1、盾构法隧道施工地层中存在可燃气体的施工技术李胜新 陈 宙 张 平 邢舒宁摘 要：结合西气东输二线钱塘江盾构工程实例，本文介绍了盾构法隧道施工中存在可燃气体，增加施工了风险与施工难度，从施工管理、技术创新、优化施工方案、防范措施等方面实现了有效控制与风险管理，保障了安全施工。现将施工应对措施介绍如下：关键词：盾构法隧道；可燃气体；风险管理；技术创新1 前 言钱塘江盾构法隧道穿越工程，主要地层为淤泥质黏土、粉质粘土与粉砂层。该地层的典型特征是含有大量古生物、植物群等有机物，在淤泥质、粉质粘土层中含有团状气包的形式存在。随盾构机掘进致该部位时，可燃气体气包密封被破坏，可燃气体被释放出来，通过隧道管片
2、环缝、盾尾密封刷间隙等部位，进入隧道内部。当有害进入隧道内将会造成中毒、窒息、爆燃等重大风险危害。2 工程概况2.1 概况及地质条件西气东输二线钱塘江盾构工程是西气东输二线管道南昌上海支线控制性工程之一。在浙江省海宁市和杭州市萧山区之间穿越钱塘江观潮区（如图 1） ，采用盾构法施工，隧道穿越段水平长度3141m，隧道内径为 3.08m，外径为 3.54m。图1 穿越位置示意图依据钻探揭露及土体形成的地质时代、成因、岩性、物理力学性质等特性对场区的地层进行工程地质分层，自上而下共分为 8 个主要地层，6 个夹层。穿越主要风险为具有流塑特性的层淤泥质粉质粘土层和透水性较好的层粉质粘土夹粉砂层（如图
3、 2） 。图 2 钱塘江盾构穿越主要穿越地层断面图2.2 地层存在可燃气体的判断依据根据西气东输二线管道工程钱塘江盾构隧道穿越岩土工程勘察报告 ，在勘察过程中钻探发现有沼气呈气泡状逸出，有少量冒气现象，套管内可听见少量间歇性的水泡声，孔内水位较高，冒气现象不明显，当水位下降时，水泡声明显。在勘探过程中发现的浅层气主要为零星沼气（可燃气体） ，表现为间歇性冒水泡状，一般出气量小。根据钻探岩芯分析，贮气层主要为淤泥质粉质粘土，含少量腐植物，具明显泥腥臭，腐植物腐化产生的微量气体经地下水运行富集在孔隙含水层中，其主要成分是沼气（可燃气体） ，由于土层钻孔压力释放造成气体释出现象。钱塘江盾构施工掘进至
4、18522130米时，地质主要为淤泥质粉质粘土。通过打开舱门中心球阀，使用便携式气体检测仪检测，发现CH 4的浓度急剧上升， （如图3） ，程喷出状。图3 可燃气体检测仪检测出CH 4含量3 害气体地质条件下施工风险分析相对于山体隧道、地铁隧道而言，小断面穿江隧道施工空间更小，地质勘察、地质预处理的施工难度更大。主要包括以下几点：3.1 地质勘察精确度降低对穿江盾构施工而言，在江面进行地质勘察作业难度相对较大，目前的技术水平还有很大的局限性，地质勘察精度降低，难以发现地层中埋藏浅含可燃气体。在勘查中发现可燃气体含量和种类，必须提高勘察水平。 3.2 预前减压与排气实施困难 针对非河流穿越可燃气
5、体地层，可以采用插管减压法测定可燃气体含量与位置，并实现预排放，达到降低其含量、压力的目的。对于穿江隧道，在江面上进行插管排气作业难度大。钱塘江盾构施工中，受钱塘江大潮的影响，无法进行插管排气作业。3.3 受限空间作业，施工风险更大 小断面盾构施工属于受限空间作业，即使少量可燃气体进入隧道，其浓度也会快速上升到爆炸范围。另外应急物资配备、通风机布局等都受到空间限制，在发生人员中毒、窒息或爆燃事故，无法组织人员快速撤离，增加了施工风险。4 可燃气体地层掘进措施针对可燃气体地层盾构施工存在的巨大风险，项目在组建期间就应该给予高度重视，制定可行的施工方案和应急措施。施工中要从施工管理、技术创新、风险
6、消减等多方面着手，加强隧道内可燃气体检测、隧道和设备防水性能，风险控制与管理，消减可燃气体地层的施工风险，确保人员生命财产安全。4.1 应对措施1）可燃气体检测仪器配备及完好性保证由于便携式气体检测仪随着环境变化具有不稳定性，因此采用恰当的监测报警方法进行实时监测显得尤为重要。钱塘江盾构采用了固定式气体监测系统和便携式气体检测仪相结合的检测方式对掘进隧道进行全程监控（图 4） 。加强对盾尾、拖车尾部和隧道内主要部位的检测。确保第一时间发现隧道内部可燃气体、CO、氧气和 H2S 等可燃气体，方便员工及时了解周围环境的状况。图4 隧道固定可燃气体监测报警系统 2）24小时专人不间断多点监测控制建立
7、24小时巡检制度，重点对主机内、1#拖车操作台、后部拖车、隧道内部和竖井5个部位进行不间断监测，确保隧道空气质量达标，满足施工要求。同时，加强对后部管片渗漏水点的监测，做好监测记录和交接班记录。一旦发现有可燃气体泄漏，及时通报井下作业人员，并查清泄露点，采取封堵、强制通风等措施稀释可燃气体，将浓度控制在1%以下。3）明火管制隧道内可燃气体浓度严格控制在 1%。同时加强安全作业管制，严禁明火与动火作业管制，是防止可燃气体爆炸的有效手段。在施工中应加强井下明火管制措施，严禁井下吸烟和使用火柴、打火机、电气焊等点火物品与作业。在没有事先监测的情况下，严禁从事电、气焊等特种作业。如要进行动火作业必须有
