沼氣對盾構(gòu)隧道的影響及施工控制措施

李 越

（上海軌道交通12號線發(fā)展有限公司，200070，上?！谓?jīng)濟(jì)師）

目前，我國許多城市已在大規(guī)模地開發(fā)利用地下空間，如修建地鐵、地下商城、地下車庫等，取得了許多成功的經(jīng)驗(yàn)。然而，在開發(fā)利用地下空間過程中也遇到了許多棘手的問題，部分沿海沿江城市（如上海、杭州、廣州、武漢等）在地下工程建設(shè)中遇到的淺層沼氣地質(zhì)災(zāi)害問題就是其中之一。地下沼氣囊體的存在必將對地下空間的開發(fā)帶來制約：①已建地下建筑物下如果存在沼氣囊體，一旦沼氣釋放，必將給地下建筑物帶來毀滅性的破壞；②沼氣對正在建設(shè)中構(gòu)筑物的施工質(zhì)量影響極大，并可能會(huì)引起燃燒和爆炸，對施工人員的人身安全帶來極大的威脅；③氣體在軟土中的滲透速度是水的70倍，已建的地下建筑如果有微裂縫，沼氣將會(huì)沿此縫隙進(jìn)入地下空間，威脅施工人員的生命安全。

唐益群等［1］結(jié)合野外實(shí)際勘察資料，提出了淺層沼氣的賦存具有分帶性的觀點(diǎn)。具體描述了各帶中土的結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)就沼氣對各帶土的工程性質(zhì)及其對地下工程的影響作了簡要的分析；含有沼氣的土層的工程性質(zhì)也會(huì)有所改變。

唐益群等［2］根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲知：土體強(qiáng)度隨著氣體壓力的升高而升高，到達(dá)某一氣壓時(shí)，強(qiáng)度值達(dá)到峰值，然后土體強(qiáng)度隨氣壓升高而下降。

王勇等［3－4］，孔令偉等［5］通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)對杭州地鐵經(jīng)過地區(qū)的儲(chǔ)氣砂土抗剪強(qiáng)度特性、滲氣性及應(yīng)力路徑作了規(guī)律性的研究。

唐益群等［7］分析了沼氣對隧道施工的危害并總結(jié)出了沼氣的處理措施和安全施工控制決策。

馬笑遇［8］分析了沼氣對越江隧道施工的影響并提出一種隧道中沼氣的監(jiān)控措施。

高武［9］分別從沼氣對盾構(gòu)刀盤、出土、注漿、隧道結(jié)構(gòu)的影響作出分析，并提出了在不同施工階段的應(yīng)對措施。

代仁平等［10］利用事故樹分析法對其盾構(gòu)隧道的開挖過程中沼氣爆炸風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，尋找沼氣爆炸的關(guān)鍵控制點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際情況提出控制措施。

本文在廣泛調(diào)研國內(nèi)外沼氣對隧道工程施工危害研究方向的基礎(chǔ)上，通過對含有沼氣土層工程性質(zhì)與沼氣對隧道施工影響模式的分析，總結(jié)出在含有沼氣地區(qū)施工隧道應(yīng)注意的問題和相關(guān)施工控制、環(huán)境保護(hù)措施。

1 含有沼氣土層的工程性質(zhì)

沼氣是有機(jī)物在無氧（厭氧）的條件下，經(jīng)微生物分解所產(chǎn)生的一種可燃性混合氣體，其主要成份是甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）。根據(jù)文獻(xiàn)［7］中的資料：位于長江和黃浦江交匯處的入海口9.1標(biāo)段，取樣分析地層中沼氣的主要成分是甲烷（CH4），約占87.00%～98.70%；其次為二氧化碳和氮?dú)?，約1.43%～12.97%；其它為各種烷類缺失（見表1）。

