富含生物成因氣體地層盾構(gòu)掘進(jìn)克泥效的密封阻隔效應(yīng)研究*

李馨芳 張曉平 唐少輝 王浩杰 李方毅 劉 浩李春林 陳 鵬

(①武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，巖土與結(jié)構(gòu)工程安全湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072，中國)(②武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072，中國)(③中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063，中國)(④濟(jì)南城市建設(shè)集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250031，中國)(⑤中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，南京 211800，中國)

0 引 言

隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的蓬勃發(fā)展，盾構(gòu)法以其具有施工速度快、成型質(zhì)量高、經(jīng)濟(jì)效益好以及地層擾動小等優(yōu)越性能而被廣泛應(yīng)用于隧道與地下工程施工(張曉平等，2017；Tang et al.，2021；吳柯等，2021)。眾多長距離大直徑越江跨海隧道的建成和投運(yùn)標(biāo)志著我國盾構(gòu)施工技術(shù)已取得顯著進(jìn)步，但復(fù)雜地質(zhì)條件下的盾構(gòu)隧道施工仍存在諸多不確定性因素和關(guān)鍵技術(shù)難題(蘇秀婷等，2021；唐少輝等，2021)。僅以富含生物成因氣地層隧道施工為例，盾構(gòu)施工過程中氣體極易通過開挖艙、泥漿管、盾尾間隙和管片節(jié)間滲入盾構(gòu)和隧道內(nèi)部，誘發(fā)人員窒息、甲烷燃燒和瓦斯爆炸等工程事故。這不僅會影響工期進(jìn)度，而且極易造成人員傷亡。

圖1 蘇通GIL綜合管廊地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological profile of Sutong GIL Yangtze River Crossing Cable Tunnel

為降低生物成因氣體對隧道施工的影響，國內(nèi)外學(xué)者針對瓦斯爆炸機(jī)理和相應(yīng)的防治對策進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果表明，它們大多集中在礦業(yè)和鐵路工程領(lǐng)域(Nie et al.，2011；Bandini et al.，2017；Zhou et al.，2018；張雨露等，2018)，在盾構(gòu)隧道施工領(lǐng)域的應(yīng)用相對較少。只是由于復(fù)雜困難地層盾構(gòu)隧道施工需求與日俱增，近年來針對生物成因氣體防治的研究分析才逐漸被開展(Ayhan et al.，2019；Tang et al.，2021)。目前盾構(gòu)隧道施工過程中生物成因氣體的防治對策主要包括：加強(qiáng)隧道內(nèi)部通風(fēng)(陳廣峰等，2010；丁智等，2021)、增設(shè)地面排氣系統(tǒng)(Xu et al.，2017)、調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)(林文書等，2010；黎俊麟等，2020)、填充盾構(gòu)注漿材料(Copur et al.，2012)、健全抽排技術(shù)方案(祝和意，2016)、增設(shè)電氣防爆設(shè)備(周少東等，2009；李越，2013)、改進(jìn)無線通信系統(tǒng)(段軍朝等，2021)以及優(yōu)化氣體監(jiān)測方案(周少東等，2009)等。為確保盾構(gòu)安全高效掘進(jìn)，經(jīng)常采用上述兩種或多種措施進(jìn)行協(xié)同控制。例如，陳廣峰等(2010)依托杭州地鐵隧道，分別通過模型試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)提出了以“提前排放降壓、地面排放沼氣”為主的生物成因氣體防治對策；李斐等(2010)以杭州地鐵1號線彭埠站—建華站區(qū)間盾構(gòu)隧道為研究背景，提出了以“提前放氣、加強(qiáng)通風(fēng)、監(jiān)控監(jiān)測”為核心的生物成因氣體防治措施；Tang et al.(2021)分析了長江水域生物成因氣體滲入盾構(gòu)和隧道內(nèi)部的潛在途徑，提出了“以泥漿滲透帶和克泥效密封阻隔為主，輔以瓦斯抽排系統(tǒng)、電氣防爆系統(tǒng)、瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)以及無線通訊系統(tǒng)”等一系列措施的協(xié)同控制方法。

