杭州地铁1号线彭埠站—建华站区间盾构隧道下穿有害气体土层工程设计研究

李 斐，陈 达，朱燕琴

(1.北京城建设计研究总院有限责任公司,北京 100037； 2.中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

杭州地铁1号线彭埠站—建华站区间为单圆盾构隧道,场地内存在有害气体层。目前国内尚无地铁盾构隧道下穿高压力有害气体施工的实例。盾构隧道施工空间狭小,有害气体的存在给工程实施带来很大风险。

杭州的土层具有一定的地质特点,有害气体的赋存又不同于煤矿等地区的赋存方式,因此如何合理经济地处理好有害气体,杜绝工程事故的发生,成为一个必须研究解决的问题。

而且,目前地铁设计中因没有针对性的规范,所以只有参考《铁路瓦斯隧道技术规范》。但地铁盾构隧道又与铁路隧道有许多不同的地方,因此规范的可参考性尚存在一定争议。主要争议集中在以下几点：地铁勘察有害气体压力与铁路勘察有害气体压力方法不同,地铁勘察提供的有害气体压力为经过修正后的压力,有一定的安全系数考虑在内；有害气体赋存形式不一样,地铁土层中多为鸡窝状赋存的有害气体,而铁路隧道中分布较均匀,大面积赋存；地铁盾构区间隧道衬砌为装配式衬砌,而铁路隧道衬砌为喷锚支护或喷锚支护+现浇混凝土结构；地铁隧道列车运营间隔约3～5 min小间隔运营,活塞风效应明显，而铁路隧道列车运营间隔较大。

2 工程概况

杭州地铁1号线正线的彭埠站—建华站区间为单圆盾构区间。区间全长约为1.6 km。区间设置两个联络通道,其中一个联络通道与泵站合建。

平面线路左线由直线段，4个半径分别为700、600、1 000、1 200 m的圆曲线段及缓和曲线段组成。右线由直线段，半径为1 500、650、1 200、600、1 000 m的圆曲线段及缓和曲线段组成。线间距最大约为67 m。最小约为13 m。区间主要下穿关键节点为改移后的备塘河3号桥、沪杭甬高速公路。

线路在纵断面上采用动力坡,线路呈大V字坡,在中部设最低点。隧道顶埋深15～25 m。

在彭埠站大里程站端共设置7条线,1号左右线在两侧,4号线延伸线下穿4号线出入段线、1号线的出段线、1号线左线往北延伸。1号线左线在区间中部下穿1号线出段线和4号线出入段线。7条线纵断、平面关系复杂,空间关系上1号线左右线在最下层,4号线延伸线在最上层,1号线出段线在第二层,4号线出入段线在第三层。并且,这7条线在多处立交。

3 地质工程概况

3.1 土层概况

土层从上至下均为软土层,其中⑥1层、⑥2层为淤泥质粉质黏土夹粉土,灰色流塑。高灵敏度,局部夹云母、贝壳碎屑,含薄层粉土粉砂。⑥3层为稍密～中密砂质粉土；⑦1层为软可塑的黏土。⑦2层黏土夹粉质黏土：青灰～灰黄色,硬可塑,含铁锰质氧化斑点。无摇振反应,切面较光滑,干强度高,韧性高,局部粉性较强。⑧1层黏土夹淤泥质粉质黏土：灰～深灰色,流塑～软塑。鳞片状,含少量云母碎屑、腐殖质。⑧2层粉质黏土：灰～灰褐色,软塑～软可塑。含少量云母碎屑,腐殖质,有光泽。

盾构区间穿过⑥1、⑥2、⑦1、⑦2、⑧1土层,坐落在⑦2层黏土夹粉质黏土和⑧1层黏土夹淤泥质粉质黏土上。

3.2 地下水

场地内第一承压水层主要分布于④4层砂质粉土层,水量较小,隔水层为上部的④3层淤泥质土层。建华站勘察时实测④4层第一承压水头埋深在地表下3.80 m。第二承压含水层主要分布于深部的1粉砂、4层圆砾中,水量较丰富,隔水层为上部的淤泥质土和黏性土层(⑥、⑦、⑧、⑩层)。而目前没有找到勘探设备可以分别探明溶于水及游离的有害气体浓度。