表1 沼氣成分體積分?jǐn)?shù)表［7］

1.1 沼氣的產(chǎn)生

上海地區(qū)為新生代的沉積平原，以海相為主的第四紀(jì)地層和以陸相為主的新第三紀(jì)地層，呈假整合接觸。在第四紀(jì)的幾次海進(jìn)、海退中，交替沉積了數(shù)套富含有機(jī)質(zhì)的淤泥層和砂層，形成了“粘性土層—砂性土層—粘性土層”的典型地層結(jié)構(gòu)。粘性土層（含有機(jī)質(zhì)）是生氣層，它具有雙重性質(zhì)，即生氣又具封閉能力。因?yàn)檎承酝翆又型写罅坑袡C(jī)質(zhì)，在地下還原環(huán)境下，有機(jī)質(zhì)經(jīng)過微生物的降解作用產(chǎn)生沼氣，其主要成分是甲烷、氮和二氧化碳。這些沼氣一部分被封閉在粘性土層中，一部分在土層固結(jié)過程中溢出到相鄰的砂性土層中儲(chǔ)存起來。砂性土層是沼氣的主要儲(chǔ)集層，其中的沼氣大部分來自臨近的粘性土層，極少部分由砂性土層自身所含的有機(jī)質(zhì)分解生成。由于沼氣的密度比較小，當(dāng)砂性土層比較均勻時(shí)，沼氣會(huì)首先在砂性土層的頂板附近富集。但是如果砂性土層的不同部位因受沉積環(huán)境的影響而粒度成分不同，沼氣更易于在砂性土層顆粒較粗、分選性較好的部分富集，這是因?yàn)樵摬糠挚紫兜捏w積相對較大，粘粒含量少，孔隙連通性也較好，氣體流動(dòng)順暢［1］。這也是野外鉆探時(shí)，部分鉆孔在剛剛揭穿含氣砂性土頂板時(shí)并不噴氣，而繼續(xù)下鉆一定深度后才噴氣的原因。

另外，學(xué)習(xí)東部發(fā)達(dá)省份的經(jīng)驗(yàn)，在有條件的情況下，由當(dāng)?shù)卣鲑Y購買服務(wù)，號召更多的非政府組織參與社區(qū)矯正工作。

1.2 儲(chǔ)氣砂土的強(qiáng)度

儲(chǔ)氣砂土雖作為一種特殊非飽和土，但仍可以用非飽和土力學(xué)試驗(yàn)方法和理論為基礎(chǔ)來認(rèn)識它的工程性狀。非飽和土強(qiáng)度理論與飽和土一樣以Mohr－Coulumb準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，強(qiáng)度公式可以統(tǒng)一表述為：

式中：

cT——總凝聚力，對于飽和土，cT等于飽和土的有效黏聚力c′；對于非飽和土，c＝c′＋τus，其中τus為基質(zhì)吸力引起的抗剪強(qiáng)度；

ua——孔隙氣壓力，飽和土?xí)r孔隙氣壓力ua等于孔隙水壓力uw；

φ′——飽和土的有效內(nèi)摩擦角。

文獻(xiàn)［2］中指出即土體強(qiáng)度隨著氣壓的升高而升高，在某一氣壓時(shí)達(dá)到峰值，然后土體強(qiáng)度開始下降；儲(chǔ)氣砂抗剪強(qiáng)度均隨基質(zhì)吸力的增大而增大，在吸力小于殘余含水率對應(yīng)基質(zhì)吸力20 kPa時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨基質(zhì)吸力增加幅度較快，隨后趨于緩和，基質(zhì)吸力對儲(chǔ)氣砂抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)越來越不顯著。

2 沼氣對盾構(gòu)隧道的影響模式

由于沼氣在土層中所處的位置和儲(chǔ)存形式的不同，其對盾構(gòu)隧道的影響模式也會(huì)不同，為了能夠更明確具體地把問題分析清楚，從施工和運(yùn)營兩個(gè)階段來分析。