克泥效作為一種新型環(huán)保材料，已被廣泛用于合理控制盾構(gòu)隧道地表沉降(黃趙美，2020；宋蕾，2020；Tang et al.，2021)。但文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果顯示，目前關(guān)于克泥效密封阻隔作用的研究成果相對較少。為阻隔盾構(gòu)隧道施工過程中生物成因氣體的滲透通道，本文提出了一種克泥效密封阻隔生物成因氣體試驗(yàn)裝置與方法，研究了克泥效注入厚度與氣體擊穿時(shí)間的相關(guān)關(guān)系，揭示了生物成因氣體在克泥效中的滲透擴(kuò)散機(jī)制，獲取了克泥效注入厚度臨界閾值。結(jié)合蘇通GIL綜合管廊工程現(xiàn)場氣體實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果，驗(yàn)證了克泥效對生物成因氣體的密封阻隔作用效果。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

蘇通GIL綜合管廊工程隧道總長5468.55m，刀盤開挖直徑12.07m，最大水土壓力0.95MPa，是目前國內(nèi)埋深最深、水土壓力最高的長距離大直徑越江隧道。如圖1所示，盾構(gòu)隧道沿線地層主要包括：淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土③3、粉質(zhì)黏土與粉土互層③4、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土③5、粉質(zhì)黏土③6、粉質(zhì)黏土混粉土④1、 粉土④2、粉細(xì)砂⑤1、中粗砂⑤1-2、細(xì)砂⑤2及中粗砂⑥1，土體物理力學(xué)性能參數(shù)如表 1所示。

表 1 蘇通GIL綜合管廊工程土體物理力學(xué)性能參數(shù)Table1 The physical and mechanical performance parameters of soils at Sutong GIL Yangtze River Crossing Cable Tunnel

1.2 生物成因氣體勘測

如圖2所示為蘇通GIL綜合管廊工程水上勘察作業(yè)時(shí)，S72#、S73#和S83#鉆孔內(nèi)發(fā)現(xiàn)的生物成因氣體，呈團(tuán)塊狀、囊狀局部集聚分布在粉質(zhì)黏土混粉土④1、 粉土④2、 粉細(xì)砂⑤1和中粗砂⑦2中。靜力觸探試驗(yàn)表明，關(guān)井氣體壓力為0.25～0.30MPa，生物成因氣體壓力為0.4～0.6MPa，單點(diǎn)最大儲氣量約5m3?；瘜W(xué)成分試驗(yàn)顯示，生物成因氣體的主要成分甲烷(CH4)、氮?dú)?N2)和氧氣(O2)，占比分別為85%～88%、8%～10%和2%～3%。

圖2 生物成因氣體噴涌：(a) S72鉆孔，(b) S73鉆孔Fig.2 Biogenic gas gushing：(a) borehole S72，(b) borehole S73

圖3 盾體與洞壁之間的開挖間隙Fig.3 Excavation gap between shield machine and tunnel wall

1.3 盾構(gòu)施工對策

2 克泥效氣體密封阻隔性能試驗(yàn)研究

2.1 克泥效材料

克泥效材料是由克泥效粉末、水玻璃以及適量的水按照一定比例均勻混合配制而成。基本原理是將黏土與強(qiáng)塑劑按一定比例混合后迅速形成高黏度的可塑性黏土，具有凝結(jié)時(shí)間快、抗稀釋性強(qiáng)、黏稠度高、擋水性好等優(yōu)越性能(Ashton et al.，2019)。如表 2所示，克泥效粉末主要由合成鈣基黏土礦物、纖維素衍生劑、膠體穩(wěn)定劑和分散劑組成。其中：合成鈣基黏土礦物遇水體積膨脹可以增加溶液黏度，纖維素衍生劑能夠抑制混合溶液絮凝沉降，膠體穩(wěn)定劑有助于穩(wěn)定聚集粗顆粒，分散劑通過摻入陽離子以化學(xué)方式防止黏土顆粒凝聚。

表 2 克泥效粉末組分(卞鐘鼎，2015)Table2 The component of clay shock powder(Bian，2015)

本研究所采用的克泥效材料配合比與蘇通GIL綜合管廊工程現(xiàn)場保持一致。首先，通過將克泥效粉末與水按照質(zhì)量比1︰1.84均勻混合形成克泥效溶液。而后，將克泥效溶液與水玻璃按照體積比為 20︰1 均勻混合即可得到試驗(yàn)所需的克泥效材料。詳細(xì)的克泥效材料制備流程如圖4所示。