3.3 有害气体赋存情况

有害气体生气层为⑥2淤泥质粉质黏土层,而主要储气层为⑥1淤泥质粉质黏土夹粉土和④4砂质粉土层,次要储气层为⑥2淤泥质粉质黏土及④3淤泥质粉质黏土层。

区间整个范围内分布着有害气体,有害气体成分主要为瓦斯。有害气体的压力分布沿地铁结构线不均。有害气体压力相对较大的区段主要分布在沪杭甬高速公路两侧,尤其在1号线隧道与沪杭甬高速公路交汇的西南侧,里程范围为K23+240.0～K23+440.0(相应勘探孔号为Qt9～Qt18),该段长度为200.0 m。

整个区间的含气层厚度分布也不均匀。本区间含气层顶板的平均埋深约20.5 m,Qt22号孔含气层顶板埋深最浅,在地面以下19 m；Qt16、Qt25和Qt26号孔含气层顶板埋深最深,在地面以下22 m。区间含气层底板的平均埋深约28.5 m,Qt16和Qt17号孔含气层底板埋深最浅,在地面以下27 m；Qt14和Qt15号孔含气层底板埋深最深,在地面以下30 m。

区间里程K22+920.0～K24+020 0.0的结构线位置恰好位于含气层之中,K23+352.0和K23+865.0的联络通道也处于含气层位置,且第一座联络通道恰好位于有害气体压力较大处。此外，本区间其他里程段有害气体含气层覆盖深度处于隧道结构线底部以下,且距离结构线底部较近。

有一片区域的有害气体压力相对较大,中心气压位于：里程K23+285.0(相应Qt10勘探孔,详见图1有害气体平面云图),实测中心峰值压力为0.20 MPa,理论峰值压力0.40 MPa。该理论峰值压力为有一定安全系数并经过修正的值,并不是实测值。

图1 有害气体分布平面云图

中心最大压力处的有害气体流量为13.89 m3/h。

以Qt10和Qt6为例：有害气体排出过程中,Qt10号孔在观察时间内气体压力变化缓慢,压力有所下降但不明显,基本成线性变化关系。Qt6号孔在观察6 h后开始衰竭,整个排放过程中气体压力随时间呈两次线性变化关系。Qt6随时间衰竭的前半程,压力值降低较少,压降斜率小,压降速率缓慢,降低的压力值约占压力峰值的30%；而后半程压降速率明显加快,压降斜率增大,降低的压力值约占压力峰值的70%。

以Qt10和Qt6为例：在有害气体排出过程中,Qt10号勘探孔在观察时间内气体流量随时间变化较小,流量值基本稳定。而Qt6号勘探孔气体流量随时间的变化比较离散,随着时间的增长流量总体为降低趋势,呈近似线性变化关系,局部存在波动变化。

4 区间结构设计概况

杭州地铁1号线的管片统一采用软土地区普遍采用的环宽1 200 mm、外径6 200 mm标准环管片,环向分6块,即3块标准块(中心角67.5°),2块邻接块(中心角68.75°),一块封顶块(中心角20°)。管片之间采用弯螺栓连接,环向每接缝有2个螺栓,纵向共设16个螺栓(封顶块1个,其他每块3个)。管片厚度为350 mm。由直线环管片、左右楔形管片外,还有进出洞管片、变形缝后管片、联络通道处钢与钢筋混凝土结合管片等特殊衬砌环。管片环与环之间采用错缝拼装。

联络通道及水泵房采用矿山法施工,复合式衬砌结构,初期支护与二次衬砌之间设置防水层,联络通道及水泵房的设计参数如下：初期支护为格栅拱+钢筋网+喷射混凝土(厚度300 mm),二次衬砌为C30模筑防水混凝土(厚度450 mm)。联络通道施工均采用冷冻法施工。

本区间的衬砌选型如果参照《铁路瓦斯隧道技术规范》应采用复合衬砌,如前所述,考虑到地铁隧道与铁路隧道的一些区别,同时主要也是考虑到地铁限界的问题,目前仍保留采用盾构管片单层衬砌。

