范潤(rùn)東，趙星星，劉曉波，徐汪豪，馬 祥

（1.浙江杭海城際鐵路有限公司，浙江 海寧 314400；2.中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215000）

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)各地城市的交通需求持續(xù)增長(zhǎng)，城市地鐵建設(shè)仍在不斷地增加。城市地鐵的興建也面臨著越來(lái)越復(fù)雜的地質(zhì)條件和工況，部分地區(qū)存在著地鐵隧道穿越沼氣地層的情況。有些地層中沼氣的含量大，氣壓高，而且地層中沼氣大部分以囊狀形式存在，給施工勘察帶來(lái)較大挑戰(zhàn)。盾構(gòu)穿越沼氣地層時(shí)存在沼氣泄露而擾動(dòng)地層、沼氣聚集導(dǎo)致爆炸以及施工人員沼氣中毒的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)盾構(gòu)施工帶來(lái)較大的安全隱患，在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中需采取有效的對(duì)策措施。

為解決盾構(gòu)穿越沼氣地層的施工問(wèn)題，國(guó)內(nèi)已有學(xué)者進(jìn)行了一些研究。目前針對(duì)盾構(gòu)穿越沼氣地層時(shí)沼氣對(duì)隧道施工的影響以及輔助沼氣釋放的施工措施較多，但考慮不同工程地質(zhì)條件、沼氣含量和分布情況以及周邊環(huán)境條件存在較大差異，需要在借鑒已有研究基礎(chǔ)上，結(jié)合具體工程實(shí)際對(duì)沼氣的專(zhuān)項(xiàng)施工處理措施進(jìn)行研究。

杭州至海寧城際鐵路余杭高鐵站～許村鎮(zhèn)站區(qū)間盾構(gòu)隧道穿越沼氣地層，地層范圍內(nèi)有地下管線分布，可能對(duì)施工產(chǎn)生不利影響。沼氣的勘察、監(jiān)測(cè)以及針對(duì)沼氣分布情況的盾構(gòu)掘進(jìn)施工措施是施工的重難點(diǎn)。

1 工程概況

杭州至海寧城際鐵路余杭高鐵站～許村鎮(zhèn)站盾構(gòu)區(qū)間左線長(zhǎng)3 128.22m，右線長(zhǎng)3 128.555m，設(shè)置一座中間風(fēng)井，5 座聯(lián)絡(luò)通道，盾構(gòu)區(qū)間范圍內(nèi)新建隧道上方有較多管線分布。隧道埋深為8.6m～25m，線間距10.8～16m。

1.1 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

本工程場(chǎng)地地貌類(lèi)型為長(zhǎng)江三角洲杭嘉湖平原，地形平坦開(kāi)闊，多為村莊、農(nóng)田，盾構(gòu)穿越地層主要為④1 淤泥質(zhì)黏土、⑤2 粉質(zhì)黏土、⑤4 粉砂、⑥2 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑥2-1 粉質(zhì)黏土、⑦2-1 粉質(zhì)黏土夾粉土層。工程場(chǎng)地涉及地表水體以小型河流為主，主要為場(chǎng)地西側(cè)的喬司港，地下水主要為第四系松散土類(lèi)孔隙潛水和孔隙微承壓水，其中地下水位埋藏淺，地下水位埋深為0.1～3.0m，動(dòng)態(tài)變幅一般在1.0～1.5m 左右，承壓水水位為地面下6.5m 左右，水頭標(biāo)高為-0.467m。

1.2 沼氣賦存與分布情況

綜合盾構(gòu)區(qū)間的有害氣體勘察結(jié)果可知，余杭高鐵站～許村鎮(zhèn)站區(qū)間沿線600 環(huán)（共900m）以前地層中有沼氣分布情況，部分區(qū)域沼氣分布情況如圖1 所示，沼氣氣體中甲烷含量普遍高于90%。沼氣地層中含氣層頂部埋深在地面下13.0～21.6m 之間，含氣層底板埋深在地面下15.0～31.0m 之間，主要含氣層分布于隧道結(jié)構(gòu)頂板及頂板附近范圍等隧道結(jié)構(gòu)處。

