大直徑泥水盾構(gòu)長距離穿越沼氣地層安全措施研究

劉志元

(中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250101)

0 引 言

沼氣是有機物質(zhì)在無氧條件并在一定的溫度與濕度情況下經(jīng)微生物發(fā)酵產(chǎn)生的一種沒有顏色以及氣味的可燃?xì)怏w,其主要成分為甲烷[1]。盾構(gòu)機在沼氣地層中掘進時，地層中的沼氣會向隧道內(nèi)部泄漏，并且由于其無色、無味使得施工人員難以察覺。當(dāng)隧道內(nèi)沼氣達(dá)到一定濃度時，遇見明火會發(fā)生爆炸事故，造成非常嚴(yán)重的危害；沼氣含量過高可導(dǎo)致隧道內(nèi)工作人員窒息甚至死亡[2]。近年來，隧道穿越長江工程已取得了許多成功的經(jīng)驗，同樣也遇到了很多棘手的問題，隧道建設(shè)過程中遇到的沼氣地層便是主要的地質(zhì)災(zāi)害之一。本文分析了大直徑泥水盾構(gòu)沼氣涌入的途徑、沼氣地層泥水盾構(gòu)施工風(fēng)險及安全措施。

1 工程概況

1.1 區(qū)間隧道設(shè)計概況

蘇通GIL綜合管廊工程位于G15沈海高速蘇通長江大橋上游西側(cè)600～1 200 m處，是淮南—南京—上海1 000 kV交流特高壓輸變電工程的單項越江工程，采用隧道過江方式。綜合管廊起點位于南岸(常熟)始發(fā)井，終點位于北岸(南通)接收井，綜合管廊隧道為內(nèi)徑10.5 m、外徑11.6 m，全長5 468.545 m。隧道線路由始發(fā)井至接收井，其最小曲線半徑為2 000 m。隧道線路從常熟始發(fā)井開始，先以5.0%的坡度下行，接著以2.3%的坡度下行，之后又分別以5%、0.5%的坡度下行至隧道最低點(最低點位置隧道結(jié)構(gòu)頂面標(biāo)高-63.23 m，底面標(biāo)高-74.83 m)，之后又分別以0.5%、3.1%的坡度上行，然后以0.5%的坡度上坡，坡長2 119.840 m，最后以5%的坡度上坡，坡長549.309 m到達(dá)南通接收井。

1.2 有害氣體勘察概況

經(jīng)過勘察，發(fā)現(xiàn)有害氣體隧道段位于長江水域，南起常熟港專用航道，北至長江深槽南緣，富含沼氣的地層長度為1 780 m，水平面高程-3.3～-14.8 m。長江深槽以南隧道(綜合管廊)段下部存在淺層沼氣地層，其主要成分包括：甲烷(CH4)占比85%～88%、氮氣(N2)占比8%～10%、氧氣(O2)占比2%～3%。該段地層擁有良好的沼氣儲、蓋條件，儲氣層為砂、粉土層④1、④2、⑤1、⑦2，蓋層為黏性土層③、④1。試驗測得關(guān)井氣體壓力為0.25～0.30 MPa，估算沼氣壓力不大于其上覆水土壓力之和，屬正常壓力系數(shù)，估計為0.4～0.6 MPa。本段地層內(nèi)沼氣未大面積連片，呈團塊狀、囊狀局部集聚分布，靜探測定單個儲氣量最大約為5 m3，沼氣有向上、向蓋層底部集中的趨勢。

1.3 盾構(gòu)機配置概況

蘇通GIL綜合管廊工程盾構(gòu)區(qū)間采用1臺海瑞克生產(chǎn)的復(fù)合式泥水氣壓平衡盾構(gòu)機施工，盾構(gòu)刀盤開挖直徑為12.07 m，總長度為140 m，總重量為2 404 t，主驅(qū)動裝機功率為3 000 kW。

2 沼氣泄入隧道內(nèi)途徑分析

沼氣泄入隧道內(nèi)的可能途徑主要為：

(1) 沼氣由盾尾密封處緩慢泄入成型隧道內(nèi)。

(2) 通過盾構(gòu)機氣壓系統(tǒng)(SAMSON系統(tǒng))排入成型隧道內(nèi)。

(3) 延長盾構(gòu)泥漿管道時，沼氣泄漏進隧道內(nèi)。

(4) 盾構(gòu)機出漿管法蘭連接處沼氣泄漏。

(5) 管片接縫處沼氣泄漏。

3 沼氣對盾構(gòu)施工的影響

沼氣對盾構(gòu)施工的影響見表1。

表1 施工階段沼氣對盾構(gòu)施工的影響[3]

4 盾構(gòu)穿越沼氣地層安全施工措施

4.1 隧道通風(fēng)措施

綜合盾構(gòu)隧道內(nèi)涌入的沼氣的途徑分析，隧道內(nèi)采用地面風(fēng)機壓入式的通風(fēng)措施。地面泥漿系統(tǒng)作為沼氣易集聚點，設(shè)置專門稀釋通風(fēng)系統(tǒng)與沼氣監(jiān)控系統(tǒng)，以及隔離設(shè)施。

