沼气对盾构隧道的影响及施工控制措施

2013-09-25李越

城市轨道交通研究 2013年2期

李越

（上海轨道交通12号线发展有限公司，200070，上海∥经济师）

目前，我国许多城市已在大规模地开发利用地下空间，如修建地铁、地下商城、地下车库等，取得了许多成功的经验。然而，在开发利用地下空间过程中也遇到了许多棘手的问题，部分沿海沿江城市（如上海、杭州、广州、武汉等）在地下工程建设中遇到的浅层沼气地质灾害问题就是其中之一。地下沼气囊体的存在必将对地下空间的开发带来制约：①已建地下建筑物下如果存在沼气囊体，一旦沼气释放，必将给地下建筑物带来毁灭性的破坏；②沼气对正在建设中构筑物的施工质量影响极大，并可能会引起燃烧和爆炸，对施工人员的人身安全带来极大的威胁；③气体在软土中的渗透速度是水的70倍，已建的地下建筑如果有微裂缝，沼气将会沿此缝隙进入地下空间，威胁施工人员的生命安全。

唐益群等［1］结合野外实际勘察资料，提出了浅层沼气的赋存具有分带性的观点。具体描述了各带中土的结构特征，同时就沼气对各带土的工程性质及其对地下工程的影响作了简要的分析；含有沼气的土层的工程性质也会有所改变。

唐益群等［2］根据实验数据获知：土体强度随着气体压力的升高而升高，到达某一气压时，强度值达到峰值，然后土体强度随气压升高而下降。

王勇等［3－4］，孔令伟等［5］通过室内实验对杭州地铁经过地区的储气砂土抗剪强度特性、渗气性及应力路径作了规律性的研究。

唐益群等［7］分析了沼气对隧道施工的危害并总结出了沼气的处理措施和安全施工控制决策。

马笑遇［8］分析了沼气对越江隧道施工的影响并提出一种隧道中沼气的监控措施。

高武［9］分别从沼气对盾构刀盘、出土、注浆、隧道结构的影响作出分析，并提出了在不同施工阶段的应对措施。

代仁平等［10］利用事故树分析法对其盾构隧道的开挖过程中沼气爆炸风险进行了分析，寻找沼气爆炸的关键控制点，并结合实际情况提出控制措施。

本文在广泛调研国内外沼气对隧道工程施工危害研究方向的基础上，通过对含有沼气土层工程性质与沼气对隧道施工影响模式的分析，总结出在含有沼气地区施工隧道应注意的问题和相关施工控制、环境保护措施。

1 含有沼气土层的工程性质

沼气是有机物在无氧（厌氧）的条件下，经微生物分解所产生的一种可燃性混合气体，其主要成份是甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）。根据文献［7］中的资料：位于长江和黄浦江交汇处的入海口9.1标段，取样分析地层中沼气的主要成分是甲烷（CH4），约占87.00%～98.70%；其次为二氧化碳和氮气，约1.43%～12.97%；其它为各种烷类缺失（见表1）。

表1 沼气成分体积分数表［7］

1.1 沼气的产生

上海地区为新生代的沉积平原，以海相为主的第四纪地层和以陆相为主的新第三纪地层，呈假整合接触。在第四纪的几次海进、海退中，交替沉积了数套富含有机质的淤泥层和砂层，形成了“粘性土层—砂性土层—粘性土层”的典型地层结构。粘性土层（含有机质）是生气层，它具有双重性质，即生气又具封闭能力。因为粘性土层中往往含有大量有机质，在地下还原环境下，有机质经过微生物的降解作用产生沼气，其主要成分是甲烷、氮和二氧化碳。这些沼气一部分被封闭在粘性土层中，一部分在土层固结过程中溢出到相邻的砂性土层中储存起来。砂性土层是沼气的主要储集层，其中的沼气大部分来自临近的粘性土层，极少部分由砂性土层自身所含的有机质分解生成。由于沼气的密度比较小，当砂性土层比较均匀时，沼气会首先在砂性土层的顶板附近富集。但是如果砂性土层的不同部位因受沉积环境的影响而粒度成分不同，沼气更易于在砂性土层颗粒较粗、分选性较好的部分富集，这是因为该部分孔隙的体积相对较大，粘粒含量少，孔隙连通性也较好，气体流动顺畅［1］。这也是野外钻探时，部分钻孔在刚刚揭穿含气砂性土顶板时并不喷气，而继续下钻一定深度后才喷气的原因。