圖1 沼氣縱斷面分布示意圖

1.3 工程主要風(fēng)險(xiǎn)分析

結(jié)合工程的地質(zhì)情況、盾構(gòu)掘進(jìn)情況以及沼氣分布特點(diǎn)，考慮施工過(guò)程中主要有以下風(fēng)險(xiǎn)。

1)地層中沼氣氣囊呈雞窩狀分布，故其分布情況難以精確勘察，沼氣難以準(zhǔn)確進(jìn)行預(yù)釋放措施。

2)大部分沼氣氣囊的氣量小、氣壓低，相鄰氣囊之間的連通性差，即使經(jīng)過(guò)沼氣釋放措施后仍會(huì)有部分沼氣殘留在氣囊中。

3)地層中含氣層厚度較大，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中若出現(xiàn)沼氣釋放情況，會(huì)對(duì)隧道管片產(chǎn)生較大的變形影響，導(dǎo)致隧道出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，滲漏嚴(yán)重時(shí)地層土體隨地下水涌入還會(huì)導(dǎo)致管片斷裂。

4)沼氣預(yù)釋放時(shí)會(huì)對(duì)地層產(chǎn)生一定的影響，由于盾構(gòu)掘進(jìn)區(qū)域上方有管線分布，地層中沼氣一經(jīng)釋放容易對(duì)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)破壞土體原有結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致已有管線發(fā)生變形。

5)盾構(gòu)及隧道管片存在一些氣體路徑，其中包括螺旋排土機(jī)、刀盤(pán)與盾殼的接縫、盾尾間隙、管片接縫和注漿孔縫隙等，沼氣可通過(guò)這些氣體路徑進(jìn)入隧道內(nèi)部，帶來(lái)沼氣泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

6)由于新建隧道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，隧道內(nèi)沼氣的排出、排盡有較大的困難，容易導(dǎo)致沼氣在隧道內(nèi)重新聚集，同時(shí)沼氣中主要成分甲烷屬于無(wú)色無(wú)味氣體，隧道內(nèi)部的沼氣聚集難以察覺(jué)，一旦發(fā)生沼氣泄露，氣體容易在隧道頂部聚集而達(dá)到爆炸濃度，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致施工人員中毒。

2 沼氣地層盾構(gòu)隧道勘察及施工措施

2.1 勘察措施

由于盾構(gòu)區(qū)間沼氣賦存呈氣囊的特點(diǎn)，需針對(duì)這一特點(diǎn)開(kāi)展沼氣的勘察工作，在已查明區(qū)間范圍的淺層有害氣體成分以及分布范圍的基礎(chǔ)上，再通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法，查明該范圍內(nèi)淺層有害氣體壓力和流量大小，為區(qū)間隧道下一階段的設(shè)計(jì)施工提供淺層有害氣體的狀態(tài)參數(shù)，并對(duì)淺層有害氣體影響盾構(gòu)施工的區(qū)段提供有控放氣及其他安全施工措施指導(dǎo)性技術(shù)方案。

1)勘察孔布置 淺層有害氣體勘探孔盡可能靠近在原有縱斷面上，與原勘探孔孔位錯(cuò)開(kāi)，在隧道外兩側(cè)以及隧道凈距中部各布置1 排探氣孔（共3 排），梅花型布置，垂直投影間距25～30m?？碧娇咨钜诉M(jìn)入隧道底以下15m，確定淺層有害氣體勘探孔深度為30～35m。

2)氣體壓力的測(cè)定 用靜壓設(shè)備把探桿（探桿中部通氣）壓入土層預(yù)定深度后，接三通設(shè)備，將閥門(mén)1 關(guān)閉，閥門(mén)2 打開(kāi)，然后逐漸上拔，待噴氣口勻速噴出氣體時(shí)再將閥門(mén)2 關(guān)閉，打開(kāi)閥門(mén)1，氣體通過(guò)沉淀池將泥砂沉淀，從壓力表讀取壓力值，裝置如圖2 所示。