(1) 隧道段1 000 m之前采用壓入式雙風(fēng)機雙風(fēng)筒送風(fēng)，根據(jù)隧道內(nèi)沼氣探測濃度，采用1臺風(fēng)機工作，1臺風(fēng)機備用的方式；風(fēng)機變頻運轉(zhuǎn)，以風(fēng)量為基準(zhǔn)對風(fēng)機的頻率進行調(diào)節(jié)，并配備以短距離抽出式通風(fēng)抽排沼氣。

(2) 當(dāng)施工距離大于2 000 m后，長距離壓入式雙風(fēng)機雙風(fēng)筒送風(fēng)，固定出風(fēng)口的出風(fēng)量，調(diào)節(jié)風(fēng)機頻率，實現(xiàn)風(fēng)機節(jié)能。

(3) 地面回漿池回漿管出口會有甲烷的集聚，因此也需要設(shè)置排風(fēng)系統(tǒng)及沼氣監(jiān)控報警系統(tǒng)，以及隔離設(shè)施。

(4) 盾尾、泥漿管換管處、刀盤倉、汽水平衡氣囊放氣處等設(shè)置局部通風(fēng)系統(tǒng)吹排稀釋沼氣。

(5) 常壓進倉檢查及更換刀具時，加強倉內(nèi)空氣質(zhì)量檢查及局部通風(fēng)，倉內(nèi)空氣質(zhì)量須滿足《盾構(gòu)法開倉及氣壓作業(yè)技術(shù)規(guī)范》(CJJ 217—2014)的要求。

4.2 盾構(gòu)機防爆設(shè)計

4.2.1 加強盾構(gòu)機周圍通風(fēng)

加強盾構(gòu)機前后通風(fēng)和局部通風(fēng)，防止沼氣在局部聚集至濃度超標(biāo)而形成爆炸隱患。具體操作如下：

(1) 延長一級通風(fēng)管線，采用二次通風(fēng)系統(tǒng)將隧道送風(fēng)管出口處新鮮空氣送至盾構(gòu)機前方。

(2) 延長保壓系統(tǒng)排氣管線直至拖車4的尾部，防止自動平衡排出的含甲烷的空氣在盾構(gòu)機內(nèi)聚集。

(3) 在盾構(gòu)機內(nèi)空氣流通差的局部位置安裝6個鼓風(fēng)機，額外將盾構(gòu)機環(huán)境氣體旋轉(zhuǎn)分散，避免沼氣局部聚集。

4.2.2 盾構(gòu)機進行局部防爆設(shè)計

(1) 所有的遠(yuǎn)程遙控裝置替換成防爆形式，盾構(gòu)機正常照明和緊急照明替換成防爆形式，備用發(fā)電機更換防爆電池和防爆配電箱，隧道掘進導(dǎo)向系統(tǒng)更改為防爆設(shè)計，預(yù)留的所有開放式電纜接頭更換為防爆設(shè)計。

(2) 盾構(gòu)機上所有電箱及電纜接頭更換為防爆設(shè)計；盾構(gòu)機上所有額外的用電工具均采用防爆設(shè)計。

(3) 將甲烷氣體探測器從7個增加到12個，具體位置為：主機部分7個探測器，拖車1、拖車2與橋架連接處、拖車3、拖車4及拖車5各1個探測器。

(4) 將氣泡艙及人艙內(nèi)的所有電氣部件(電容器繩式傳感器、液位傳感器以及電阻率測量儀、照明、通信系統(tǒng)、刀盤控制面板、前閘門和攪拌器/碎石機控制面板)更換為防爆型。

(5) 甲烷(CH4)的濃度一旦達(dá)到0.5%，盾構(gòu)機控制面板報警，從地面增加1次通風(fēng)的風(fēng)量；若遇斷電時，如甲烷濃度低于3%可以使用應(yīng)急發(fā)電機電源，高于3%則不得啟動應(yīng)急發(fā)電機；當(dāng)甲烷(CH4)濃度達(dá)到4%，從盾構(gòu)機到地面的額外獨立的控制電纜能將地面高壓電源切斷，從地面將盾構(gòu)機斷電，人員撤離盾構(gòu)機。

4.3 施工現(xiàn)場工程車輛防爆安全設(shè)計

在進入隧道的每輛施工車輛的駕駛室增設(shè)1臺便攜式瓦斯檢測報警儀，對隧道內(nèi)部的沼氣(CH4)進行檢測，并按照《煤礦安全規(guī)程》要求進行操作，“當(dāng)沼氣濃度達(dá)以下值時，分別進行報警、斷電、復(fù)電等措施?！?.5% CH4，報警；≥1.5% CH4，斷電；<1.0% CH4，復(fù)電”，同時在施工車輛尾部安裝火花滅火器。