圖4 克泥效材料制備流程Fig.4 The preparation process of clay shock material

2.2 試驗(yàn)裝置

2.3 試驗(yàn)方法

如圖5所示，取直徑75mm透水石置于試驗(yàn)艙底部，并向艙內(nèi)加入厚度120mm的原狀粉細(xì)砂，物理力學(xué)性能參數(shù)如表 1所示。將導(dǎo)氣管一端與艙體底部氣孔連接，另一端插入盛有適量水的量筒中。取適量的克泥效材料加入試驗(yàn)艙并將其表面抹平。在蓋板與艙體之間敷設(shè)橡膠密封圈，擰緊螺栓密封試驗(yàn)艙。待準(zhǔn)備就緒后，通過空氣壓縮機(jī)向試驗(yàn)艙內(nèi)施加0.7MPa的注入壓力(與蘇通GIL綜合管廊工程現(xiàn)場克泥效注入壓力保持一致)，并調(diào)節(jié)壓力閥使艙內(nèi)氣壓持續(xù)穩(wěn)定10min，通過氣壓使得克泥效均勻密實(shí)填充并與粉細(xì)砂樣緊密結(jié)合。而后，釋放試驗(yàn)艙內(nèi)壓力，刮去上層克泥效材料，直至剩余厚度為10mm。抹平試驗(yàn)艙內(nèi)克泥效材料表面，再次封閉試驗(yàn)艙并加壓至0.7MPa(生物成因氣體最大賦存壓力為0.6MPa)，待氣壓穩(wěn)定后調(diào)節(jié)壓力閥保持艙內(nèi)壓力穩(wěn)定，直至克泥效材料被氣體擊穿。如圖5所示，當(dāng)盛有適量水的量筒中產(chǎn)生氣泡并且壓力表讀數(shù)逐漸下降時(shí)，試驗(yàn)艙內(nèi)的帶壓氣體已經(jīng)擊穿克泥效層，與之對應(yīng)的持續(xù)加壓時(shí)間為擊穿時(shí)間。將試驗(yàn)艙內(nèi)克泥效層的厚度分別設(shè)置為15mm、20mm、25mm、30mm和35mm，重復(fù)上述試驗(yàn)步驟，獲得不同克泥效注入厚度條件下的帶壓氣體擊穿時(shí)間。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

圖5 克泥效密封阻隔生物成因氣體試驗(yàn)裝置：(a)裝置示意圖，(b)裝置實(shí)物圖Fig.5 Test apparatus for sealing and blocking biogenic gas with clay shock：(a) apparatus schematic，(b) apparatus picture

圖6 擊穿時(shí)間隨克泥效注入厚度變化規(guī)律Fig.6 The variation of breakdown time with clay shock injection thickness

如圖6所示，兩次測試分析結(jié)果表明，帶壓氣體擊穿時(shí)間隨克泥效注入厚度的增加近似線性增長(R2=0.97)。當(dāng)克泥效注入厚度為10mm時(shí)，帶壓氣體的平均擊穿時(shí)間僅為10.5min；隨著克泥效注入厚度增加至20mm，帶壓氣體的平均擊穿時(shí)間增加至32.5min；而當(dāng)克泥效厚度繼續(xù)增加至30mm時(shí)，帶壓氣體的平均擊穿時(shí)間逐漸增加至51.5min。

此外，通過對兩次試驗(yàn)進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)克泥效注入厚度較小時(shí)，帶壓氣體擊穿時(shí)間的波動相對較?。欢?dāng)克泥效注入厚度較大時(shí)，帶壓氣體擊穿時(shí)間波動相對明顯。例如，當(dāng)克泥效注入厚度為15mm時(shí)，兩組試驗(yàn)的擊穿時(shí)間分別為24min和22min；而當(dāng)克泥效厚度為35mm時(shí)，兩組試驗(yàn)的擊穿時(shí)間分別為58min和70min。

帶壓氣體擊穿時(shí)間隨克泥效注入厚度增加整體呈逐漸增大趨勢與黏土顆粒的聚集過程和黏結(jié)性能密切相關(guān)。一方面，克泥效中的固體顆粒與水分子之間的黏結(jié)性能受到晶體表面電荷、顆粒聚集狀況等多種因素的影響。隨著克泥效注入厚度的增加，不同厚度顆粒之間的黏結(jié)性能會因晶體表面電荷多樣性、顆粒聚集狀況不同而表現(xiàn)出明顯的差異。另一方面，隨著克泥效注入厚度逐漸增大，所需克泥效溶液逐漸增加，攪拌過程中黏土顆粒難以與水分子均勻混合，不同厚度的黏土顆粒聚集過程中凝聚強(qiáng)度明顯不同，顆粒之間的黏結(jié)性能將表現(xiàn)出顯著差異。

