浅谈盾构穿越低瓦斯复合地层施工关键技术

李宗奇

中电建南方建设投资有限公司 广东 深圳 518025

成都轨道交通18号线工程海福1号风井～海昌路站区间采用2台中铁装备复合式土压平衡盾构机，开挖直径为8630mm。海昌路站～海福1号风井区间在里程DK22+714～DK22+964段（长度约为250m），穿越上部卵石，下部砂岩复合地层，隧道线路坡度为25‰的上坡。

1 工程地质特征

成都轨道交通18号线海福1号风井～海昌路站区间复合地层段隧道范围内上部地层为<3-8-3>密实卵石土，下部地层为<5-2-3>中风化砂岩，其抗剪强度为150kpa，单轴极限抗压强度为3.7Mpa，隧道埋深5～11m。

2 瓦斯概况

2.1 有毒气体

海福1号风井～海昌路站区间隧道穿越苏码头油气田，根据地勘报告，在沿线不同地段均测出有不同程度的瓦斯分布。有害气体主要有浅层天然气(CH4)、一氧化碳(CO)气体。

2.2 瓦斯等级划分

根据《铁路瓦斯隧道技术规范》（TB10120-2002）瓦斯等级判定标准，如当全工区的瓦斯涌出量小于0.5m3/min时，为低瓦斯工区。根据岩土工程勘察报告，海福1号风井～海昌路站盾构区间为低瓦斯隧道[1]。

3 盾构穿越低瓦斯复合地层施工重点、难点分析

3.1 瓦斯防控

瓦斯隧道施工总原则为：控火源，防涌出，重监测，强通风。瓦斯隧道必须贯彻“先测后进，有疑必测，不明不进”的指导方针。必须把“一通二防”(通风、防治瓦斯、防火)作为安全工作的重点，建立和落实“一通二防”管理制度，保证人员、资金和技术设备到位。

3.2 掘进参数控制

砂卵石地层自稳性差，盾构在穿越过程中，对周围土体扰动，可能造成开挖面上方渣土大量流入土仓出现超方；如何实现出渣、掘进速度、土仓压力之间的平衡点是施工难点。

3.3 渣土改良

在复合地层中，采取满仓保压掘进措施进行施工，易造成刀盘土仓内结泥饼，如何合理有效地进行渣土改良是施工难点和重点，渣土改良到位，才能保证盾构施工安全、顺利、快速。

3.4 管线保护

地表道路、管线较多，盾构掘进超方后，会导致地表塌陷和管线下沉、破裂，如何保证管线安全是复合地层施工难点。

4 盾构穿越低瓦斯复合地层施工关键技术研究

4.1 瓦斯防控措施

区间隧道瓦斯监控检测采用以自动监测系统为主，人工检测为辅，两者相结合的形式。盾构机上主要关键位置均设置有甲烷传感器，并将数据传输至地面监控室，实现甲烷浓度实时在线监测；当甲烷浓度达到报警设定值时，系统发出声光报警，螺旋输送机闸门自动关闭，停止盾构掘进。

通风是瓦斯隧道施工的关键，为确保盾构安全掘进，盾构区间隧道施工通风方式选用压入式通风，直接从洞外风机连接到盾构机，同时为防止盾构机上局部瓦斯聚集，在盾构机上局部增设防爆风扇，吹散瓦斯。为确保隧道通风顺畅，每条隧道选用2台风机，采用1用1备的形式往隧道里送风。

4.2 刀具选型及布置

针对复合地层，在达到复合地层前进行开仓换刀，本地层段砂卵石层主要集中在开挖面上部，故选用抗冲击的光面宽刃刀具，中心正面单刃滚刀采用加强型球齿滚刀，刃宽2.5cm，以增加刀具贯入度，保证刀具使用寿命及工作效率。

4.3 渣土改良、防结泥饼措施

（1）改良方式：土仓及刀盘面板注入泡沫、水、膨润土。

①加注泡沫：单环泡沫混合液注入量13～16m³，泡沫剂采用自拌泡沫，在泡沫中添加具有聚合效果的添加剂。泡沫比例：3%～4%，泡沫发泡率：1∶20，泡沫注入率：1∶35。

②加注水：通过对加水系统的改良，掘进过程中，中心部位不间断加入，上部根据渣土的流塑性，间隔开启。每环加水量在15m³左右。

（2）每环在皮带输送机上取渣样，分析渣土改良效果及刀盘结泥情况。

（3）根据刀盘扭矩、推力波动情况进行渣土改良的调整。

（4）渣土改良有一定的滞后性，看到螺旋口的渣土不代表舱内的渣土性状，因此，主司机要重点关注，判断舱内的渣土情况，才能更好地进行改良控制，使渣土达到预期更好的效果。

4.3 掘进参数控制

复合地层前的穿越麓山大道作为试验段，经过穿越麓山段试掘进，优化后穿越复合地层实际的掘进参数控制为：推进速度在20～78mm/min之间，平均每环速度为55.7mm/min， 推力在1600～3700t之间平均推力2574.3t，刀盘扭矩在320～1100t.m，平均值为824.2t.m。

4.4 注浆控制

在同步注浆时，同步注浆速度和推进速度保持同步，注浆作业时，宜将压力控制在2.0～3.5bar。二次注浆采用水泥-水玻璃双液浆，水泥～水玻璃双液浆浆液配合比1∶1，水泥浆水灰比1∶1。管片脱离盾尾后及时对管片进行二次补浆，补浆量为同步注浆量的10%～15%。

4.5 保压措施

采用土压平衡模式掘进。盾构机停机过程中，观察土仓压力显示的变化情况，以寻找最佳的土压平衡点。显示的土压力比停机前增大，则下一环掘进的土压力设置为增大后的压力数值。显示的数值变小，则下一环掘进土压力可适当降低。

4.6 管线保护措施

根据管线图纸与实际勘察情况，管线斜跨隧道上方，为保证穿越过程中，管线安全，根据管线类型及现状分析，分别采取悬吊保护、加固引排等方式对管线进行保护。

5 结束语

成都地铁18号线工程海福1号风井～海昌路站区间复合地层段历时20天，成功快速穿越。实践证明，盾构穿越上部砂卵石下部中风化砂岩地层采取的措施有效，对于同类工程，该方案具有一定的借鉴意义。