5 相关隧道有害气体的事故调查

工程实施过程中发现有害气体后,针对相关有害气体的工程进行了调研,其中可供参考的国内外隧道工程有：家竹菁高瓦斯隧道施工(有煤层)、正阳瓦斯隧道(有煤层)、新苏家寨隧道(有煤层)、圆梁山隧道(有煤层)、侯月线云台山隧道(有煤层)、日本东京都水道局输水管道盾构工程(无煤层)。对于有煤层地区的瓦斯隧道施工往往引起重视,而对于无煤层地区的施工往往容易对瓦斯忽略。比较典型的与本工程地层、结构形式均接近的工程实例为日本东京都水道局输水管道盾构工程。

该隧道采用双层衬砌。其外径3 050 mm,初衬采用175 mm厚盾构管片拼装衬砌,内衬是350 mm厚现浇钢筋混凝土衬砌。1993年2月1日晚,施工到东京江东区越中岛三段地区发生了瓦斯爆炸事故。该隧道穿越事故后的调查结果认为,在事故现场附近前后约200 m范围内地层构造有着微妙的变化,在盾构下面“埋设台地砾层”的上端在缓缓地向盾构位置接近。而且地层中有承压游离可燃性瓦斯和水溶性可燃瓦斯的存在,它们的浓度分别为78 Vol%和25～70 Vol%。

工程之前的地质勘察以100 m间距,瓦斯勘察以200 m间距进行,是一般性的调查,所以不能发现局部砂砾层的逐渐向上走的趋势和瓦斯的存在。作出了可燃性瓦斯溢出的可能性很小的判断。

事故发生的另一个主要原因是，送到盾构内的空气没有对瓦斯起到充分扩散与稀释的作用。盾尾密封部位在构造上密封性较差,瓦斯从该部位涌进。

该事故也表明：滞水砂层、砂砾层圆弧形向上处和倾斜层顶部易于积存承压游离瓦斯,要引起注意。

6 区间控制节点施工情况

在区间右线里程K23+350处,隧道下穿沪杭甬高速。该处隧道顶覆土约24 m。对该高速公路影响较小。施工中注意控制土压,盾构掘进速度,与地表控制的隆陷值、进出土量、正面土压平衡调整值及同步注浆等相协调。土层损失率控制在2‰。设计要求控制高速公路处地面变形(-10～+3 mm)。实际施工中,左线隧道采用面板式盾构,变形控制较好,约-3 mm,而右线隧道采用辐条式盾构施工,变形相对较大,约-7 mm,但均在控制范围内。并且沪杭甬高速附近存在较大压力有害气体,有害气体赋存状态呈鸡窝状,施工前虽经放气,但放气效果不明显。放气时只有两处有1 m多高火焰喷发,喷发时间较短,约1 d后即停止。在隧道施工中螺旋出土口有沼气喷涌而出,报警器显示局部浓度瞬间达到1%,但由于施工中通风措施得当,有害气体很快消失。目前2条隧道均已安全顺利推通。

7 有害气体处理措施和对策

考虑到有害气体对工程带来的巨大风险,地铁公司成立了专门的课题对有害气体进行了研究。但当时采用普通的地质勘察手段无法探测到有害气体的存在,后在滨康站发现了有害气体喷发,因此针对全线有可能存在的有害气体场地进行了补充勘察。补勘后开展的课题研究进度与工程进度也存在一定的脱节,无法为工程提供直接可参考成果。但后来为了配合工程进度,对国内外工程进行了调研,并根据有关规范制定了一系列措施。从目前情况看,尤其是施工措施,基本能保证隧道施工安全,而永久措施尚待实践进一步检验。