另外，学习东部发达省份的经验，在有条件的情况下，由当地政府出资购买服务，号召更多的非政府组织参与社区矫正工作。

1.2 储气砂土的强度

储气砂土虽作为一种特殊非饱和土，但仍可以用非饱和土力学试验方法和理论为基础来认识它的工程性状。非饱和土强度理论与饱和土一样以Mohr－Coulumb准则为基础，强度公式可以统一表述为：

式中：

cT——总凝聚力，对于饱和土，cT等于饱和土的有效黏聚力c′；对于非饱和土，c＝c′＋τus，其中τus为基质吸力引起的抗剪强度；

ua——孔隙气压力，饱和土时孔隙气压力ua等于孔隙水压力uw；

φ′——饱和土的有效内摩擦角。

文献［2］中指出即土体强度随着气压的升高而升高，在某一气压时达到峰值，然后土体强度开始下降；储气砂抗剪强度均随基质吸力的增大而增大，在吸力小于残余含水率对应基质吸力20 kPa时，抗剪强度随基质吸力增加幅度较快，随后趋于缓和，基质吸力对储气砂抗剪强度的贡献越来越不显著。

2 沼气对盾构隧道的影响模式

由于沼气在土层中所处的位置和储存形式的不同，其对盾构隧道的影响模式也会不同，为了能够更明确具体地把问题分析清楚，从施工和运营两个阶段来分析。

2.1 施工阶段

① 对现场施工人员造成呼吸困难甚至中毒；

② 沼气达到一定浓度时，可能会发生爆炸，造成人员机械的伤坏，甚至对在建的隧道造成损伤；

③ 沼气的释放会造成土体扰动、结构破坏，使隧道发生变形（见表2）。

2.2 运营阶段［6］

对于地铁隧道，深厚储气层中有害气体的缓慢溢出会不同程度地造成地基的不均匀沉降，影响列车快速运行安全；如果隧道内溢出的有害气体不及时排出，电器、车轮与轨道碰撞摩擦等产生的火花也将对地铁列车的安全构成极大的威胁。对有害气体的缓慢溢出，监测较困难。如果溢出到地下建筑中的有害气体得不到及时的处理，在地铁站内，因人员密度较大，很容易造成人员中毒。如果有害气体浓度较大，遇到明火，很容易形成火灾，甚至发生爆炸，后果将十分严重。对缓慢溢出后聚集在地下建筑与周围土层结合处的有害气体，当压力或储量达到一定量后，有害气体从地下建筑的防渗薄弱环节突然涌入也会造成突发性事故。气体在运营期的缓慢溢出也会不同程度地造成地基的不均匀沉降，影响地铁运行速度和安全。

表2 施工阶段沼气对盾构施工的影响

3 含有沼气土层盾构隧道施工控制措施

为减小沼气对于盾构施工的影响，可以从以下几个方面采取适当的措施：施工前对沼气进行释放；施工中对沼气进行监控，并且按照一定标准进行通风；采取一定措施，增加隧道结构的密封性；对电器设备进行防爆改造。

3.1 施工前的沼气释放

在勘察阶段，必须得探明地下沼气的组成成分、分布区域、储存形式和物理化学性质。选线时，可以有选择地避开相关地区；如果不能避免，列出在该地区施工隧道时潜在风险和可能出现的影响，在设计、施工之前就对某些节点做好防范措施。

另一方面，在盾构推进的方向沿着轴线在两侧布置钻孔抽气，尽可能在隧道施工前将盾构推进轴线方向的沼气囊中的沼气全部放掉。在盾构机的内部，也可以在盾构刀盘之前设置超前探管，在盾构到达之前将地层中遗留的沼气通过超前探管引入管路直接排放到地面。防止沼气进入隧道，在施工之前对土层中沼气的排放可以减少在施工和运营中隧道中沼气的含量，进而减少沼气中毒、火灾、爆炸等危害的发生。

3.2 隧道中沼气的监控与预测

沼气爆炸的3个条件是：沼气浓度、火源、足够的氧气，三者缺一不可。当在含有沼气的地区修建盾构隧道、地下通道和基坑等地下工程时，沼气爆炸而引发的特大型事故在很大程度上是由以下原因造成：①对于沼气信息的漏测和漏检，以至于不能够全面掌握隧道内的沼气含量状况；②现场人员对施工过程中的沼气监测数据所显现的大量无序信息分析不清，因而采取的防治措施针对性不强或者是严重滞后；③其他原因——如安全管理不善，通风故障等，还有灾害的发生频率和破坏力度。在目前对沼气地区地下工程灾害的认识基础上，通过参考借鉴瓦斯隧道中的监测监控手段和方法，来建立覆盖全隧道危险部位的沼气实时监测网络，系统掌握隧道内的沼气含量信息；在可能发生灾害突变之前实施有效的预测、预警，并采取相应的防治措施，完全有可能减少甚至杜绝灾害的发生。

