城市地鐵隧道施工中瓦斯風(fēng)險及應(yīng)對措施研究

【摘要】為了考慮在地鐵隧道施工前階段瓦斯引起的安全問題。介紹了一個典型的地鐵隧道，成都地鐵18號線，提出了在施工過程中處理瓦斯問題的正確方法。闡明了瓦斯的產(chǎn)生機(jī)理，并探討了地層勘探過程中瓦斯風(fēng)險的識別過程。為減輕施工過程中淺層瓦斯的潛在危害，提出了一種瓦斯層盾構(gòu)隧道的風(fēng)險識別和控制系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】城市地鐵； 地鐵隧道； 瓦斯； 盾構(gòu)隧道

【中圖分類號】U456.3+3A

0 引言

在城市交通建設(shè)中，地鐵隧道的盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)正日益成為一種高效、快速的地鐵隧道施工方法。中國地鐵線路的總長度目前已超過6000 km［1］。隨著許多新的城市隧道的建設(shè)，更多需要解決的地質(zhì)挑戰(zhàn)出現(xiàn)。近年來，由瓦斯爆炸引起的隧道施工事故造成了重大的生命和財產(chǎn)損失。在淺層地區(qū)進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)施工時，面對一個嚴(yán)峻而復(fù)雜的挑戰(zhàn)——瓦斯風(fēng)險。因此，越來越多的隧道公司和工程師關(guān)注瓦斯流入和爆炸造成的安全問題［2-3］。

瓦斯的主要成分——甲烷，通常是在含煤地層中產(chǎn)生的，是導(dǎo)致隧道事故的主要原因。甲烷主要出現(xiàn)在石炭紀(jì)巖層中，美國礦山安全與健康管理局（MSHA）要求甲烷的濃度應(yīng)低于1.0%（其爆炸下限的1/5），以保證工作的安全［4］。最近的研究表明，在過去的半個世紀(jì)里，忽視了甲烷爆炸的潛在危險，導(dǎo)致了許多嚴(yán)重的隧道事故［5］。1971年的圣費(fèi)爾南多隧道發(fā)生爆炸。該隧道長度為8.85 km，采用6.8 m的硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)開挖。隧道穿過一個油田，在挖掘面前鉆芯中發(fā)現(xiàn)了碳?xì)浠衔锏臍馕?。但是，沒有任何經(jīng)驗和預(yù)防方法可以作為參考，導(dǎo)致了爆炸。這次事故奪走了17名工人的生命，并中斷施工兩年。這次事故發(fā)生后，MSHA制定了更高的安全標(biāo)準(zhǔn)，以防止類似的災(zāi)難發(fā)生。2014年2月20日下午3時20分許，武漢漢口長豐大道古田二路十字路口地下突發(fā)爆炸。路面被炸得支離破碎，幾輛車被掀翻，現(xiàn)場多名路人被強(qiáng)大的爆炸氣流沖倒受傷。經(jīng)判斷，是由地下箱涵瓦斯積聚引發(fā)此次爆炸［6］。瓦斯，作為由有機(jī)物分解產(chǎn)生的甲烷主要成分的氣體，其易燃、易爆的性質(zhì)使得隧道施工面臨著極高的安全風(fēng)險與環(huán)境問題［7］。

本研究的目的是通過成都地鐵18號線的實際經(jīng)驗案例，展示隧道施工過程中如何處理瓦斯問題。闡明了瓦斯的生成機(jī)制以及其對隧道施工的影響。詳細(xì)介紹了該項目中針對瓦斯問題的對策和相應(yīng)的應(yīng)急計劃，這將對其他類似的隧道項目產(chǎn)生積極的影響。

1 地質(zhì)條件背景及預(yù)調(diào)查

1.1 成都地鐵18號線背景

成都地鐵18號線（Chengdu Metro Line 18）是中國四川省成都市的第八條地鐵線路，于2020年9月27日開通運(yùn)營首開段（火車南站至三岔站），并于2020年12月18日開通運(yùn)營非首開段（三岔站至天府機(jī)場北站）。該線路全長約69.39 km，設(shè)有12座車站，包括10座地下站和2座地面站，列車采用8節(jié)編組A型列車。成都地鐵18號線是一條快線，連接著成都市區(qū)和成都天府國際機(jī)場之間的交通網(wǎng)絡(luò)，是成都首個PPP地鐵項目，在中國國內(nèi)地鐵建設(shè)史上采用多項新技術(shù)。這條線路的開通為市民和游客提供了便捷的出行選擇，兼顧了市域客流和機(jī)場客流的需求，同時也為城市交通發(fā)展和經(jīng)濟(jì)繁榮做出了積極貢獻(xiàn)。本文研究的重點是火車南站到天府新站，據(jù)初步調(diào)查報告顯示，隧道埋深在17～35 m之間（圖1）。

