盾構掘進穿越有害氣體地層施工技術應用研究

江澤禮

【摘?要】針對杭州地鐵1號線盾構掘進穿越存在有害氣體底地層，提出并實施了地面鉆孔釋放、溫度監測、隧道通風、優選盾構施工參數等措施，取得了良好效果。

【關鍵詞】盾構掘進;穿越;釋放;監測;隧道

【Abstract】For the shield tunneling of Hangzhou Metro Line 1 passing through the bottom stratum with harmful gas， measures such as surface borehole release， temperature monitoring， tunnel ventilation and optimization of shield construction parameters are put forward and implemented， and good results are achieved.

【Key words】Shield tunnelling;Pass through;Release;Monitor;Tunnel

1. 引言

按照傳統瓦斯隧道安全技術措施，應在盾構設備下井之前，對電器設備進行防爆技術改造。但兩臺盾構已經掘進至1200～1500米，對盾構設備進行防爆改造存在較大的困難。通過分析，盾構施工地段地質屬第四系海沖積相，形成年代較短，雖然有可燃氣體存在，但氣量少，未形成可開采的氣田，且儲氣層賦存體之間不是完全連通。通過調研，對盾構機不進行防爆技術改造，而是采用提前在地面有控排放有害氣體和降低壓力，并結合洞內采取加強通風、監測、密閉、安全管理等措施，保證了盾構安全穿越有害氣層，取得了很好的效果，就盾構在有害氣層掘進施工的安全措施進行詳細的應用研究，以期對同類工程提供借鑒作用。

2. 工程簡介

杭州地鐵1號線某盾構區間工程由雙線單圓盾構隧道及4個聯絡通道和1個中間風井工程組成。左線起止里程ZK28+571.326～ZK31+573.447，區間長度3005.041米;盾構隧道內徑5.5米、外徑6.2米，隧道頂部埋深9～19.33米。在ZK30+074.712～ZK30+088.212處設一個中間風井兼聯絡通道，右K29+152.500處設一個聯絡通道兼泵房（1#），右K29+599.644（2#）、右K30+686.983（3#）、右K31+284.125（4#）處分別設一個聯絡通道。

3. 區間地質水文情況

3.1?根據杭州地鐵1號線某區間巖土工程詳細勘察報告可知，地下50米以內地基土層的構成，按地層層序由上至下分別由①2素填土、②1砂質粉土、③1砂質粉土、③2砂質粉土、③3粉砂夾砂質粉土、③4砂質粉土、③5砂質粉土、③6淤泥質粉質粘土夾粘質粉土、⑥2淤泥質粘土、⑧1粉質粘土、⑧2粉質粘土;

3.2?該地段地下水含量豐富，土質滲透性較強，且地下水位較高。根據地下水的含水介質、賦存條件、水理性質和水力特征，地下水分為第四系松散巖類孔隙潛水和孔隙承壓水。其中：松散巖類孔隙潛水埋深1.10～3.50m，水位埋深隨季節變化;松散巖類孔隙承壓水為弱承壓水。主要分布于第⑿1層中砂、⒁1層圓礫中，承壓水位埋深6.00m左右，水頭高度達到47米左右，主要接受上游補給區的側向徑流補給及垂直向越流補給，以開采為主要方式進行排泄。

3.3?本區間隧道結構頂部埋深9～19.33米，隧道掘進過程中盾構體直接涉及的土層主要為③層。其中③層土受施工擾動易液化，在動水壓力下易產生流砂、涌水現象;特別是③6淤泥質粉質粘土夾粘質粉土呈流塑狀，具高孔隙比、高塑性、高壓縮性、高靈敏度，有明顯的觸變、流變特性，在動力作用下，極易造成土體結構破壞，使土體強度降低。

3.4?通過有害氣體補充勘察報告可知錢塘江南北兩岸均有有害氣層存在，本工程中間風井至九堡東站近1300米地段范圍盾構掘進施工時均需要切割或穿越有害氣層。氣壓高達0.21Mpa，嚴重影響盾構施工安全，必須采取相應安全技術措施。

4. 有害氣體的形成與積存狀況

4.1?有害氣體的形成。

（1）杭州錢江地區由杭嘉湖平原和蕭紹平原組成，表層有大量粉性土堆積，該區在第四紀的幾次海進海退中，交替沉積了數套富含有機質的淤泥質粘土層和（粉）砂層。淤泥質粘土層中的有機質在厭氧菌的生物化學作用下分解發酵，伴隨著一定的溫度和壓力，變成了氣態產物。當生成的有害氣體不可能向大氣中擴散時，便不時向周圍地層孔隙中運移、積聚，儲集在（粉）砂層中，形成了淺層氣藏（見下式）。這些淺層有害氣體主要為甲烷型，甲烷含量多在90%以上，并含少量氮、二氧化碳，而乙烷以上的烴類含量甚微，不含硫化氫等有毒或腐蝕金屬的成分[1]。

（2）杭州錢江地區的地下有害氣體，位于海陸過渡地帶[2]，既有海相成因，又有陸相成因特征，在地表土層之下主要為一套河口灣相的粉、砂層，其下為海相的淤泥質粘土層，為主要生產層及封蓋層，再下為河漫灘相為主的（粉）砂土或貝殼層，系主要的儲氣層。

4.2?有害氣體成分及物理化學特性。

（1）地下有害氣體中主要成分是甲烷（CH4），約占9O%～94%，其次為氮氣（N2），約占3%～5%，二氧化碳（CO2）約占1%～2%，還有一些微量一氧化碳（CO）。

（2）甲烷是最簡單的有機化合物，是沒有顏色、沒有氣味的氣體，微溶于水，溶于醇、乙醚。甲烷的熔點為-182.5℃;沸點為-161.5℃;相對密度（水=1）為0.42;相對蒸氣密度（空氣=1）為0.55;飽和蒸氣壓為53.32kPa;燃燒熱為889.5kJ/mo1;臨界溫度為-82.6℃ ;臨界壓力4.59MPa：引燃溫度為538℃ 。甲烷和空氣成適當比例的混合物，遇熱源和明火有燃燒爆炸的危險，其爆炸上限為15%（V/V）;爆炸下限為5.3%（V/V）。

（3）甲烷對人體基本無毒，但濃度過高時，會使空氣中氧含量降低，使人窒息[3]。當空氣中甲烷含量達到25%-30%時，可引起頭痛、頭暈、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共濟失調。若沒有及時脫離這種情況，可導致窒息死亡。一氧化碳是無色、無臭、無味、有毒的氣體，微溶于水，溶于乙醇、苯等多種有機溶劑。其熔點為-199.1℃，沸點為-191.4℃ ，相對密度（水=1）為0.79，相對密度0.97。一氧化碳與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高熱能引起燃燒爆炸。一氧化碳在人體血液中與血紅蛋白結合而造成組織缺氧，輕度中毒者出現頭痛、頭暈、耳鳴、心悸、惡心、嘔吐、無力。中度中毒者除上述癥狀外，還有面色潮紅、口唇櫻紅、脈快、煩躁、步態不穩、意識模糊，可有昏迷[4]。重度患者昏迷不醒、瞳孔縮小、肌張力增加，頻繁抽搐、大小便失禁等，深度中毒可致死。

4.3?有害氣體賦存狀態。

（1）從此次勘察以及江南段勘察的現場測試中發現，在不同孔位勘探，探桿上拔至同一層位的土層時，其井噴的強烈程度與持續時間存在著明顯不同，有的探孔噴氣量大，持續時間長達幾十個小時，有的探孔噴氣量較小，持續時間僅幾個小時。這說明地下淺層有害氣體呈蜂窩狀的囊狀體以及透鏡體出現，且各孔位周邊地層的氣壓、儲量以及相連通的氣層范圍差異較大，沿地鐵結構線的縱向分布是不均勻的。究其原因，是氣相在土體中的賦存狀態不同所致，氣相在土體中的賦存狀態可以劃分為四種不同情況。

（2）根據杭州地鐵1號線地下有害氣體特性研究，有害氣體生氣層為灰色的淤泥質粘土層，有機碳含量一般為0.3%～0.5%，殘留厚度一般10～20m。生氣層具有雙

重性質，即生氣又具有封閉能力，尤其是淺海相淤泥質粘土，既是生氣源還是良好的蓋層。淤泥質粘土具塑性、流動性等，有一定的自封閉作用，這種自封閉作用是第四系地下有害氣體保存的主要原因。現場測試發現：當探桿上拔至⑥2淤泥質粘土層時即會噴出氣體，可見，本區間的⑥2淤泥質粘土層為生氣層。本區間③6層淤泥質粉質粘土夾粘質粉土層，具有儲氣層的主要特點，即有氣體儲存的空間，又要有形成圈閉的條件。因此，③6層淤泥質粉質粘土夾粘質粉土層為本區間的儲氣層。

4.4?氣體分布范圍。

由補勘圖可以看出：

（1）本區間的生氣層為⑥2淤泥質粘土層，而儲氣層為③6層淤泥質粉質粘土夾粘

質粉土層。

（2）里程K28+628.4～K31+536.8范圍內均分布著有害氣體，長度約2900米。有害氣體壓力相對較大的區段里程分別為：K29+080.0～K29+298.6，該段長度218.6m，中心里程K29+242.9氣壓峰值壓力0.21Mpa，有害氣體流量分別：Qs58=15.21m3/h;K30+007.6～K30+146.5，該段長度為138.9m，中心里程K30+090.4峰值壓力0.22MPa， Qs10=9.93m3/h。

（3）有害氣層對盾構安全掘進施工有影響的地段從某有害氣體補充勘察的結果看， K28+80O.0～K30+080里程內結構線底部位置，含1#聯絡通道K29+155.208）置于含氣層之上，盾構施工時，需要穿越該段地層之間近1300米，盾構掘進施工時均需要切割或穿越有害氣層。其中心氣壓高達0.21Mpa，其瓦斯流量已經達到三級，嚴重影響了盾構的安全施工。其它地段有害氣層均位于隧道結構線以下，距離較遠，對盾構安全掘進施工影響不大。

5. 有害氣體地面有控排放的安全技術措施

5.1?放氣原因。

有害氣體的存在加大工程建設的難度，嚴重遲滯了地鐵工程的進展。在盾構施工過程中，泄露至盾構隧道內是有害氣體唯——的流動途徑，當有害氣體聚成一定的濃度并且遇到火花或者明火，便會引起工程事故[5]。此外，有害氣體的存在對于施工人員來說，也是一種安全隱患。通過放氣，可以減少、清除地下的有害氣體。

5.2?排氣設備。

有害氣體排放主要設備主要包括探桿（排氣管）并配置各種閥件、壓力表及自行研制的壓力罐（沉淀池）、LZB型玻璃轉子流量計等設備。

5.3?有害氣體地面排放方法。

（1）盾構通過有害氣層前，利用油氣開采的通用設備與靜力觸探設施結合改進研制的靜壓排氣設備，在盾構隧道的結構線外側進行有害氣體排放，降低有害氣體壓力。即采用靜壓設備將觸探用外徑42mm的探管（在探桿端頭密布孔徑小的排氣孔、外纏紋路細密、韌性高的濾網材料）靜壓至儲氣層，然后略微上拔，將探頭甩入土中，利用含氣層與探桿內的壓差，在含氣層自然能量條件下通過探桿使氣體逐漸釋放出來，減小氣量、降低壓力，放氣一段時間后，若無氣體噴出或氣量較少，則上拔0.8m，繼續放氣，重復上述操作，直至儲氣層頂板埋深，放氣完畢后，收回探桿進行下一孔的施工。放氣過程中，通過閘閥實施控制性放氣，觀察氣壓狀態，控制放氣流量。

（2）有控放氣應注重“均衡放氣”。有害氣體釋放的速率應不產生對放氣孔周圍地層的顯著攏動，進行緩慢均衡放氣。利用設備中安裝的各種截止閥、節流閥、減壓閥以及壓力表，進行調節氣體排放的壓力和流量，真正做到有控放氣，大大降低了對周圍土層的破壞。其有害氣體排放控制原則，以不帶出泥砂為控制標準，釋放過程注重壓力的動態平衡。

5.2?有害氣體排放工藝。

5.2.1?有害氣體排放工藝流程。

5.2.2?單孔施工步驟。

施工前仔細核對該孔位的地質資料及有害氣體埋置深度、壓力和儲量大小。施工時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的壓差，在含氣層自然能量條件下通過探桿使氣體逐漸釋放出來，減小氣量、降低壓力。放氣一段時間后，出現噴發泥、砂狀況，迅速調節減壓閥及出氣口閥門，減小出氣口的流量，必要時關閉出氣口閥門，靜置一段間，慢慢打開出氣口閥門。出氣口不再噴出氣體，用空氣壓縮機向探桿內注入0.7MPa壓力的空氣，三分鐘后關閉空壓機，無氣體噴出，收回探桿進行下一孔施工。放氣過程中，可通過閘閥實施控制性放氣，觀察氣壓狀態， 控制放氣流量，連續記錄有關參數。