目前在国内的沼气隧道中沼气的检测或者是瓦斯隧道中瓦斯的检测主要是采用人工检测和远程自动监控相结合的方法。人工检测主要是采用便携式瓦斯检测仪和光感式瓦斯检测仪对作业区瓦斯易聚集处、隅角、回风流中瓦斯浓度进行检测，确保施工安全。每工作班安排2名瓦检员以30min的频率12h连续平行检测，及时上报并做好存档记录。监测的位置主要是：盾构机主体的人闸、盾尾、桥架、台车顶部以及成型隧道顶部。远程自动监控主要是采用重庆煤科院生产的KJ90安全监控系统，该系统由监控中心站、分站、输入、输出设备构成。监控中心站与分站之间通信，接收分站内的信息，可以对分站发出指令。对接收的信息进行处理、显示、报警。通过外围设备可以将信息进行打印、上传、发送等。分站接收由输入设备采集到的信号，通过逻辑变换，输出控制信号，通过断电器对控制对象进行通、断电控制［11］。

3.3 加强通风

施工将会对富含沼气的土层扰动，沼气从扰动土层中的孔隙流动到隧道本体的周边。由于隧道的密封不完全，沼气就会从隧道管片的缝隙、盾构的出土口渗漏到隧道里面。隧道中沼气浓度不断地增加，对里面的施工人员造成极大的威胁。通过对隧道一定量的通风，用新鲜的空气将隧道里面的沼气置换出来，将甲烷气体稀释至安全浓度并排出隧道。换气应考虑气体稀释所需的必要换气量和由于阻止隧道内气体停滞分层的最小风速，以及隧道内作业人员呼吸需用量。这样就可以降低隧道中沼气的浓度，降低其对里面施工人员的威胁。通风问题可以借鉴现行的《铁路瓦斯隧道技术》相关规定。

3.4 盾构法施工隧道的密封措施

管片的接缝、盾尾以及出土口是沼气进入盾构隧道内部的主要途径。为了不让沼气进入隧道内部，除了保证管片的自身质量外，更多的是提高管片的拼装质量。另外还应做好管片选型，避免盾尾将管片和止水条损坏，造成地层中的瓦斯从破损处泄入隧道。应配备熟练的管片拼装手，严格控制管片拼装错缝、错台，避免管片碎裂现象的发生，确保管片拼装质量，从而可有效地防止瓦斯从盾尾和管片接缝处泄入隧道。

做好盾尾密封和提高隧道接缝的密封性，特别是隧道进入粉砂层后在衬砌处进行注浆，增加水密气封特性，充填粉砂层中的孔隙，减少残留沼气或沼气囊中的沼气进入隧道的机率。消除由于沼气的释放而引起的不均匀沉降，提高隧道的稳定性。盾构的盾尾密封可有效防止瓦斯从盾尾泄入隧道。如果发生盾尾密封失效，或管片破损，或止水条损坏等情况，将会导致瓦斯由盾构尾部泄入。所以盾尾密封是否正常，对施工进度和安全都有重大影响［12］。

施工过程中，可以采取下列措施，以提高盾尾密封性：

（1）掘进中的姿态控制。严格控制盾构机在掘进过程中的姿态，使盾尾间隙保持均匀，避免单侧盾尾间隙过大而导致的盾尾密封失效，从而避免产生漏水、漏砂，以及瓦斯等进入盾壳内部的情况。

（2）加强盾尾油脂注入。盾构始发前严格控制尾刷内涂抹油脂的量。应使用优质油脂，每道尾刷分三层仔细涂抹饱满。拼装负环时要顺着尾刷方向压推，即垂直压下，平行尾刷往后推，以防破坏尾刷的铁板和毛刷。在推负环时，要压注盾尾油脂保持尾刷腔饱满，防止尾刷磨损。管片选型和拼装时，应科学控制盾尾间隙，防止盾尾间隙不均匀造成局部盾尾间隙过大而产生浆液和有害气体从间隙内漏进盾尾的情况。盾构掘进过程中，必须切实保证盾尾内充满优质油脂并保持较高的压力，以防瓦斯通过盾尾进入隧道。