使用防爆組件對所有工程車輛的電氣線路進行全部改裝，這些改裝內(nèi)容涉及車輛啟動器、所有用電設(shè)備(如照明指示燈具、喇叭、音箱等設(shè)備)、發(fā)熱部件、排氣口等。通過改裝，工程車輛可在具有危險易爆氣體的場合下安全工作。

4.4 電氣設(shè)備及安全監(jiān)控系統(tǒng)

4.4.1 電氣設(shè)備的安全設(shè)置

地面通風(fēng)機配電電壓為380 V，系統(tǒng)為中性點直接接地系統(tǒng)，采用雙電源供電；隧道采用高壓送電逐段設(shè)置配電點的方式供電，將隧道分為共5個配電段。在每個段的起始端設(shè)置配電點，每個配電點均采用防爆的開關(guān)設(shè)備。隧道內(nèi)設(shè)礦用防爆型LED照明燈具，在隧道兩側(cè)交錯設(shè)置，每隔4環(huán)管片設(shè)置一處。照明燈具127 V電源由礦用隔爆照明綜保提供。應(yīng)急照明采用礦用隔爆型應(yīng)急照明燈具，單側(cè)設(shè)置，燈間距為25環(huán)。隧道內(nèi)各配電處均須可靠接地以及與電氣設(shè)備的保護接地裝置可靠連接，并與設(shè)在地面的2#配電點接地網(wǎng)連接，形成隧道總接地網(wǎng)。

4.4.2 隧道內(nèi)安裝安全監(jiān)控系統(tǒng)

在隧道內(nèi)安裝1套安全監(jiān)控系統(tǒng)，對掘進時的生產(chǎn)環(huán)境以及各主要生產(chǎn)設(shè)備運行狀態(tài)實時監(jiān)測，使相關(guān)人員能夠及時了解掘進隧道內(nèi)的環(huán)境狀況，做到對各類災(zāi)害的提前預(yù)測，預(yù)防事故災(zāi)害的發(fā)生。

4.5 沼氣抽排系統(tǒng)

為了安全施工以防萬一，增設(shè)1套沼氣抽排系統(tǒng)。在地面建立沼氣抽排泵站，通過敷設(shè)的管路與盾構(gòu)機的放氣孔連接，并裝設(shè)閥門和監(jiān)控系統(tǒng)抽排掘進中的沼氣。抽采沼氣管路系統(tǒng)包括：支管、干管和抽采管路附屬裝置。抽采沼氣管路規(guī)格均為D133×4.0 mm的無縫鋼管，管路間及管路與管件間均采用法蘭進行連接。

4.6 其他技術(shù)措施

4.6.1 加強盾尾密封

地層內(nèi)沼氣可由盾尾密封處緩慢泄入成型隧道內(nèi)，因此盾構(gòu)的盾尾密封效果對防止沼氣進入隧道具有重要作用。若盾尾密封效果較差，會直接導(dǎo)致地層內(nèi)沼氣由盾尾進入隧道，對工程的施工安全以及進度造成嚴(yán)重影響。因此需要加強對盾尾的密封工作，確保盾尾內(nèi)部油脂的密封效果達(dá)到要求。

4.6.2 加強管片拼裝的質(zhì)量控制措施

當(dāng)管片在拼裝過程中發(fā)生破損或者管片間止水條損壞，沼氣會沿著破損處的裂隙進入隧道，因此管片拼裝的質(zhì)量也會對沼氣防控產(chǎn)生影響。必須嚴(yán)格把控管片拼裝工作,避免管片發(fā)生破損現(xiàn)象,加強管片拼裝質(zhì)量。

4.7 輔助措施

采用“克泥效”工法和特殊的同步注漿漿液，如圖1所示，加強管片外側(cè)填充物的防滲透能力，盡可能阻隔有害氣體和隧道管片、盾構(gòu)的盾尾密封直接接觸，進一步防止沼氣進入隧道。

圖1 孔隙處注入克泥效

5 結(jié)束語

蘇通 GIL 綜合管廊工程盾構(gòu)隧道自 2017 年 6 月28日始發(fā)開始推進施工，便進入有害氣體地層，至2017年11月29日完成有害氣體地層穿越，2018 年 8 月21日順利貫通。盾構(gòu)機在穿越有害地層期間，盾構(gòu)機內(nèi)部空氣質(zhì)量合格，甲烷(CH4)的濃度未達(dá)到0.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于詳勘中解釋的甲烷濃度。

在有害氣體地層掘進施工期間，針對盾構(gòu)機進行的防爆改造措施針對性強，切實可行，經(jīng)濟合理，有效保證了有害氣體地層掘進的安全和進度，在節(jié)約了工期的同時也確保了安全，這對在有害氣體條件下保證工程的長期穩(wěn)定和加快施工進度起到了非常重要的作用。

本文介紹的在有害氣體條件下盾構(gòu)機防爆改造措施和技術(shù)將很好地解決大直徑泥水平衡盾構(gòu)在有害氣體地層中施工中的難題，可在有害氣體條件下施工的大直徑盾構(gòu)隧道中應(yīng)用，對保證大直徑盾構(gòu)安全和快速穿越有害氣體地層具有良好的借鑒價值。