大直徑泥水盾構長距離穿越沼氣地層安全措施研究

劉志元

(中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250101)

0 引 言

沼氣是有機物質在無氧條件并在一定的溫度與濕度情況下經微生物發酵產生的一種沒有顏色以及氣味的可燃氣體,其主要成分為甲烷[1]。盾構機在沼氣地層中掘進時，地層中的沼氣會向隧道內部泄漏，并且由于其無色、無味使得施工人員難以察覺。當隧道內沼氣達到一定濃度時，遇見明火會發生爆炸事故，造成非常嚴重的危害；沼氣含量過高可導致隧道內工作人員窒息甚至死亡[2]。近年來，隧道穿越長江工程已取得了許多成功的經驗，同樣也遇到了很多棘手的問題，隧道建設過程中遇到的沼氣地層便是主要的地質災害之一。本文分析了大直徑泥水盾構沼氣涌入的途徑、沼氣地層泥水盾構施工風險及安全措施。

1 工程概況

1.1 區間隧道設計概況

蘇通GIL綜合管廊工程位于G15沈海高速蘇通長江大橋上游西側600～1 200 m處，是淮南—南京—上海1 000 kV交流特高壓輸變電工程的單項越江工程，采用隧道過江方式。綜合管廊起點位于南岸(常熟)始發井，終點位于北岸(南通)接收井，綜合管廊隧道為內徑10.5 m、外徑11.6 m，全長5 468.545 m。隧道線路由始發井至接收井，其最小曲線半徑為2 000 m。隧道線路從常熟始發井開始，先以5.0%的坡度下行，接著以2.3%的坡度下行，之后又分別以5%、0.5%的坡度下行至隧道最低點(最低點位置隧道結構頂面標高-63.23 m，底面標高-74.83 m)，之后又分別以0.5%、3.1%的坡度上行，然后以0.5%的坡度上坡，坡長2 119.840 m，最后以5%的坡度上坡，坡長549.309 m到達南通接收井。

1.2 有害氣體勘察概況

經過勘察，發現有害氣體隧道段位于長江水域，南起常熟港專用航道，北至長江深槽南緣，富含沼氣的地層長度為1 780 m，水平面高程-3.3～-14.8 m。長江深槽以南隧道(綜合管廊)段下部存在淺層沼氣地層，其主要成分包括：甲烷(CH4)占比85%～88%、氮氣(N2)占比8%～10%、氧氣(O2)占比2%～3%。該段地層擁有良好的沼氣儲、蓋條件，儲氣層為砂、粉土層④1、④2、⑤1、⑦2，蓋層為黏性土層③、④1。試驗測得關井氣體壓力為0.25～0.30 MPa，估算沼氣壓力不大于其上覆水土壓力之和，屬正常壓力系數，估計為0.4～0.6 MPa。本段地層內沼氣未大面積連片，呈團塊狀、囊狀局部集聚分布，靜探測定單個儲氣量最大約為5 m3，沼氣有向上、向蓋層底部集中的趨勢。

1.3 盾構機配置概況

蘇通GIL綜合管廊工程盾構區間采用1臺海瑞克生產的復合式泥水氣壓平衡盾構機施工，盾構刀盤開挖直徑為12.07 m，總長度為140 m，總重量為2 404 t，主驅動裝機功率為3 000 kW。

2 沼氣泄入隧道內途徑分析

沼氣泄入隧道內的可能途徑主要為：

(1) 沼氣由盾尾密封處緩慢泄入成型隧道內。

(2) 通過盾構機氣壓系統(SAMSON系統)排入成型隧道內。

(3) 延長盾構泥漿管道時，沼氣泄漏進隧道內。

(4) 盾構機出漿管法蘭連接處沼氣泄漏。

(5) 管片接縫處沼氣泄漏。

3 沼氣對盾構施工的影響

沼氣對盾構施工的影響見表1。

表1 施工階段沼氣對盾構施工的影響[3]