2.1 施工階段

① 對現(xiàn)場施工人員造成呼吸困難甚至中毒；

② 沼氣達(dá)到一定濃度時(shí)，可能會(huì)發(fā)生爆炸，造成人員機(jī)械的傷壞，甚至對在建的隧道造成損傷；

③ 沼氣的釋放會(huì)造成土體擾動(dòng)、結(jié)構(gòu)破壞，使隧道發(fā)生變形（見表2）。

2.2 運(yùn)營階段［6］

對于地鐵隧道，深厚儲(chǔ)氣層中有害氣體的緩慢溢出會(huì)不同程度地造成地基的不均勻沉降，影響列車快速運(yùn)行安全；如果隧道內(nèi)溢出的有害氣體不及時(shí)排出，電器、車輪與軌道碰撞摩擦等產(chǎn)生的火花也將對地鐵列車的安全構(gòu)成極大的威脅。對有害氣體的緩慢溢出，監(jiān)測較困難。如果溢出到地下建筑中的有害氣體得不到及時(shí)的處理，在地鐵站內(nèi)，因人員密度較大，很容易造成人員中毒。如果有害氣體濃度較大，遇到明火，很容易形成火災(zāi)，甚至發(fā)生爆炸，后果將十分嚴(yán)重。對緩慢溢出后聚集在地下建筑與周圍土層結(jié)合處的有害氣體，當(dāng)壓力或儲(chǔ)量達(dá)到一定量后，有害氣體從地下建筑的防滲薄弱環(huán)節(jié)突然涌入也會(huì)造成突發(fā)性事故。氣體在運(yùn)營期的緩慢溢出也會(huì)不同程度地造成地基的不均勻沉降，影響地鐵運(yùn)行速度和安全。

表2 施工階段沼氣對盾構(gòu)施工的影響

3 含有沼氣土層盾構(gòu)隧道施工控制措施

為減小沼氣對于盾構(gòu)施工的影響，可以從以下幾個(gè)方面采取適當(dāng)?shù)拇胧菏┕で皩φ託膺M(jìn)行釋放；施工中對沼氣進(jìn)行監(jiān)控，并且按照一定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通風(fēng)；采取一定措施，增加隧道結(jié)構(gòu)的密封性；對電器設(shè)備進(jìn)行防爆改造。

3.1 施工前的沼氣釋放

在勘察階段，必須得探明地下沼氣的組成成分、分布區(qū)域、儲(chǔ)存形式和物理化學(xué)性質(zhì)。選線時(shí)，可以有選擇地避開相關(guān)地區(qū)；如果不能避免，列出在該地區(qū)施工隧道時(shí)潛在風(fēng)險(xiǎn)和可能出現(xiàn)的影響，在設(shè)計(jì)、施工之前就對某些節(jié)點(diǎn)做好防范措施。

另一方面，在盾構(gòu)推進(jìn)的方向沿著軸線在兩側(cè)布置鉆孔抽氣，盡可能在隧道施工前將盾構(gòu)推進(jìn)軸線方向的沼氣囊中的沼氣全部放掉。在盾構(gòu)機(jī)的內(nèi)部，也可以在盾構(gòu)刀盤之前設(shè)置超前探管，在盾構(gòu)到達(dá)之前將地層中遺留的沼氣通過超前探管引入管路直接排放到地面。防止沼氣進(jìn)入隧道，在施工之前對土層中沼氣的排放可以減少在施工和運(yùn)營中隧道中沼氣的含量，進(jìn)而減少沼氣中毒、火災(zāi)、爆炸等危害的發(fā)生。

3.2 隧道中沼氣的監(jiān)控與預(yù)測

沼氣爆炸的3個(gè)條件是：沼氣濃度、火源、足夠的氧氣，三者缺一不可。當(dāng)在含有沼氣的地區(qū)修建盾構(gòu)隧道、地下通道和基坑等地下工程時(shí)，沼氣爆炸而引發(fā)的特大型事故在很大程度上是由以下原因造成：①對于沼氣信息的漏測和漏檢，以至于不能夠全面掌握隧道內(nèi)的沼氣含量狀況；②現(xiàn)場人員對施工過程中的沼氣監(jiān)測數(shù)據(jù)所顯現(xiàn)的大量無序信息分析不清，因而采取的防治措施針對性不強(qiáng)或者是嚴(yán)重滯后；③其他原因——如安全管理不善，通風(fēng)故障等，還有災(zāi)害的發(fā)生頻率和破壞力度。在目前對沼氣地區(qū)地下工程災(zāi)害的認(rèn)識基礎(chǔ)上，通過參考借鑒瓦斯隧道中的監(jiān)測監(jiān)控手段和方法，來建立覆蓋全隧道危險(xiǎn)部位的沼氣實(shí)時(shí)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)掌握隧道內(nèi)的沼氣含量信息；在可能發(fā)生災(zāi)害突變之前實(shí)施有效的預(yù)測、預(yù)警，并采取相應(yīng)的防治措施，完全有可能減少甚至杜絕災(zāi)害的發(fā)生。