7.1 施工措施

经过综合研究调查,最终确定采用的区间施工期间的安全措施如下。

(1)委托专门机构对某区段(区间隧道底板与含气层顶板距离小于5 m)处需采用有控放气,放气到沼气压力小于0.05 MPa。待沼气自由排放结束后,安装负压抽排设备,对沼气抽放孔进行负压抽排,以提高沼气的抽排效果。沼气负压抽排施工结束后,观察周围压力监测孔的压力变化情况,获得沼气聚集的基本参数。为了检验盾构施工范围内的有害气体是否排放干净,在盾构推进到达前一个月再次实施勘探查气。勘探孔布置在地铁结构线两侧3 m处，各布置5个查气孔,孔间距50 m。若探明有害气体压力仍≥0.05 MPa,则继续加密勘探探孔放气；若有害气体压力小于0.05 MPa,方可进行盾构施工。

(2)放气期间地面沉降监测：在里程K23+240.0～K23+440.0,地铁结构线的中线处,每隔20 m左右设立1个深层沉降监测点,每隔40 m左右设1个监测断面(深层分层沉降监测点)。监测气体释放过程中土体变化情况,监测自放气施工开始之日起至放气施工结束后1个月完毕,施工期间监测频率为1次/d,施工结束后1个月的频率为1次/2 d。放气后对土层采取注浆等措施确保周边构筑物安全、确保土层流失后不存在空洞,不影响盾构施工。

(3)放气完毕后的2个月后,盾构从土层中穿过。

(4)除地勘部门提出的施工安全规则外,配备了人工检测点或自动检测探头,两探头位于隧道断面中部拱顶下25 cm处。自动检测时,检测系统应能抗强电磁干扰,探头的安装结构应便于定时检查维修。

(5)加强通风。必须采取机械通风。通风设备必须防止其漏风,并配备备用的通风机,一旦工作中的通风机发生故障时,备用机械能立即供风，保证工作面空气内的瓦斯浓度在允许限度内。当通风机发生故障或停止时,洞内工作人员应立即撤离到新鲜空气地区,直至通风恢复正常,才允许进入工作面继续工作。洞内空气中允许的瓦斯浓度应控制在下述规定值(同时以安全规程及相关规范规定为准)内：

①洞内总回风风流中的瓦斯浓度小于0.75%；

②从其他工作面进来的风流中的瓦斯浓度小于0.5%；

③掘进工作面的瓦斯浓度在2%以下；

如瓦斯浓度超过上述规定,工作人员必须立即撤到符合规定的地段,并切断电源。

开挖工作面风流中和电动机附近20 m以内风流中瓦斯浓度达到1.5%时,必须停工、停机,撤出人员,切断电源,进行处理。

开挖工作面内,局部积聚的瓦斯浓度达到2%时,附近20 m内必须停止工作,切断电源,进行处理。

因瓦斯浓度超过规定切断电源的电器设备,必须在瓦斯浓度降低到1%以下时,方可重新开动机器。

(6)由于停电或检修,通风机停止运转时,必须有恢复通风、排除瓦斯和送电的安全措施。恢复正常通风后,所有受到停风影响的地段,必须经过检测人员检测,确认无危险后方可恢复工作。所有安装电动机和开关地点的20 m范围内,必须检查瓦斯浓度,符合规定后才可启动机器。局部通风机停止运转,在恢复通风前,亦必须检查瓦斯浓度,符合规定方可开动局部风机,恢复正常通风。

(7)加强盾尾油脂检查,注意确保盾尾密封。加强螺旋输送机排土口处沼气的监测。

(8)对隧道施工人员进行有关有害气体的安全培训教育,并制定防坍塌、涌水、瓦斯等抢险应急预案,配备必要的抢险机械、物资,明确组织和人员分工,出现问题迅速采取措施,减少影响和损失。

7.2 永久措施

由于隧道运营期间课题研究成果尚未提出,而区间隧道按照工期已经推进。区间设计方建议对于有害气体处理应根据课题研究成果进行。在课题报告出来可供工程应用实践之前,当时也只能参考《铁路瓦斯隧道技术规范》对该区间隧道提出了如下处理方案。

