣囊氣量小、氣壓低，最大值為0.1 MPa。

3)氣體流量的測定 使用橡膠管連接沉淀池和LXI-B 型光電流量儀，連接完畢打開各個閥門，用流量計出口的節(jié)流閥調(diào)節(jié)通過的氣流速度，當(dāng)流量儀電子顯示屏數(shù)據(jù)穩(wěn)定時讀取流量儀數(shù)值，如圖4 所示。實際流量計算公式為：

式中PN，TN，ρN——空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對壓力、絕對溫度和密度；

PS，TS，ρSN——被測氣體在測量時的絕對壓力、絕對溫度和密度；

QN——流量計讀數(shù)；

ZSN——被測氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓縮系數(shù)；

ZS——被測氣體在PS、TS時的壓縮系數(shù)。

圖4 LXI-B型光電流量儀

以QT13 號勘探孔為例，主要氣體成分為甲烷，前后三次的實測流量計平均流量為15L/min，流量計入口處實測溫度為30℃，絕對壓力Ps=0.10MPa，則實際流量為

2.2 沼氣預(yù)釋放措施

為最大程度減少沼氣對盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中的影響，提前控制性放氣使含氣土層提前固結(jié)是工程中遇見淺層有害氣體時最有效的施工措施。

1)放氣孔布置 放氣孔設(shè)置于盾構(gòu)隧道外側(cè)結(jié)構(gòu)線30～50m 范圍，控制標(biāo)準(zhǔn)是氣體釋放控制壓力小于0.05MPa；當(dāng)氣體釋放壓力大于0.05MPa 但距離隧道結(jié)構(gòu)線已大于50m 時也認(rèn)為是安全距離。放氣孔深度應(yīng)至隧道結(jié)構(gòu)線下5～10.0m 或氣囊底板下10m 范圍內(nèi)。放氣孔孔間距一般為15～20m，并且隧道范圍內(nèi)在結(jié)構(gòu)線左右外側(cè)3m 處各布置1～2 排呈梅花型放氣孔，放氣孔平行對稱布置。

2)放氣步驟 在采取沼氣預(yù)先釋放措施時，氣體的排放順序至關(guān)重要，由于沼氣氣囊的連通性，前方氣囊的氣釋放會帶動后方氣囊的釋放，所以不同的排氣順序?qū)ν翆拥臄_動不同，同時為了最大限度減小對含氣土層的撓動，兩個機(jī)組分別在隧道結(jié)構(gòu)線兩側(cè)同時同步同向進(jìn)行施工，施工順序如圖5 所示，單孔排放應(yīng)盡可能地將該孔內(nèi)的氣體排放干凈。

圖5 放氣施工順序示意圖

放氣時將探桿靜壓至含氣層深度，略微上拔，將探頭甩入土中，利用含氣層與探桿內(nèi)的壓差，在含氣層自然能量條件下通過探桿使氣體逐漸釋放出來，減小氣量、降低壓力。放氣一段時間后，若出現(xiàn)噴發(fā)泥、砂狀況，則迅速調(diào)節(jié)減壓閥及出氣口閥門，減小出氣口的流量，必要時可關(guān)閉出氣口閥門，靜置一段時間再慢慢打開出氣口閥門。當(dāng)出氣口不再噴出氣體，用空氣壓縮機(jī)向探桿內(nèi)注入0.7MPa 壓力的空氣，3min 后關(guān)閉空壓機(jī)，此時若仍無氣體噴出，則收回探桿進(jìn)行下一孔的施工。

2.3 甲烷監(jiān)測

沼氣內(nèi)主要成分為甲烷，為確保施工安全，及時監(jiān)測隧道內(nèi)甲烷氣體的含量，以預(yù)測沼氣泄露的可能性。除在盾構(gòu)螺旋機(jī)出土口處安裝氣體檢測儀外，在盾構(gòu)人艙位置、中盾位置、螺旋機(jī)出口位置、連接橋位置及各個臺車位置增加氣體自動檢測儀，檢測裝置如圖6 所示。

圖6 螺旋機(jī)出土口處檢測裝置

2.4 隧道通風(fēng)措施

當(dāng)隧道內(nèi)監(jiān)測到一定濃度沼氣時，需盡快將其排出、排盡，避免沼氣聚集引發(fā)爆炸及施工人員中毒，故綜合隧道情況及沼氣分布情況進(jìn)行相關(guān)隧道通風(fēng)設(shè)計，保持隧道內(nèi)空氣流暢。

施工通風(fēng)采用壓入式通風(fēng)，作為隧道內(nèi)預(yù)防甲烷濃度超標(biāo)的主要措施。始發(fā)端到風(fēng)井處設(shè)置一臺隧道專用對旋式2×37kW 的單速風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)速為2 900r/min，流量為43 000～30 000m3/h，每天24 小時持續(xù)將風(fēng)量壓入隧道內(nèi)臺車尾部，如圖7 所示，風(fēng)井處到接收端設(shè)置一臺隧道專用對旋式2×75kW 的變頻風(fēng)機(jī)，臺車尾部放置一臺22kW 的二次通風(fēng)機(jī)。同時成型隧道內(nèi)每80 環(huán)左右兩側(cè)各安裝一臺0.37kW 的軸流風(fēng)機(jī)，確保隧道內(nèi)通風(fēng)質(zhì)量，預(yù)防有害氣體聚集，如圖8 所示，風(fēng)機(jī)電源線路為單獨式，開關(guān)采用防爆盒裝置。