4 盾構穿越沼氣地層安全施工措施

4.1 隧道通風措施

綜合盾構隧道內涌入的沼氣的途徑分析，隧道內采用地面風機壓入式的通風措施。地面泥漿系統作為沼氣易集聚點，設置專門稀釋通風系統與沼氣監控系統，以及隔離設施。

(1) 隧道段1 000 m之前采用壓入式雙風機雙風筒送風，根據隧道內沼氣探測濃度，采用1臺風機工作，1臺風機備用的方式；風機變頻運轉，以風量為基準對風機的頻率進行調節，并配備以短距離抽出式通風抽排沼氣。

(2) 當施工距離大于2 000 m后，長距離壓入式雙風機雙風筒送風，固定出風口的出風量，調節風機頻率，實現風機節能。

(3) 地面回漿池回漿管出口會有甲烷的集聚，因此也需要設置排風系統及沼氣監控報警系統，以及隔離設施。

(4) 盾尾、泥漿管換管處、刀盤倉、汽水平衡氣囊放氣處等設置局部通風系統吹排稀釋沼氣。

(5) 常壓進倉檢查及更換刀具時，加強倉內空氣質量檢查及局部通風，倉內空氣質量須滿足《盾構法開倉及氣壓作業技術規范》(CJJ 217—2014)的要求。

4.2 盾構機防爆設計

4.2.1 加強盾構機周圍通風

加強盾構機前后通風和局部通風，防止沼氣在局部聚集至濃度超標而形成爆炸隱患。具體操作如下：

(1) 延長一級通風管線，采用二次通風系統將隧道送風管出口處新鮮空氣送至盾構機前方。

(2) 延長保壓系統排氣管線直至拖車4的尾部，防止自動平衡排出的含甲烷的空氣在盾構機內聚集。

(3) 在盾構機內空氣流通差的局部位置安裝6個鼓風機，額外將盾構機環境氣體旋轉分散，避免沼氣局部聚集。

4.2.2 盾構機進行局部防爆設計

(1) 所有的遠程遙控裝置替換成防爆形式，盾構機正常照明和緊急照明替換成防爆形式，備用發電機更換防爆電池和防爆配電箱，隧道掘進導向系統更改為防爆設計，預留的所有開放式電纜接頭更換為防爆設計。

(2) 盾構機上所有電箱及電纜接頭更換為防爆設計；盾構機上所有額外的用電工具均采用防爆設計。

(3) 將甲烷氣體探測器從7個增加到12個，具體位置為：主機部分7個探測器，拖車1、拖車2與橋架連接處、拖車3、拖車4及拖車5各1個探測器。

(4) 將氣泡艙及人艙內的所有電氣部件(電容器繩式傳感器、液位傳感器以及電阻率測量儀、照明、通信系統、刀盤控制面板、前閘門和攪拌器/碎石機控制面板)更換為防爆型。

(5) 甲烷(CH4)的濃度一旦達到0.5%，盾構機控制面板報警，從地面增加1次通風的風量；若遇斷電時，如甲烷濃度低于3%可以使用應急發電機電源，高于3%則不得啟動應急發電機；當甲烷(CH4)濃度達到4%，從盾構機到地面的額外獨立的控制電纜能將地面高壓電源切斷，從地面將盾構機斷電，人員撤離盾構機。

4.3 施工現場工程車輛防爆安全設計

在進入隧道的每輛施工車輛的駕駛室增設1臺便攜式瓦斯檢測報警儀，對隧道內部的沼氣(CH4)進行檢測，并按照《煤礦安全規程》要求進行操作，“當沼氣濃度達以下值時，分別進行報警、斷電、復電等措施。≥0.5% CH4，報警；≥1.5% CH4，斷電；<1.0% CH4，復電”，同時在施工車輛尾部安裝火花滅火器。

使用防爆組件對所有工程車輛的電氣線路進行全部改裝，這些改裝內容涉及車輛啟動器、所有用電設備(如照明指示燈具、喇叭、音箱等設備)、發熱部件、排氣口等。通過改裝，工程車輛可在具有危險易爆氣體的場合下安全工作。

4.4 電氣設備及安全監控系統

4.4.1 電氣設備的安全設置

地面通風機配電電壓為380 V，系統為中性點直接接地系統，采用雙電源供電；隧道采用高壓送電逐段設置配電點的方式供電，將隧道分為共5個配電段。在每個段的起始端設置配電點，每個配電點均采用防爆的開關設備。隧道內設礦用防爆型LED照明燈具，在隧道兩側交錯設置，每隔4環管片設置一處。照明燈具127 V電源由礦用隔爆照明綜保提供。應急照明采用礦用隔爆型應急照明燈具，單側設置，燈間距為25環。隧道內各配電處均須可靠接地以及與電氣設備的保護接地裝置可靠連接，并與設在地面的2#配電點接地網連接，形成隧道總接地網。

4.4.2 隧道內安裝安全監控系統

在隧道內安裝1套安全監控系統，對掘進時的生產環境以及各主要生產設備運行狀態實時監測，使相關人員能夠及時了解掘進隧道內的環境狀況，做到對各類災害的提前預測，預防事故災害的發生。

4.5 沼氣抽排系統

為了安全施工以防萬一，增設1套沼氣抽排系統。在地面建立沼氣抽排泵站，通過敷設的管路與盾構機的放氣孔連接，并裝設閥門和監控系統抽排掘進中的沼氣。抽采沼氣管路系統包括：支管、干管和抽采管路附屬裝置。抽采沼氣管路規格均為D133×4.0 mm的無縫鋼管，管路間及管路與管件間均采用法蘭進行連接。

4.6 其他技術措施

4.6.1 加強盾尾密封

地層內沼氣可由盾尾密封處緩慢泄入成型隧道內，因此盾構的盾尾密封效果對防止沼氣進入隧道具有重要作用。若盾尾密封效果較差，會直接導致地層內沼氣由盾尾進入隧道，對工程的施工安全以及進度造成嚴重影響。因此需要加強對盾尾的密封工作，確保盾尾內部油脂的密封效果達到要求。

4.6.2 加強管片拼裝的質量控制措施

當管片在拼裝過程中發生破損或者管片間止水條損壞，沼氣會沿著破損處的裂隙進入隧道，因此管片拼裝的質量也會對沼氣防控產生影響。必須嚴格把控管片拼裝工作,避免管片發生破損現象,加強管片拼裝質量。

4.7 輔助措施

采用“克泥效”工法和特殊的同步注漿漿液，如圖1所示，加強管片外側填充物的防滲透能力，盡可能阻隔有害氣體和隧道管片、盾構的盾尾密封直接接觸，進一步防止沼氣進入隧道。

圖1 孔隙處注入克泥效

5 結束語

蘇通 GIL 綜合管廊工程盾構隧道自 2017 年 6 月28日始發開始推進施工，便進入有害氣體地層，至2017年11月29日完成有害氣體地層穿越，2018 年 8 月21日順利貫通。盾構機在穿越有害地層期間，盾構機內部空氣質量合格，甲烷(CH4)的濃度未達到0.5%，遠遠小于詳勘中解釋的甲烷濃度。

在有害氣體地層掘進施工期間，針對盾構機進行的防爆改造措施針對性強，切實可行，經濟合理，有效保證了有害氣體地層掘進的安全和進度，在節約了工期的同時也確保了安全，這對在有害氣體條件下保證工程的長期穩定和加快施工進度起到了非常重要的作用。

本文介紹的在有害氣體條件下盾構機防爆改造措施和技術將很好地解決大直徑泥水平衡盾構在有害氣體地層中施工中的難題，可在有害氣體條件下施工的大直徑盾構隧道中應用，對保證大直徑盾構安全和快速穿越有害氣體地層具有良好的借鑒價值。