1.2 地質(zhì)條件調(diào)查

在本研究中，對成都地鐵18號線地區(qū)的巖土工程特性進(jìn)行了詳盡的調(diào)查和分析。調(diào)查結(jié)果如表1所示，該地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造和巖土組成復(fù)雜多樣，涵蓋了多種地層類型。

如圖2所示，初步的地質(zhì)調(diào)查和勘探發(fā)現(xiàn)，含氣層的深度在26～32 m之間。根據(jù)瓦斯壓力測量數(shù)據(jù)，在80%（25個瓦斯排放孔中的20個）的瓦斯排放孔中檢測到瓦斯。大部分瓦斯儲存在粉質(zhì)土中（6-2層），其他瓦斯在砂質(zhì)黏土中（8-2層），這是由于氣體從較高的粉質(zhì)土層擴(kuò)散。實測壓力峰值值約為0.2 MPa。經(jīng)瓦斯初步檢測后，共鉆了215個排氣孔，在地層中釋放瓦斯。報告顯示，在215個排氣孔中，有87個檢出瓦斯，占79.21%。因此，調(diào)查結(jié)果與初步調(diào)查的結(jié)果一致。

2 地鐵隧道施工

2.1 掘進(jìn)方法

本工程采用赫倫克內(nèi)克特公司生產(chǎn)的土壓平衡盾構(gòu)隧道掘進(jìn)機(jī)（EPB-TBM）對地鐵隧道進(jìn)行開挖。如表2所示，前盾的為6.45 m，預(yù)制管段的外徑為6.20 m，有兩個螺旋輸送機(jī)，功率分別為200 kW和160 kW。如圖3所示，刀頭6.48 m，開率約為35%。安裝了四個刀具磨損探測器，監(jiān)測刀頭的狀況。當(dāng)?shù)毒吣p超過限制時，沖洗系統(tǒng)將通知TBM驅(qū)動器更換刀具，減少泥餅形成。

2.2 瓦斯的組成與分布

對從氣體排放孔中采集的氣體樣品進(jìn)行實驗分析，發(fā)現(xiàn)取樣氣體的主要成分為甲烷（CH4），占總氣體的90%～98%，還有少量硫化氫（H2S）。甲烷分子量：16.043，密度：0.42（-164 ℃） g/L，（標(biāo)準(zhǔn)情況）0.717 g/L，常溫下為無色無味氣體，通常被認(rèn)為是瓦斯或可燃?xì)怏w的混合物，導(dǎo)致火災(zāi)

事故風(fēng)險的發(fā)生。當(dāng)甲烷濃度在4.5%～14.5%之間時，可能會發(fā)生爆炸，爆炸可能性隨著氧濃度的增加而增加。

為保證隧道施工過程的安全，采用靜壓排放設(shè)備進(jìn)行瓦斯排放，如圖4所示。探桿為Φ42 mm，可以避免探測孔的坍塌。

火車南站與天府新站之間共計215個瓦斯排放孔（PQK1-PQK215），間距在10～15 m之間。所選的11個瓦斯排放孔的詳細(xì)情況見表4?？梢园l(fā)現(xiàn)，不同孔內(nèi)測得的瓦斯壓力差異較大，說明瓦斯的分布不均勻。為滿足施工和當(dāng)?shù)卣ㄒ?guī)的要求，瓦斯壓力應(yīng)控制在0.005 MPa以下。釋放瓦斯過程后，對5個排放孔（PQK92、PQK101、PQK123、PQK140、PQK204）進(jìn)行再次進(jìn)行驗證，保證氣體釋放的質(zhì)量。瓦斯分布不均，揭示了本項目復(fù)雜的地質(zhì)條件。各種類型的第四紀(jì)沉積物和新構(gòu)造運(yùn)動導(dǎo)致了復(fù)雜的地形。成都的土壤由于含水量高，相對“軟”。因此，軟土中瓦斯的不均勻分布給隧道開挖帶來了更多的挑戰(zhàn)。