(1)重新核算盾构管片的受力及抗浮。对各种管片适用的埋深进行了调整。

(2)施工前对管片进行气密性试验。联络通道及泵站和管片透气系数均不应大于10-11m/s。如不能满足该要求需采取其他措施。区间的管片接缝均应进行气密处理,其封闭瓦斯性能不应小于管片衬砌本体。需进行接头气密性试验。为保证接缝处管片的密闭性,该处管片拼装及纠偏尽量减少采用软膜衬垫,直接采用楔形管片进行动态调整。而实际实施中由于接头气密性试验条件不具备,未进行试验；纠偏过程中也难免用到衬垫；管片还有不同程度的裂缝,这些都导致对后期有害气体的渗漏无法准确估计。当时召开的地铁公司专家会议结论是接头气密性只要能防水即能防气。而施工发现的有害气体压力没有勘察提供的值大。

(3)联络通道泵站混凝土需掺加气密剂,气密剂掺量1%。并根据气密剂不同通过试验配比调整掺量及水灰比。

(4)隧道运营期间瓦斯检测断面的位置,应根据施工期间的瓦斯涌出情况确定。施工期间有瓦斯涌出地段,必须设置监测器,其他地段视具体情况确定。人工检测点或自动检测探头应位于隧道断面中部拱顶下25 cm处。自动检测时,检测系统应能抗强电磁干扰,探头的安装结构应便于定时检查维修。

(5)针对施工期间有瓦斯涌出地段,采取措施减小运营杂散电流值,同时加强运营中杂散电流检测工作。

(6)运营期间需采取措施防止静电危害,工作人员一律禁止穿易产生静电的服装,并且所有进入隧道的人员都要进行预防有害气体和消防等安全教育。

(7)对处于较高压力有害气体区域的一座联络通道,提出了两方面的风险：①由于有害气体的存在,增加了打孔喷射风险；②由于有害气体的存在,冷冻土体冻结质量无法保证,冻结土层中有气泡冻结土体强度受到一定影响。因此需对原先的纯粹冷冻法通道施工方案进行相应调整。采用旋喷加固在盾构推进前进行加固同时被动放气。同时要求加固后土体均匀、无硬芯，不影响冻结法施工。土体加固后生气层被破坏，可减少以后有害气体的产生及聚集。

8 存在问题

隧道虽然已经施工完成,但笔者仍感到存在一些问题亟待解决。

(1)根据日本东京都水道局输水管道盾构工程曾发生的瓦斯爆炸事故调查结果,有害气体一般分为两类,一类为承压型游离瓦斯,另一类为溶于水的可燃性瓦斯。地铁隧道瓦斯不同于煤矿瓦斯,其最大特点就是它是“溶于水的瓦斯”。目前盾构隧道的接缝较多,也必然存在有渗漏水处。日本东京都水道局输水管道为有内衬结构的复合衬砌结构,而目前杭州地铁1号线隧道为单衬砌结构。因此必须尽可能减少地下水的渗漏点,必须确保隧道施工质量。

(2)《铁路瓦斯隧道技术规范》中规定：“瓦斯隧道的衬砌结构应有防瓦斯措施。”二级瓦斯隧道需设双层衬砌,衬砌均需掺用气密剂,并且设置瓦斯隔离层。“喷射混凝土中掺用气密剂后,透气系数不应大于10-10cm/s,模筑混凝土掺气密剂后,透气系数不应大于10-11m/s。模筑混凝土衬砌施工缝应进行气密处理,其封闭瓦斯性能不应小于衬砌本体。”在现行单层衬砌盾构隧道中,无法设置瓦斯隔离层,接头允许有一定的张开量,也很难保证每一道接缝都气密处理得不小于衬砌体。

(3)《铁路瓦斯隧道技术规范》中规定：“隧道运营期间瓦斯检测断面的位置,应根据施工期间的瓦斯涌出情况确定。施工期间有瓦斯涌出地段,每50～100 m设置一处,其他地段视具体情况确定。人工检测点或自动检测探头应位于隧道断面中部拱顶下25 cm处。自动检测时,检测系统应能抗强电磁干扰,探头的安装结构应便于定时检查维修。”而盾构隧道接缝多,每1.2 m就有1条接缝,接缝过于分散,目前监控测点的布置位置,是否能按规范取值值得探讨，毕竟不可能在每道缝处都设置探头。