目前在國內(nèi)的沼氣隧道中沼氣的檢測或者是瓦斯隧道中瓦斯的檢測主要是采用人工檢測和遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控相結(jié)合的方法。人工檢測主要是采用便攜式瓦斯檢測儀和光感式瓦斯檢測儀對作業(yè)區(qū)瓦斯易聚集處、隅角、回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行檢測，確保施工安全。每工作班安排2名瓦檢員以30min的頻率12h連續(xù)平行檢測，及時(shí)上報(bào)并做好存檔記錄。監(jiān)測的位置主要是：盾構(gòu)機(jī)主體的人閘、盾尾、橋架、臺(tái)車頂部以及成型隧道頂部。遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)控主要是采用重慶煤科院生產(chǎn)的KJ90安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由監(jiān)控中心站、分站、輸入、輸出設(shè)備構(gòu)成。監(jiān)控中心站與分站之間通信，接收分站內(nèi)的信息，可以對分站發(fā)出指令。對接收的信息進(jìn)行處理、顯示、報(bào)警。通過外圍設(shè)備可以將信息進(jìn)行打印、上傳、發(fā)送等。分站接收由輸入設(shè)備采集到的信號，通過邏輯變換，輸出控制信號，通過斷電器對控制對象進(jìn)行通、斷電控制［11］。

3.3 加強(qiáng)通風(fēng)

施工將會(huì)對富含沼氣的土層擾動(dòng)，沼氣從擾動(dòng)土層中的孔隙流動(dòng)到隧道本體的周邊。由于隧道的密封不完全，沼氣就會(huì)從隧道管片的縫隙、盾構(gòu)的出土口滲漏到隧道里面。隧道中沼氣濃度不斷地增加，對里面的施工人員造成極大的威脅。通過對隧道一定量的通風(fēng)，用新鮮的空氣將隧道里面的沼氣置換出來，將甲烷氣體稀釋至安全濃度并排出隧道。換氣應(yīng)考慮氣體稀釋所需的必要換氣量和由于阻止隧道內(nèi)氣體停滯分層的最小風(fēng)速，以及隧道內(nèi)作業(yè)人員呼吸需用量。這樣就可以降低隧道中沼氣的濃度，降低其對里面施工人員的威脅。通風(fēng)問題可以借鑒現(xiàn)行的《鐵路瓦斯隧道技術(shù)》相關(guān)規(guī)定。

3.4 盾構(gòu)法施工隧道的密封措施

管片的接縫、盾尾以及出土口是沼氣進(jìn)入盾構(gòu)隧道內(nèi)部的主要途徑。為了不讓沼氣進(jìn)入隧道內(nèi)部，除了保證管片的自身質(zhì)量外，更多的是提高管片的拼裝質(zhì)量。另外還應(yīng)做好管片選型，避免盾尾將管片和止水條損壞，造成地層中的瓦斯從破損處泄入隧道。應(yīng)配備熟練的管片拼裝手，嚴(yán)格控制管片拼裝錯(cuò)縫、錯(cuò)臺(tái)，避免管片碎裂現(xiàn)象的發(fā)生，確保管片拼裝質(zhì)量，從而可有效地防止瓦斯從盾尾和管片接縫處泄入隧道。