蘇通GIL綜合管廊管片節(jié)間采用兩道三元乙丙橡膠(EPDM)彈性墊密封，最高可防止1.6MPa的滲透壓力。在管片拼裝效果良好的情況下，生物成因氣體難以通過管片節(jié)間滲入成型隧道內(nèi)部?？四嘈Р牧蟽H需在洞壁開挖到管片拼裝期間密封阻隔生物成因氣體從中盾滲入盾構(gòu)內(nèi)部，即可滿足工程實(shí)際需求。因此，帶壓氣體擊穿克泥效層的時(shí)間應(yīng)不小于單環(huán)管片的拼裝時(shí)間。工程現(xiàn)場測試分析結(jié)果表明，蘇通GIL綜合管廊工程單環(huán)管片的拼裝時(shí)間為30～50min。如圖6所示，當(dāng)克泥效注入厚度為30mm時(shí)，可滿足蘇通GIL綜合管廊工程需求。

圖7 克泥效的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)Fig.7 Microscopic structure of clay shock

3 克泥效微觀破壞機(jī)理分析

圖8 帶壓氣體擊穿破壞克泥效的過程Fig.8 The process of pressurized gas breakdown clay shock

克泥效粉末主要由層狀鋁硅酸鹽礦物蒙脫石和絹云母等組成，它們具有相似的微觀構(gòu)造層次。如圖7所示，僅以蒙脫石為例，多個(gè)晶粒聚集形成蒙脫石顆粒，微觀孔隙內(nèi)含結(jié)晶水。蒙脫石顆粒與其他礦物顆粒聚合形成的克泥效顆粒表面吸附結(jié)合水，顆粒與顆粒之間的宏觀孔隙內(nèi)賦存自由水。一般情況下，結(jié)晶水和結(jié)合水難以自由運(yùn)動，自由水在壓力作用下可沿顆粒孔隙自由滲透擴(kuò)散(項(xiàng)國圣，2015；方敬銳等，2021；張杰等，2021)。

如圖8a所示，當(dāng)氣體壓力被均勻施加于試驗(yàn)艙內(nèi)時(shí)，飽水狀態(tài)下的克泥效材料表面光滑平整，對帶壓氣體具有良好的密封作用。賦存于顆粒與顆粒之間的自由水處于完全連通狀態(tài)，有效地阻隔了帶壓氣體通過顆?？紫稘B透擴(kuò)散至具有多孔結(jié)構(gòu)的粉細(xì)砂樣中。如圖8b所示，隨著加壓過程的持續(xù)進(jìn)行，賦存顆粒與顆粒之間的自由水將持續(xù)向下滲透擴(kuò)散。隨著水分的持續(xù)濾失，自由水之間的連接逐漸由完全連通狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫植窟B通狀態(tài)。此時(shí)，由于克泥效具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，材料有效應(yīng)力小于結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，微觀結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定調(diào)整階段，材料表面逐漸出現(xiàn)微觀孔隙結(jié)構(gòu)(張平，2011；張彥召，2019)。但由于此時(shí)表面的孔隙尚未深入到克泥效層底部形成連通的微細(xì)觀氣體滲漏通道，克泥效材料對帶壓氣體仍具有密封阻隔作用。宏觀上，克泥效表面出現(xiàn)若干自試樣頂面向下擴(kuò)展的微裂紋，這與宋蕾(2020)分析的克泥效破壞過程第1階段基本吻合。

如圖8c所示，隨著加壓過程的繼續(xù)進(jìn)行，過量的水分濾失導(dǎo)致自由水之間的連接徹底轉(zhuǎn)變?yōu)榫植窟B通狀態(tài)。此時(shí)，克泥效材料表面的微觀孔隙結(jié)構(gòu)已經(jīng)深入到克泥效層底部，形成大量連通的微細(xì)觀氣體滲漏通道。宏觀上，氣壓持續(xù)作用下，材料有效應(yīng)力增至結(jié)構(gòu)屈服應(yīng)力，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸喪失，克泥效內(nèi)部已形成大量豎向貫通裂紋(房后國，2005；Dao，2019)，克泥效材料對氣體的密封阻隔作用失效，帶壓氣體通過具有多孔結(jié)構(gòu)的粉細(xì)砂樣進(jìn)入量筒中。由于試驗(yàn)所用帶壓氣體不溶于水，將以氣泡的形式吹出，被逐漸釋放至周圍空氣中。敷設(shè)于粉細(xì)砂樣表面的克泥效注入厚度越大，帶壓氣體擊穿克泥效層所需時(shí)間越長，克泥效的密封阻隔效應(yīng)越持久。如圖6所示，當(dāng)克泥效注入厚度為30mm時(shí)，帶壓氣體的平均擊穿時(shí)間(51.5min)超過單環(huán)管片的拼裝時(shí)間(30～50min)，滿足蘇通GIL綜合管廊工程施工需求。