8、票证许可，规范作业程序。4）做好应急物资配备，进行人员培训在井下配备防毒呼吸面罩、氧气袋、担架、消防器材和急救药品、防水照明灯具等急救物资。防毒面罩要求至少可以供有氧呼吸 1 个小时，应急防水照明灯要求工作时间至少持续 1 小时。并对员工进行应急设备使用方法培训和应急演练，确保出现问题后所有员工能够做到自救和互救。同时做到定期对急救物资进行完好性检查，确保所有应急物资都能够正常使用。4.2 技术创新保证措施监控主机监控室监控台AB病、DC1）盾尾密封事前处理与改进 提高耐用寿命降低渗漏风险通过技术创新，对盾尾密封刷进行预处理和盾尾结构改造，添加橡胶保护套和应急橡胶密封，可以延长盾尾密封刷的使用
9、寿命，提高密封效果。对盾尾结构的改造，在盾尾安装两道橡胶密封和一道充气应急密封（如图 5） ，可以有效的防止可燃气体随地层水溢进隧道。橡胶密封的应用在川气东送黄石盾构工程、九江长江盾构工程中使用都比较成功。在钱塘江盾构工程中该项改造技术使用效果更佳，创造了连续施工盾尾无一次渗漏水的记录。图 5 盾尾密封改造示意意图2）用电设施采用防爆型，并进行完好性检查在可燃气体存在的环境中，电火花常常成为引起燃烧和爆炸的主要原因之一。为此在主机内部采用防爆型插座、插头、照明灯、线缆和接线盒。隧道内部的电缆线与风管、水气、泥浆管道分开布置，单独安装在隧道的左侧，并且做到高压线、低压线、通讯线分开布置。施工过程
10、中建立巡检制度和定期检查制度，班组电工坚持每天对用电设备进行检查，并由电气工程师负责对隧道线缆和用电设备进行完好性检查，做好检查记录。3）24小时不间断通风，做到抽排并用预防可燃气体浓度防止爆燃的主要措施之一，是加强通风以降低可燃气体浓度，使其在允许安全范围之内。因此采用两套通风机，一用一备。通风设备采用隧道专用四级可调轴流风机。应根据隧道内同时最多工作人数所需风量、防止可燃气体聚集最小风速等规定计算风量，并保证隧道内人均送风量不小于5m 3/ 人min（工作风量） ，作业面风速不得低于0.25m/s。为促进隧道内风流形成循环，在考虑通风的同时同时采用排风措施，达到隧道内风流循环的目的。并配备
11、了应急照明灯和备用发电机，确保隧道用电正常。4.3 优化施工方案措施1）掘进姿态控制严格控制盾构姿态，严禁进行急剧纠偏，从而导致盾尾间隙不均匀，导致盾尾密封失效，从而形成盾尾间隙，形成渗漏水和可燃气体通过盾尾间隙涌进隧道内部。2）保证拼装质量在进行管片拼装作业前进行管片外观检查，确保管片无贯穿裂缝，无大于 0.3mm 宽的裂缝及混凝土剥落现象。拼装时将管片错台控制在允许范围内，如果管片错台过大，要拆除重新拼装，坚决杜绝因拼装质量差导致地层和隧道间出现贯穿裂缝。在管片拼装时必须保护防水材料不被破坏，并严防脱槽、扭曲和移位现象的发生。如发现防水材料损坏，轻则修补、重则重新调换，以确保管片接缝防水质
12、量；管片局部破损处要及时修补。3）优化浆液配比，控制注浆质量为确保注浆质量，通过模拟地层状况，进行注浆试验，调整、优化浆液配比。采用同步注浆、后期补浆相结合的方式，将管片与地层之间的空隙填充密实。同时采用双液注浆、化学注浆等先进堵漏工艺封堵管片环、纵缝渗漏水点，防止可燃气体随着地层水进入隧道。5 结 语钱塘江盾构掘进施工自 2010 年 6 月开始，贯通于 2011 年 5 月 13 日，历时 341 天。整个施工过程中对可燃气体的监控，采取定点固定与手持移动式二种检测方法，由专人负责检测，填写表格，定期进行应急物资和设备检查，持续开展培训和应急演练，最终实现了安全生产零伤害、零污染、零事故的
13、目标。结合本工程的施工经验，笔者认为盾构施工中人的不安全行为是引发安全事故的主要根源，施工人员对可燃气体的忽视是最大的安全隐患，所以必须重视人的管理，通过标准化、规范化管理制度，消减可燃气体对盾构施工带来的危害。参考文献1 熊卫兵, 石长礼, 周新权. 软土地区盾构越江隧道地质灾害风险分析. 2009 - 03 - 092 周少东 夏银飞 杜先照 陶文涛.地铁盾构隧道穿越可燃气体地层的施工技术. 武汉地铁集团有限公司. 2008 - 07 10作者简介李胜新， （1957-） ，男，汉族，中国石油天然气管道局西气东输二线钱塘江盾构工程项目经理，高级工程师，经理助理 从事盾构施工技术与管理工作。Tel: Email:
