淺談盾構穿越低瓦斯復合地層施工關鍵技術

李宗奇

中電建南方建設投資有限公司 廣東 深圳 518025

成都軌道交通18號線工程海福1號風井～海昌路站區間采用2臺中鐵裝備復合式土壓平衡盾構機，開挖直徑為8630mm。海昌路站～海福1號風井區間在里程DK22+714～DK22+964段（長度約為250m），穿越上部卵石，下部砂巖復合地層，隧道線路坡度為25‰的上坡。

1 工程地質特征

成都軌道交通18號線海福1號風井～海昌路站區間復合地層段隧道范圍內上部地層為<3-8-3>密實卵石土，下部地層為<5-2-3>中風化砂巖，其抗剪強度為150kpa，單軸極限抗壓強度為3.7Mpa，隧道埋深5～11m。

2 瓦斯概況

2.1 有毒氣體

海福1號風井～海昌路站區間隧道穿越蘇碼頭油氣田，根據地勘報告，在沿線不同地段均測出有不同程度的瓦斯分布。有害氣體主要有淺層天然氣(CH4)、一氧化碳(CO)氣體。

2.2 瓦斯等級劃分

根據《鐵路瓦斯隧道技術規范》（TB10120-2002）瓦斯等級判定標準，如當全工區的瓦斯涌出量小于0.5m3/min時，為低瓦斯工區。根據巖土工程勘察報告，海福1號風井～海昌路站盾構區間為低瓦斯隧道[1]。

3 盾構穿越低瓦斯復合地層施工重點、難點分析

3.1 瓦斯防控

瓦斯隧道施工總原則為：控火源，防涌出，重監測，強通風。瓦斯隧道必須貫徹“先測后進，有疑必測，不明不進”的指導方針。必須把“一通二防”(通風、防治瓦斯、防火)作為安全工作的重點，建立和落實“一通二防”管理制度，保證人員、資金和技術設備到位。

3.2 掘進參數控制

砂卵石地層自穩性差，盾構在穿越過程中，對周圍土體擾動，可能造成開挖面上方渣土大量流入土倉出現超方；如何實現出渣、掘進速度、土倉壓力之間的平衡點是施工難點。

3.3 渣土改良

在復合地層中，采取滿倉保壓掘進措施進行施工，易造成刀盤土倉內結泥餅，如何合理有效地進行渣土改良是施工難點和重點，渣土改良到位，才能保證盾構施工安全、順利、快速。

3.4 管線保護

地表道路、管線較多，盾構掘進超方后，會導致地表塌陷和管線下沉、破裂，如何保證管線安全是復合地層施工難點。

4 盾構穿越低瓦斯復合地層施工關鍵技術研究

4.1 瓦斯防控措施

區間隧道瓦斯監控檢測采用以自動監測系統為主，人工檢測為輔，兩者相結合的形式。盾構機上主要關鍵位置均設置有甲烷傳感器，并將數據傳輸至地面監控室，實現甲烷濃度實時在線監測；當甲烷濃度達到報警設定值時，系統發出聲光報警，螺旋輸送機閘門自動關閉，停止盾構掘進。

通風是瓦斯隧道施工的關鍵，為確保盾構安全掘進，盾構區間隧道施工通風方式選用壓入式通風，直接從洞外風機連接到盾構機，同時為防止盾構機上局部瓦斯聚集，在盾構機上局部增設防爆風扇，吹散瓦斯。為確保隧道通風順暢，每條隧道選用2臺風機，采用1用1備的形式往隧道里送風。

4.2 刀具選型及布置

針對復合地層，在達到復合地層前進行開倉換刀，本地層段砂卵石層主要集中在開挖面上部，故選用抗沖擊的光面寬刃刀具，中心正面單刃滾刀采用加強型球齒滾刀，刃寬2.5cm，以增加刀具貫入度，保證刀具使用壽命及工作效率。

4.3 渣土改良、防結泥餅措施

（1）改良方式：土倉及刀盤面板注入泡沫、水、膨潤土。

①加注泡沫：單環泡沫混合液注入量13～16m3，泡沫劑采用自拌泡沫，在泡沫中添加具有聚合效果的添加劑。泡沫比例：3%～4%，泡沫發泡率：1∶20，泡沫注入率：1∶35。

②加注水：通過對加水系統的改良，掘進過程中，中心部位不間斷加入，上部根據渣土的流塑性，間隔開啟。每環加水量在15m3左右。

（2）每環在皮帶輸送機上取渣樣，分析渣土改良效果及刀盤結泥情況。

（3）根據刀盤扭矩、推力波動情況進行渣土改良的調整。

（4）渣土改良有一定的滯后性，看到螺旋口的渣土不代表艙內的渣土性狀，因此，主司機要重點關注，判斷艙內的渣土情況，才能更好地進行改良控制，使渣土達到預期更好的效果。

4.3 掘進參數控制

復合地層前的穿越麓山大道作為試驗段，經過穿越麓山段試掘進，優化后穿越復合地層實際的掘進參數控制為：推進速度在20～78mm/min之間，平均每環速度為55.7mm/min， 推力在1600～3700t之間平均推力2574.3t，刀盤扭矩在320～1100t.m，平均值為824.2t.m。

4.4 注漿控制

在同步注漿時，同步注漿速度和推進速度保持同步，注漿作業時，宜將壓力控制在2.0～3.5bar。二次注漿采用水泥-水玻璃雙液漿，水泥～水玻璃雙液漿漿液配合比1∶1，水泥漿水灰比1∶1。管片脫離盾尾后及時對管片進行二次補漿，補漿量為同步注漿量的10%～15%。

4.5 保壓措施

采用土壓平衡模式掘進。盾構機停機過程中，觀察土倉壓力顯示的變化情況，以尋找最佳的土壓平衡點。顯示的土壓力比停機前增大，則下一環掘進的土壓力設置為增大后的壓力數值。顯示的數值變小，則下一環掘進土壓力可適當降低。

4.6 管線保護措施

根據管線圖紙與實際勘察情況，管線斜跨隧道上方，為保證穿越過程中，管線安全，根據管線類型及現狀分析，分別采取懸吊保護、加固引排等方式對管線進行保護。

5 結束語

成都地鐵18號線工程海福1號風井～海昌路站區間復合地層段歷時20天，成功快速穿越。實踐證明，盾構穿越上部砂卵石下部中風化砂巖地層采取的措施有效，對于同類工程，該方案具有一定的借鑒意義。