4 生物成因氣體密封阻隔效果評估

富含生物成因氣體地層盾構(gòu)隧道施工過程中，通過注入克泥效密實(shí)填充中盾開挖間隙，可以有效阻隔生物成因氣體的泄漏通道。當(dāng)克泥效被擊穿時(shí)，氣體極易通過開挖艙、泥漿管、盾尾間隙和管片節(jié)間滲入盾構(gòu)和隧道內(nèi)部。通過監(jiān)測潛在的CH4和CO涌出或積聚部位的氣體濃度，可以驗(yàn)證克泥效對生物成因氣體的密封阻隔作用效果。

(1)

式中：αc為克泥效填充率，αc=150%～180%；D1為開挖直徑；D2為中盾直徑；L為單環(huán)管片長度。

圖9 隧道施工期間克泥效實(shí)際注入量監(jiān)測結(jié)果Fig.9 Monitoring results of the volume of clay shock during tunnel construction

如圖10所示，為了避免生物成因氣體滲入盾構(gòu)內(nèi)部誘發(fā)工程事故，威脅盾構(gòu)施工作業(yè)安全，蘇通GIL綜合管廊工程在泥水盾構(gòu)挖掘艙、作業(yè)艙、中心錐、臺車中部、臺車尾部、局部風(fēng)機(jī)等位置布設(shè)12處監(jiān)測點(diǎn)位，對于可能涌出或積聚CH4和CO的部位按照不低于2次/天的頻率進(jìn)行監(jiān)測。一旦CH4和CO濃度超過《煤礦安全規(guī)程》的規(guī)定值，氣體監(jiān)測傳感器將會發(fā)出警示信號，相應(yīng)的防治措施將會被采取以避免人員窒息、甲烷燃燒和瓦斯爆炸等工程事故發(fā)生(Tang et al.，2021)。

圖10 盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部氣體監(jiān)測傳感器布置方案Fig.10 The layout scheme of gas detector in shield TBM

圖11 隧道施工期間盾構(gòu)內(nèi)部CH4和CO濃度監(jiān)測結(jié)果Fig.11 Monitoring results of CH4 and CO concentration in shield machine during tunnel construction

5 結(jié) 論

本文針對盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中的生物成因氣體防治問題，提出了一種克泥效密封阻隔生物成因氣體試驗(yàn)裝置與方法，研究了克泥效注入厚度與氣體擊穿時(shí)間的相關(guān)關(guān)系，揭示了生物成因氣體在克泥效中的滲透擴(kuò)散機(jī)制，獲取了克泥效厚度臨界閾值，分析了蘇通GIL綜合管廊工程現(xiàn)場氣體實(shí)測數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了克泥效對生物成因氣體的密封阻隔作用效果，通過研究分析主要可以得到如下結(jié)論：

(1)帶壓氣體擊穿時(shí)間隨克泥效注入厚度的增加近似線性增長。當(dāng)克泥效注入厚度為30mm時(shí)，帶壓氣體的平均擊穿時(shí)間(51.5min)超過單環(huán)管片的拼裝時(shí)間(30～50min)，滿足蘇通GIL綜合管廊工程施工需求。

(2)克泥效被帶壓氣體擊穿與自由水濾失和微觀孔隙發(fā)育密切相關(guān)。隨著加壓過程持續(xù)進(jìn)行，顆?？紫吨械淖杂伤饾u濾失，由完全連通狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫植窟B通狀態(tài)。隨著表面微觀孔隙深入克泥效底部形成大量滲漏通道，克泥效的密封阻隔作用逐漸失效。

(3)蘇通GIL綜合管廊工程通過采用試驗(yàn)獲取的克泥效注入厚度填充中盾與洞壁之間的開挖間隙后，CH4和CO的平均濃度分別為0.05%和20×10-6，低于相應(yīng)的安全濃度界限值(CH40.5%，CO24×10-6)，施工過程中避免了生物成因氣體滲透至盾構(gòu)隧道內(nèi)部。