因噴出的氣體需克服土體間阻力，造成氣壓損失，因此直接測(cè)定法測(cè)出的壓力值往往小于真實(shí)氣壓值。噴出的水和泥砂隨著氣體被一并帶出后，最終維持平衡，此時(shí)探桿內(nèi)留有一定高度的水頭壓力P2（見(jiàn)圖3），而地下氣體的真實(shí)壓力P1應(yīng)該等于上部沉淀池腔內(nèi)氣體壓力P3 加上P2。由于每個(gè)孔的P2 值各不相同且無(wú)法測(cè)定，因此只能估算修正。根據(jù)收集的資料以及以往工程的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)氣壓為0.05MPa 的實(shí)測(cè)值建議加以0.05MPa 的修正，對(duì)氣壓為0.15MPa 的實(shí)測(cè)值建議加以0.1MPa 的修正，對(duì)氣壓為0.25MPa 的實(shí)測(cè)值建議加以0.15MPa 的修正，中間值建議采用內(nèi)插法計(jì)算。

圖2 氣壓測(cè)試示意圖

圖3 氣壓實(shí)際值示意圖

在本區(qū)間的勘察過(guò)程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)氣體后，分別對(duì)各個(gè)勘探孔的峰值壓力值進(jìn)行測(cè)試，分析壓力測(cè)試結(jié)果結(jié)合盾構(gòu)推進(jìn)情況可以得出：本區(qū)間部分區(qū)域有地下淺層有害氣體，且大部分淺層有害氣體氣囊氣量小、氣壓低，最大值為0.1 MPa。

3)氣體流量的測(cè)定 使用橡膠管連接沉淀池和LXI-B 型光電流量?jī)x，連接完畢打開(kāi)各個(gè)閥門(mén)，用流量計(jì)出口的節(jié)流閥調(diào)節(jié)通過(guò)的氣流速度，當(dāng)流量?jī)x電子顯示屏數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)讀取流量?jī)x數(shù)值，如圖4 所示。實(shí)際流量計(jì)算公式為：

式中PN，TN，ρN——空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對(duì)壓力、絕對(duì)溫度和密度；

PS，TS，ρSN——被測(cè)氣體在測(cè)量時(shí)的絕對(duì)壓力、絕對(duì)溫度和密度；

QN——流量計(jì)讀數(shù)；

ZSN——被測(cè)氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓縮系數(shù)；

ZS——被測(cè)氣體在PS、TS時(shí)的壓縮系數(shù)。

圖4 LXI-B型光電流量?jī)x

以QT13 號(hào)勘探孔為例，主要?dú)怏w成分為甲烷，前后三次的實(shí)測(cè)流量計(jì)平均流量為15L/min，流量計(jì)入口處實(shí)測(cè)溫度為30℃，絕對(duì)壓力Ps=0.10MPa，則實(shí)際流量為

2.2 沼氣預(yù)釋放措施

為最大程度減少沼氣對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)施工過(guò)程中的影響，提前控制性放氣使含氣土層提前固結(jié)是工程中遇見(jiàn)淺層有害氣體時(shí)最有效的施工措施。

1)放氣孔布置 放氣孔設(shè)置于盾構(gòu)隧道外側(cè)結(jié)構(gòu)線30～50m 范圍，控制標(biāo)準(zhǔn)是氣體釋放控制壓力小于0.05MPa；當(dāng)氣體釋放壓力大于0.05MPa 但距離隧道結(jié)構(gòu)線已大于50m 時(shí)也認(rèn)為是安全距離。放氣孔深度應(yīng)至隧道結(jié)構(gòu)線下5～10.0m 或氣囊底板下10m 范圍內(nèi)。放氣孔孔間距一般為15～20m，并且隧道范圍內(nèi)在結(jié)構(gòu)線左右外側(cè)3m 處各布置1～2 排呈梅花型放氣孔，放氣孔平行對(duì)稱布置。

2)放氣步驟 在采取沼氣預(yù)先釋放措施時(shí)，氣體的排放順序至關(guān)重要，由于沼氣氣囊的連通性，前方氣囊的氣釋放會(huì)帶動(dòng)后方氣囊的釋放，所以不同的排氣順序?qū)ν翆拥臄_動(dòng)不同，同時(shí)為了最大限度減小對(duì)含氣土層的撓動(dòng)，兩個(gè)機(jī)組分別在隧道結(jié)構(gòu)線兩側(cè)同時(shí)同步同向進(jìn)行施工，施工順序如圖5 所示，單孔排放應(yīng)盡可能地將該孔內(nèi)的氣體排放干凈。

圖5 放氣施工順序示意圖

放氣時(shí)將探桿靜壓至含氣層深度，略微上拔，將探頭甩入土中，利用含氣層與探桿內(nèi)的壓差，在含氣層自然能量條件下通過(guò)探桿使氣體逐漸釋放出來(lái)，減小氣量、降低壓力。放氣一段時(shí)間后，若出現(xiàn)噴發(fā)泥、砂狀況，則迅速調(diào)節(jié)減壓閥及出氣口閥門(mén)，減小出氣口的流量，必要時(shí)可關(guān)閉出氣口閥門(mén)，靜置一段時(shí)間再慢慢打開(kāi)出氣口閥門(mén)。當(dāng)出氣口不再噴出氣體，用空氣壓縮機(jī)向探桿內(nèi)注入0.7MPa 壓力的空氣，3min 后關(guān)閉空壓機(jī)，此時(shí)若仍無(wú)氣體噴出，則收回探桿進(jìn)行下一孔的施工。

2.3 甲烷監(jiān)測(cè)

沼氣內(nèi)主要成分為甲烷，為確保施工安全，及時(shí)監(jiān)測(cè)隧道內(nèi)甲烷氣體的含量，以預(yù)測(cè)沼氣泄露的可能性。除在盾構(gòu)螺旋機(jī)出土口處安裝氣體檢測(cè)儀外，在盾構(gòu)人艙位置、中盾位置、螺旋機(jī)出口位置、連接橋位置及各個(gè)臺(tái)車(chē)位置增加氣體自動(dòng)檢測(cè)儀，檢測(cè)裝置如圖6 所示。

圖6 螺旋機(jī)出土口處檢測(cè)裝置

2.4 隧道通風(fēng)措施

當(dāng)隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)到一定濃度沼氣時(shí)，需盡快將其排出、排盡，避免沼氣聚集引發(fā)爆炸及施工人員中毒，故綜合隧道情況及沼氣分布情況進(jìn)行相關(guān)隧道通風(fēng)設(shè)計(jì)，保持隧道內(nèi)空氣流暢。

施工通風(fēng)采用壓入式通風(fēng)，作為隧道內(nèi)預(yù)防甲烷濃度超標(biāo)的主要措施。始發(fā)端到風(fēng)井處設(shè)置一臺(tái)隧道專(zhuān)用對(duì)旋式2×37kW 的單速風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)速為2 900r/min，流量為43 000～30 000m3/h，每天24 小時(shí)持續(xù)將風(fēng)量壓入隧道內(nèi)臺(tái)車(chē)尾部，如圖7 所示，風(fēng)井處到接收端設(shè)置一臺(tái)隧道專(zhuān)用對(duì)旋式2×75kW 的變頻風(fēng)機(jī)，臺(tái)車(chē)尾部放置一臺(tái)22kW 的二次通風(fēng)機(jī)。同時(shí)成型隧道內(nèi)每80 環(huán)左右兩側(cè)各安裝一臺(tái)0.37kW 的軸流風(fēng)機(jī)，確保隧道內(nèi)通風(fēng)質(zhì)量，預(yù)防有害氣體聚集，如圖8 所示，風(fēng)機(jī)電源線路為單獨(dú)式，開(kāi)關(guān)采用防爆盒裝置。

圖7 壓入式風(fēng)機(jī)

圖8 成型隧道內(nèi)風(fēng)機(jī)

2.5 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

沼氣氣體能從多種路徑進(jìn)入隧道內(nèi)，故需采取針對(duì)性措施，從盾構(gòu)掘進(jìn)操作上盡可能控制進(jìn)入隧道內(nèi)的沼氣流量。

1)渣土改良 螺旋機(jī)出土口為甲烷進(jìn)入隧道內(nèi)的首要途徑，根據(jù)出渣情況及時(shí)向開(kāi)挖面注入優(yōu)質(zhì)的泡沫劑對(duì)渣土進(jìn)行改良，一方面提高渣土的和易性和流塑性，另一方面改善土艙和螺旋輸送器出土?xí)r的密封性。通過(guò)控制螺旋輸送機(jī)出土速度和開(kāi)口度，形成土塞，進(jìn)一步提高螺旋的密封性，減少甲烷從螺旋機(jī)泄入隧道。