2.3 施工初期瓦斯的影響

露天開挖法和TBM法都是城市地鐵隧道中常用的方法。與TBM法相比，露天開挖更容易并節(jié)約成本。但在這種方法中，瓦斯的突然爆發(fā)會導(dǎo)致周圍土壤的不穩(wěn)定和快速擾動。此外，高壓氣體也可能導(dǎo)致基坑坍塌或更嚴(yán)重的事故。因此，在采用開挖方法時，確保施工安全具有重要意義。露天開挖方法的缺點是對地面運(yùn)輸條件有相當(dāng)高的要求。與露天開挖方法相比，開挖面受益于TBM的盾構(gòu)結(jié)構(gòu)，可以降低開挖面坍塌的風(fēng)險。因此，在成都18號線的項目中，使用了盾構(gòu)TBM來挖掘隧道。但就瓦斯而言，使用TBM的風(fēng)險是瓦斯的高壓會打破板底，瓦斯突然涌入隧道會導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形和坍塌。同時，渾濁的水會與瓦斯一起倒入TBM，造成嚴(yán)重的事故。在施工階段，瓦斯通常通過三種方式流入隧道：（1）來自刀頭和螺旋輸送機(jī)的空隙；（2）來自屏蔽尾部的間隙；（3）來自管段內(nèi)部的接縫或裂縫。雖然一些排放孔表明瓦斯壓力不高，但瓦斯?jié)舛缺仨毧刂圃?.005 MPa以下，以防止施工過程中氣體中毒。

2.4 地鐵運(yùn)行期間瓦斯的影響

在地鐵隧道的運(yùn)行階段，瓦斯的存在會對隧道的結(jié)構(gòu)和人員造成更大的危害。由于溫度、壓力和微生物活動的變化，儲存在深層的瓦斯會四處移動。瓦斯的移動會導(dǎo)致相應(yīng)隧道段的不均勻沉降，影響軌道的布置。由于軌道的長期變形，可能會導(dǎo)致發(fā)生列車脫軌事故。此外，軌道和車輪之間的摩擦可能會引爆爆炸性甲烷，對地鐵運(yùn)行安全造成重大威脅。當(dāng)瓦斯隨著時間的推移緩慢積累時，壓力會超過隧道結(jié)構(gòu)的承載極限，對地鐵隧道造成破壞。因此，必須通過適當(dāng)?shù)膶Σ邅斫鉀Q瓦斯問題，以避免由瓦斯引起的更糟糕的破壞。

3 隧道開挖過程中瓦斯的對策

3.1 盾構(gòu)TBM中的瓦斯檢測系統(tǒng)

為防止瓦斯事故，在屏蔽層TBM中建立了實時、準(zhǔn)確的有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)，其中包括自動檢測部分和手動檢測部分。如圖5（a）所示，瓦斯檢測裝置安裝在TBM的高風(fēng)險區(qū)域，如屏蔽尾皮密封部分，和螺旋輸送機(jī)的進(jìn)出口。圖5（b）、圖5（c），顯示了實時監(jiān)控和報警控制器。此外，在淤泥車上還安裝了氣體檢測裝置，以檢測運(yùn)輸過程中隧道內(nèi)的瓦斯?fàn)顩r。根據(jù)中國標(biāo)準(zhǔn)JTG/T 3660-2020《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》，甲烷的濃度應(yīng)控制在0.5%以下。如圖6所示，如果開挖面瓦斯?jié)舛瘸^0.5%，報警系統(tǒng)將向地面控制中心發(fā)出警告，將及時進(jìn)行氣體檢查。工人們通常會使用便攜式瓦斯檢測設(shè)備來檢查瓦斯泄漏點的確切位置。如果甲烷濃度超過1.0%，則必須切斷TBM的電源，所有工人都應(yīng)離開隧道。只有在事故原因確定且施工現(xiàn)場未發(fā)現(xiàn)危險后，才能繼續(xù)施工。

3.2 盾構(gòu)隧道通風(fēng)系統(tǒng)

良好的通風(fēng)系統(tǒng)對隧道施工的安全起著至關(guān)重要的作用。但關(guān)于使用通風(fēng)系統(tǒng)來防止隧道內(nèi)瓦斯引起的爆炸事故的研究有限。如圖6所示，成都地鐵18號線，采用了推入式通風(fēng)系統(tǒng)，圖6（a）和圖6（b）顯示了連接到隧道外部的通風(fēng)管。來自外部的新鮮空氣通過管道壓到挖掘面，擠出內(nèi)部空氣。通過連續(xù)的空氣循環(huán)，使空氣質(zhì)量達(dá)到可以滿足施工標(biāo)準(zhǔn)的要求。為確保整個工程的安全，應(yīng)采取最強(qiáng)或最佳措施：（1） 在盾構(gòu)機(jī)尾部注入潤滑油；（2） 對螺旋輸送機(jī)進(jìn)行瓦斯監(jiān)測；（3） 確保分段襯砌的質(zhì)量以及分段之間的密封；（4） 運(yùn)行通風(fēng)系統(tǒng)；（5） 控制盾構(gòu)機(jī)的駕駛姿態(tài)。