圖7 壓入式風(fēng)機(jī)

圖8 成型隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)

2.5 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

沼氣氣體能從多種路徑進(jìn)入隧道內(nèi)，故需采取針對性措施，從盾構(gòu)掘進(jìn)操作上盡可能控制進(jìn)入隧道內(nèi)的沼氣流量。

1)渣土改良 螺旋機(jī)出土口為甲烷進(jìn)入隧道內(nèi)的首要途徑，根據(jù)出渣情況及時向開挖面注入優(yōu)質(zhì)的泡沫劑對渣土進(jìn)行改良，一方面提高渣土的和易性和流塑性，另一方面改善土艙和螺旋輸送器出土?xí)r的密封性。通過控制螺旋輸送機(jī)出土速度和開口度，形成土塞，進(jìn)一步提高螺旋的密封性，減少甲烷從螺旋機(jī)泄入隧道。

2)姿態(tài)控制 盾構(gòu)掘進(jìn)過程中嚴(yán)格控制盾構(gòu)姿態(tài)，水平及垂直偏差不大于40mm，使盾尾間隙保持均勻30mm 左右，避免出現(xiàn)單側(cè)盾尾間隙過大，從而導(dǎo)致盾尾密封失效，漏水、漏砂、甲烷氣體等進(jìn)入盾殼內(nèi)部。

3)推進(jìn)速度與甲烷涌出量控制 根據(jù)式（2）計算甲烷涌出量

式中Q——甲烷涌出量（m3/min）；

V——掘進(jìn)速度（mm/min）；

S——隧道掘進(jìn)斷面面積（m2）；

ξ——砂性土層孔隙率（%）；

P——實測最大瓦斯壓力值（MPa）；

Pst——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（MPa）；

A——考慮盾尾及成型隧道逸出一定量的有害氣體的安全系數(shù)；

K——考慮到地層中土體甲烷釋放系數(shù)不同及釋放的不均勻性設(shè)置的瓦斯涌出系數(shù)。

根據(jù)計算，由表1 可知，將甲烷涌出量控制在0.5m3/min 內(nèi)，推進(jìn)速度控制在40mm/min以內(nèi)較為合理。

3 盾構(gòu)設(shè)備針對性改良

3.1 盾尾密封

為加強(qiáng)密封效果，盾構(gòu)盾尾采用三道密封措施，整體呈鈍角形，采用兩道焊接式鋼絲密封刷和一道鋼板刷，其中鋼板刷的剛度較大，不易折斷，能更大程度地保證盾尾密封性能。

盾構(gòu)始發(fā)前嚴(yán)格控制尾刷內(nèi)涂抹油脂質(zhì)量，需使用優(yōu)質(zhì)油脂，每道尾刷分3 層仔細(xì)涂抹飽滿。盾構(gòu)掘進(jìn)時，必須切實保證盾尾內(nèi)充滿優(yōu)質(zhì)油脂并保持較高的壓力，以防甲烷通過盾尾進(jìn)入隧道。盾尾油脂壓注量由正常隧道掘進(jìn)使用量的45kg/環(huán)提高到65kg/環(huán)，比正常情況多近0.5倍。

表1 J推進(jìn)速度與甲烷涌出關(guān)系表

3.2 加泥加水口

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中通過土艙和刀盤上的加泥加水口，加入膨潤土以改良刀盤正面渣土和土艙內(nèi)的渣土，同時對刀盤刀具起到一定的保護(hù)作用。為防止沼氣從加泥加水口處泄露，可通過加注膨潤土在刀盤正面起到一定的泥膜阻隔作用。同時在土艙和螺旋機(jī)內(nèi)加注膨潤土也可防止噴涌現(xiàn)象，控制甲烷從螺旋機(jī)出土口釋放的速度。

3.3 防爆設(shè)備

一般情況下當(dāng)甲烷濃度到達(dá)5%時遇明火就會發(fā)生劇烈的爆炸，為減小甲烷爆炸的可能、控制風(fēng)險，針對隧道內(nèi)的照明設(shè)備進(jìn)行了防爆改造，其中應(yīng)急照明和臺車照明采用防爆式，并對盾構(gòu)設(shè)備電器接頭處進(jìn)行密封處理，如圖9所示。

圖9 電器設(shè)備接頭處密封處理

4 結(jié)論

目前杭州至海寧城際鐵路盾構(gòu)已完成接收，盾構(gòu)順利穿越了沼氣地層。在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，經(jīng)沼氣監(jiān)測措施，盾構(gòu)掘進(jìn)期間左線檢測甲烷濃度最大值為0.35%，右線檢測甲烷濃度最大值為0.45%，均低于0.5%，施工過程中未出現(xiàn)施工人員中毒以及沼氣爆炸的情況，同時隧道內(nèi)管片也未出現(xiàn)開裂等變形現(xiàn)象，并且沼氣釋放對地層的擾動影響得到了有效控制，未對隧道上分已有管線產(chǎn)生影響。通過采用預(yù)先釋放、氣壓及流量監(jiān)測、隧道通風(fēng)、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整和盾構(gòu)設(shè)備改良等對策措施，有效保證了盾構(gòu)穿越沼氣地層的施工安全。