盾構穿越運營地鐵中遇不良地質沼氣層時的治理和防范措施

楊成龍

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

隨著各大城市軌道交通的蓬勃發(fā)展，在盾構施工過程中遇到的不良地層也越來越多樣。淺層沼氣是地下空間開發(fā)所可能遇到的地質災害之一[1]。淺層沼氣的釋放，可能會導致土層失穩(wěn)，造成無可挽回的重大損失。此外，沼氣產生后會分散在空氣當中，當達到一定的濃度之后遇到明火時就會發(fā)生爆炸，對人身安全以及工程安全產生不利影響。如何安全有效地減小淺層沼氣帶來的重大危害，是當前軌道交通工程以及其他地下工程發(fā)展過程中必然要面對的難點之一。

1 工程概況

上海市軌道交通15號線工程土建14標段古北路站—天山路站區(qū)間隧道頂部埋深20.1～27.7 m。在天山路古北路附近距進洞約24 m處，上、下行線隧道將先后穿越運營地鐵隧道下方后進洞，穿越長度約20.3 m，穿越處在建隧道與運營地鐵隧道呈61°斜交，兩隧道間垂直距離最小僅為1.9 m（圖1），給區(qū)間盾構推進施工和運營地鐵隧道結構安全造成極大影響。

圖1 在建隧道穿越運營地鐵隧道剖面

古北路站—天山路站區(qū)間隧道主要穿越的土層為：⑤1-1層灰色黏土、⑤1-2層灰色粉質黏土、⑤2層灰色黏質粉土、粉質黏土互層。

2 沼氣泄漏及產生的危害

2.1 沼氣泄漏情況

古北路站—天山路站上、下行線盾構區(qū)間采用凍結法加固接收。南井下行線4點至8點方向的凍結孔在焊接過程中，發(fā)生明火燃燒現象，可以持續(xù)10～120 s不等。在后續(xù)鉆孔過程中，多次發(fā)生噴氣現象。另外，在天山路車站基坑開挖過程中也有氣泡冒出。使用氣體檢測儀對氣體進行檢測，確認氣體主要為沼氣（主要成分為甲烷）。通過查看地質勘察報告和設計圖紙相關信息，結合凍結鉆孔過程工況分析，初步判斷沼氣主要來自⑤1-2層粉質黏土及下臥的部分⑤2層土。

2.2 運營地鐵隧道沉降情況

布置在運營地鐵隧道內的電子水平尺前期數據顯示，沼氣泄漏后運營地鐵隧道發(fā)生較大的沉降。為此，項目部立即停止凍結鉆孔施工，并對9月1日—9月10日的監(jiān)測數據進行系統(tǒng)梳理與分析。分析電子水平尺歷時曲線后得知，沉降值于9月2日—9月6日開始發(fā)生突變（1.0 cm左右），于9月8日—9月9日發(fā)生明顯突變（1.6 cm），表明淺層沼氣泄漏對地層沉降以及地鐵隧道結構安全影響嚴重。

3 主要處理措施

3.1 地質雷達探測

為更好地了解運營地鐵隧道沉降情況，以及周邊土層的流失狀況，項目部對與工程相關的區(qū)域進行了地質雷達探測，同時到運營地鐵隧道內部對管片底部也進行探測。探測結果顯示，局部地表淺部1～3 m、4～10 m有土層松動、滑移現象（圖2）。

圖2 地質雷達探測結果

3.2 打設放氣孔與注漿孔

根據監(jiān)測數據，在擬建隧道下行線及西南側方向地面發(fā)生約5 cm的沉降，為緩和沉降曲線的半徑以及確保穿越施工安全，減少對運營地鐵隧道的整體危害，在靠近運營地鐵隧道及進洞區(qū)范圍的地面上開32個垂直孔，孔深33 m。垂直孔分成16組，1個放氣，1個同步注漿，填充氣體流失的空隙[2]，如圖3中紫色和黃色點位所示。