3.3 事故應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制

除了施工期間的預(yù)防措施外，還須建立一套事故應(yīng)急機(jī)制。如圖7所示，設(shè)置了一系列的組織，形成整個有序的應(yīng)急響應(yīng)團(tuán)隊。當(dāng)控制中心收到預(yù)警信息后，應(yīng)急響應(yīng)團(tuán)隊開始行動，各部門應(yīng)承擔(dān)消除相應(yīng)的風(fēng)險。

3.4 風(fēng)險識別與控制系統(tǒng)

采用了三級風(fēng)險識別和控制系統(tǒng)，防止?jié)撛诘耐咚故鹿?。第一個杠桿是為了“阻擋”事故的源頭。在此杠桿中，應(yīng)進(jìn)行全面的地質(zhì)調(diào)查，以詳細(xì)檢測瓦斯的分布和條件。瓦斯排放工作應(yīng)在開挖開始前完成。此外，整個項目都應(yīng)進(jìn)行實時監(jiān)測工作。壓入通風(fēng)系統(tǒng)在整個施工過程中通過連續(xù)的空氣循環(huán)進(jìn)入隧道。當(dāng)隧道內(nèi)空氣質(zhì)量接近標(biāo)準(zhǔn)閾值時，風(fēng)壓速度和容積將加快。因此，第一級是最關(guān)鍵的部分。第二級是“事故管理”。如發(fā)生事故，將由項目總工程師啟動應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，以確保及時救援。每個組織都應(yīng)采取措施來處理相應(yīng)的問題。第三個層次是“事故后管理”。事故發(fā)生后，應(yīng)對所有事故報告進(jìn)行總結(jié)和審查，以便進(jìn)行研究，減少未來發(fā)生事故的可能性。

成都地鐵18號線項目采用了三級風(fēng)險識別和控制系統(tǒng)，以預(yù)防潛在的瓦斯事故。第一級是“封堵”事故源。在該級別中，應(yīng)進(jìn)行全面的地質(zhì)調(diào)查，詳細(xì)檢測瓦斯的分布和情況。挖掘工作開始之前，應(yīng)完成瓦斯排放工作。此外，整個項目期間應(yīng)進(jìn)行實時監(jiān)測工作。推入式通風(fēng)系統(tǒng)通過持續(xù)的空氣循環(huán)，將新鮮空氣從外部輸送到隧道內(nèi)。當(dāng)隧道內(nèi)的空氣質(zhì)量接近標(biāo)準(zhǔn)閾值時，空氣壓力和流量將加快。因此，第一級是最關(guān)鍵的部分;第二級是“事故管理”。如果發(fā)生事故，由項目的總工程師啟動應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，確保及時進(jìn)行救援。每個組織都應(yīng)采取措施解決相應(yīng)的問題;第三級是“事故后管理”。事故發(fā)生后，應(yīng)總結(jié)和審查所有事故報告，以便研究并降低未來事故的可能性。

4 結(jié)論

本研究對城市地鐵隧道建設(shè)過程中的瓦斯問題進(jìn)行了綜合分析。澄清了瓦斯的來源和性質(zhì)，幫助隧道工程師更好地了解瓦斯。此外，還詳細(xì)介紹了解決成都地鐵18號線隧道瓦斯問題的對策，可以為其他具有類似地質(zhì)條件的地鐵隧道項目提供經(jīng)驗。其主要結(jié)論如下：

（1）地質(zhì)條件的預(yù)勘察勘探對隧道起著重要作用，應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制組織結(jié)構(gòu)可防止瓦斯的潛在風(fēng)險。在隧道開挖前，通過地質(zhì)調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)瓦斯的分布和儲存情況。

（2）應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)將瓦斯釋放，直至壓力降低到安全值。在開挖過程之前，預(yù)先探測階段檢測到的瓦斯壓力應(yīng)控制在0.005 MPa以內(nèi)。

（3）在隧道施工階段，應(yīng)在高風(fēng)險區(qū)域，如開挖面、螺旋輸送機(jī)和盾構(gòu)機(jī)尾部安裝實時監(jiān)測系統(tǒng)和瓦斯檢測設(shè)備，以保持開挖過程的安全狀態(tài)。

（4）應(yīng)建立事故應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制，以預(yù)防與瓦斯相關(guān)的風(fēng)險，更好地處理任何瓦斯事故，并從事故中吸取教訓(xùn)。

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