做好盾尾密封和提高隧道接縫的密封性，特別是隧道進(jìn)入粉砂層后在襯砌處進(jìn)行注漿，增加水密氣封特性，充填粉砂層中的孔隙，減少殘留沼氣或沼氣囊中的沼氣進(jìn)入隧道的機(jī)率。消除由于沼氣的釋放而引起的不均勻沉降，提高隧道的穩(wěn)定性。盾構(gòu)的盾尾密封可有效防止瓦斯從盾尾泄入隧道。如果發(fā)生盾尾密封失效，或管片破損，或止水條損壞等情況，將會(huì)導(dǎo)致瓦斯由盾構(gòu)尾部泄入。所以盾尾密封是否正常，對施工進(jìn)度和安全都有重大影響［12］。

施工過程中，可以采取下列措施，以提高盾尾密封性：

（1）掘進(jìn)中的姿態(tài)控制。嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中的姿態(tài)，使盾尾間隙保持均勻，避免單側(cè)盾尾間隙過大而導(dǎo)致的盾尾密封失效，從而避免產(chǎn)生漏水、漏砂，以及瓦斯等進(jìn)入盾殼內(nèi)部的情況。

（2）加強(qiáng)盾尾油脂注入。盾構(gòu)始發(fā)前嚴(yán)格控制尾刷內(nèi)涂抹油脂的量。應(yīng)使用優(yōu)質(zhì)油脂，每道尾刷分三層仔細(xì)涂抹飽滿。拼裝負(fù)環(huán)時(shí)要順著尾刷方向壓推，即垂直壓下，平行尾刷往后推，以防破壞尾刷的鐵板和毛刷。在推負(fù)環(huán)時(shí)，要壓注盾尾油脂保持尾刷腔飽滿，防止尾刷磨損。管片選型和拼裝時(shí)，應(yīng)科學(xué)控制盾尾間隙，防止盾尾間隙不均勻造成局部盾尾間隙過大而產(chǎn)生漿液和有害氣體從間隙內(nèi)漏進(jìn)盾尾的情況。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，必須切實(shí)保證盾尾內(nèi)充滿優(yōu)質(zhì)油脂并保持較高的壓力，以防瓦斯通過盾尾進(jìn)入隧道。

3.5 沼氣地層隧道電器設(shè)備的防爆改造

借鑒已有的《鐵路瓦斯隧道技術(shù)》相關(guān)規(guī)定，為了防止盾構(gòu)施工隧道中發(fā)生沼氣的爆炸，需要對盾構(gòu)機(jī)的相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行防爆改造，主要有幾個(gè)方面：首先，隧道上設(shè)備的防爆改造，主要是盾構(gòu)機(jī)上的照明設(shè)備、接線位置和插座、插頭等地方；其次是供電系統(tǒng)的防爆改造，主要是隧道里面的配電箱、電纜、電燈、電線等。

4 結(jié)語

本文主要介紹了含有沼氣的土層對其中的盾構(gòu)施工隧道的影響模式，并總結(jié)性地提出在此環(huán)境下施工盾構(gòu)隧道為減小沼氣危害的控制措施，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）在含有沼氣的土層中施工盾構(gòu)隧道，首先在施工之前就應(yīng)該探明該地區(qū)土層中沼氣的組成成分，分布形式，及其含量和氣壓等信息，為隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工組織設(shè)計(jì)提供第一手資料，在施工之前盡量降低沼氣對其影響。

（2）可以通過相應(yīng)沼氣的監(jiān)控措施，實(shí)時(shí)地掌握隧道中各個(gè)位置沼氣的含量，做好沼氣爆炸的防范工作，在沼氣中含量超過警戒值時(shí)，加強(qiáng)通風(fēng)，將沼氣濃度降低到可接受的范圍。

（3）為了降低沼氣土層對盾構(gòu)施工的影響，在施工之前和盾構(gòu)機(jī)未到達(dá)該地區(qū)之前盡量采取一定的措施抽放部分沼氣和增強(qiáng)隧道的密封性，減少沼氣進(jìn)入隧道內(nèi)部的含量，另一方面，降低該地區(qū)土層由于沼氣的釋放導(dǎo)致土層壓縮量，從而可以減少沼氣釋放引起隧道沉降值的大小。

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