注漿孔和放氣孔開孔直徑均為127 mm，深度33 m，新建隧道埋深為28 m。注漿管和放氣管采用DN40 mm（1.5英寸）、50 cm一節(jié)、PVC材質的花管，在注漿孔位置設置單向閥（圖4）。在放氣管頂部設置簡單的計量工具，以確定注漿量（1.5～2.0倍氣體體積）。

圖3 放氣孔和注漿孔開孔位置

圖4 地面開孔與壓漿

3.3 運營地鐵隧道內部應急注漿施工

應急注漿范圍為運營地鐵隧道上行S914—S943，下行X832—X890，總計89環(huán)。采取一跳一開孔[3]，預開孔45環(huán)，每環(huán)2孔，總計90孔。

注漿施工流程：安裝防噴裝置→鉆穿管壁→插入注漿芯管，打設注漿管→連接注漿管路→注漿、拔管→拔除注漿管→重復注漿→封孔（圖5）。

圖5 隧道內部應急注漿示意

采用水泥-水玻璃雙液漿，單次注漿高度20 cm，單次注漿量80～120 L。當注漿量達到每次注漿的要求或者單次注漿抬升超過報警值（3 mm）時終止注漿。

3.4 運營地鐵隧道監(jiān)測

為保證地鐵安全運營，在運營地鐵隧道內部應急注漿施工和盾構穿越施工期間，在運營地鐵隧道影響區(qū)段內布設自動化監(jiān)測系統(tǒng)，將監(jiān)測數據及時傳輸到監(jiān)控室，通過運營地鐵隧道內實時、精確的監(jiān)測數據指導注漿施工和盾構穿越施工。

3.5 人員保護措施

在盾構機內安裝氣體檢測儀器（與推進系統(tǒng)聯動），同時安全員每班施工前佩戴防毒面具（附帶氧氣瓶）并使用便攜式氣體檢測儀器對隧道內進行氣體檢測，尤其是盾構頭部拼裝區(qū)域和螺旋機出泥口，增強對可燃氣體的檢測。當盾構氣體檢測儀器報警時，觸發(fā)氣體稀釋裝置，釋放高分子穩(wěn)定綜合劑，稀釋有毒有害氣體。隧道內施工人員每人佩戴防毒面具，穿著防靜電工作服。每班推進之前，由佩戴有氧氣鋼瓶面罩的工作人員使用手持式氣體分析儀器測試。開啟正反送軸流風機，加強隧道內的通風[4]。

為進一步保證施工安全，盾構照明設備更換為防爆燈，盾構油箱涂刷反射隔熱涂料，油路閥門更換為防火閥，同時更換油閥密封圈。隧道內電纜更換為阻燃電纜，每日派工人對隧道內的易燃物品進行清理。

4 處理后效果

運營地鐵隧道發(fā)生沉降后，根據自動化監(jiān)測數據及時進行運營地鐵隧道內部應急注漿，以控制其沉降發(fā)展。自9月10日—9月15日，共進行4次注漿施工，累計注漿量18.45 m3，單孔每次注漿量80～120 L，采取少量多次的注漿方式，在加固土體的同時，盡量減少注漿對土體的擾動。

運營地鐵隧道內部應急注漿6 d后，運營地鐵隧道下行線沉降基本穩(wěn)定，最大沉降變化量為－0.30 mm。至9月16日19：30，累計最大沉降－0.50 mm，累計最大隆起1.37 mm（為準確控制應急注漿量，注漿前對電子水平尺監(jiān)測數據進行歸零）。

5 結語

淺層沼氣泄漏作為一種工程地質災害，對新建工程乃至已有建（構）筑物的質量與安全都存在著重大威脅。由于地下空間的不斷開發(fā)，施工過程中遇淺層沼氣的情況無法避免。

本工程通過采取地質雷達探測、打設放氣/注漿孔、運營地鐵隧道內部應急注漿施工、運營地鐵隧道監(jiān)測、施工現場防毒防爆等一系列措施進行綜合治理和防范，解決了由于沼氣泄漏而導致土層大幅沉降的問題，確保了運營地鐵隧道與在建隧道的施工安全，可為今后類似工程的施工提供借鑒。