2)姿態(tài)控制 盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中嚴(yán)格控制盾構(gòu)姿態(tài)，水平及垂直偏差不大于40mm，使盾尾間隙保持均勻30mm 左右，避免出現(xiàn)單側(cè)盾尾間隙過(guò)大，從而導(dǎo)致盾尾密封失效，漏水、漏砂、甲烷氣體等進(jìn)入盾殼內(nèi)部。

3)推進(jìn)速度與甲烷涌出量控制 根據(jù)式（2）計(jì)算甲烷涌出量

式中Q——甲烷涌出量（m3/min）；

V——掘進(jìn)速度（mm/min）；

S——隧道掘進(jìn)斷面面積（m2）；

ξ——砂性土層孔隙率（%）；

P——實(shí)測(cè)最大瓦斯壓力值（MPa）；

Pst——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（MPa）；

A——考慮盾尾及成型隧道逸出一定量的有害氣體的安全系數(shù)；

K——考慮到地層中土體甲烷釋放系數(shù)不同及釋放的不均勻性設(shè)置的瓦斯涌出系數(shù)。

根據(jù)計(jì)算，由表1 可知，將甲烷涌出量控制在0.5m3/min 內(nèi)，推進(jìn)速度控制在40mm/min以內(nèi)較為合理。

3 盾構(gòu)設(shè)備針對(duì)性改良

3.1 盾尾密封

為加強(qiáng)密封效果，盾構(gòu)盾尾采用三道密封措施，整體呈鈍角形，采用兩道焊接式鋼絲密封刷和一道鋼板刷，其中鋼板刷的剛度較大，不易折斷，能更大程度地保證盾尾密封性能。

盾構(gòu)始發(fā)前嚴(yán)格控制尾刷內(nèi)涂抹油脂質(zhì)量，需使用優(yōu)質(zhì)油脂，每道尾刷分3 層仔細(xì)涂抹飽滿。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，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，以防甲烷通過(guò)盾尾進(jìn)入隧道。盾尾油脂壓注量由正常隧道掘進(jìn)使用量的45kg/環(huán)提高到65kg/環(huán)，比正常情況多近0.5倍。

表1 J推進(jìn)速度與甲烷涌出關(guān)系表

3.2 加泥加水口

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中通過(guò)土艙和刀盤(pán)上的加泥加水口，加入膨潤(rùn)土以改良刀盤(pán)正面渣土和土艙內(nèi)的渣土，同時(shí)對(duì)刀盤(pán)刀具起到一定的保護(hù)作用。為防止沼氣從加泥加水口處泄露，可通過(guò)加注膨潤(rùn)土在刀盤(pán)正面起到一定的泥膜阻隔作用。同時(shí)在土艙和螺旋機(jī)內(nèi)加注膨潤(rùn)土也可防止噴涌現(xiàn)象，控制甲烷從螺旋機(jī)出土口釋放的速度。

3.3 防爆設(shè)備

一般情況下當(dāng)甲烷濃度到達(dá)5%時(shí)遇明火就會(huì)發(fā)生劇烈的爆炸，為減小甲烷爆炸的可能、控制風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)隧道內(nèi)的照明設(shè)備進(jìn)行了防爆改造，其中應(yīng)急照明和臺(tái)車(chē)照明采用防爆式，并對(duì)盾構(gòu)設(shè)備電器接頭處進(jìn)行密封處理，如圖9所示。

圖9 電器設(shè)備接頭處密封處理

4 結(jié)論

目前杭州至海寧城際鐵路盾構(gòu)已完成接收，盾構(gòu)順利穿越了沼氣地層。在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，經(jīng)沼氣監(jiān)測(cè)措施，盾構(gòu)掘進(jìn)期間左線檢測(cè)甲烷濃度最大值為0.35%，右線檢測(cè)甲烷濃度最大值為0.45%，均低于0.5%，施工過(guò)程中未出現(xiàn)施工人員中毒以及沼氣爆炸的情況，同時(shí)隧道內(nèi)管片也未出現(xiàn)開(kāi)裂等變形現(xiàn)象，并且沼氣釋放對(duì)地層的擾動(dòng)影響得到了有效控制，未對(duì)隧道上分已有管線產(chǎn)生影響。通過(guò)采用預(yù)先釋放、氣壓及流量監(jiān)測(cè)、隧道通風(fēng)、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整和盾構(gòu)設(shè)備改良等對(duì)策措施，有效保證了盾構(gòu)穿越沼氣地層的施工安全。