(4)《铁路瓦斯隧道技术规范》中规定：“瓦斯工区根据其含瓦斯的情况,可划分为非瓦斯地段和三级、二级与一级3种含瓦斯地段,并分别采用不同的衬砌结构。一、二级瓦斯地段应采用复合式衬砌。其初期支护和二次衬砌应根据埋置的深度、围岩级别、工程地质和水文地质条件、瓦斯严重程度按全封闭原则进行设计。”根据详勘提供的瓦斯压力数据看,属于二级瓦斯地段,因此根据该规范,应采用复合式衬砌。而软土地区区间采用盾构施工是比较经济合理的,由于瓦斯的存在,因此是否要考虑在盾构衬砌内再施工内衬，这也涉及到限界问题，盾构机制造、管片钢模等一系列问题,也需要考虑现有的350 mm厚管片是否优化厚度或外径,尽可能降低造价,又同时满足施作二衬及限界要求。因此是否可以考虑修正前的压力,按较低压力考虑,可以按三级瓦斯隧道设计,取消设置瓦斯隔离层,并且只考虑采用模筑混凝土的结构形式。为此，专门召开了专家会议,专家认为管片接缝能防水即可满足有害气体不渗漏的要求,而管片为预制混凝土管片,预制质量比现场质量更好,气密性更高。从目前推通的隧道来看,尚无有害气体聚存的现象,但时间尚短,尚待实践进一步检验。

(5)尚需研究地铁施工及运营期间杂散电流、接触网电火花、静电与瓦斯的关系。最直接的影响是这些因素有可能会引燃瓦斯,引起瓦斯爆炸事故,须引起足够重视。

(6)虽然如上述,隧道运营期间瓦斯检测断面的位置,应根据施工期间的瓦斯涌出情况确定。施工期间有瓦斯涌出地段,必须设置监测器,其他地段视具体情况确定。这是由于隧道推通以后,有可能将整条隧道范围外的土体都连通,因此有害气体会随隧道外壁连通,并在一定压力下突破隧道薄弱部位进入。而这个相对薄弱部位有可能是已经有渗漏水处,又有可能是其他部位。全隧道布置监测器造价较高,因此,监测器布置位置尚需研究。

(7)也探索过参考铁路矿山法隧道的做法,在管片接缝处采用背气面处理,在背气面喷涂防气涂层,该涂层在嵌缝完成后实施。防气涂层具体做法是：采用丙烯酸酯1道、丙烯酸酯砂浆2道进行涂刷处理。处理范围为隧道接缝两侧各100 mm,每道接缝周圈处；每个注浆孔周圈100 mm范围。丙烯酸酯砂浆配比：P/C=10%,W/C=0.33；灰/砂=1/2；每道厚8 mm。防气涂层与管片接缝防水共同作用,设置双道防线确隧道内空气质量安全。但该处理措施后来根据有害气体研究课题中间报告结论进行了调整及取消。该报告中提出了管片接缝不需要着重处理的观点。同时设计方也考虑到运营期间砂浆有可能会因为隧道纵向变形,嵌缝处砂浆被折断脱落,掉落到高速运营的列车上,有可能成为运营期间的一大隐患而取消了该项措施。因此铁路隧道防气的成功措施有时不能照搬照抄到地铁盾构隧道工程中。这些问题已经提交到课题组,正在进一步解决中。

9 结论和建议

杭州地区某些地层有害气体存在较普遍,并且赋存形式为鸡窝状分布,盾构区间施工存在较大风险,但是施工风险是可控的,其中有效的措施主要有：施工前放气,但由于有害气体的赋存形式为鸡窝状非连通状态,放气不可能完全放完,因此盾构施工时加强通风、做好有害气体监控工作、加强安全宣传、加强工人安全意识、始终保持高度警惕显得尤为重要。

有害气体的回聚数量及快慢等确切数据目前尚无法掌握,因此有害气体对于盾构隧道长期运营的影响尚需进一步研究。目前主要的措施为加强运营期间的通风,靠活塞风及与隧道通风联动的监测系统加强监测以规避风险。

盾构区间隧道运营期间的有害气体处理相对于施工期间的处理似乎更待妥善解决。

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