盾构穿越运营地铁中遇不良地质沼气层时的治理和防范措施

杨成龙

上海市基础工程集团有限公司 上海 200002

随着各大城市轨道交通的蓬勃发展，在盾构施工过程中遇到的不良地层也越来越多样。浅层沼气是地下空间开发所可能遇到的地质灾害之一[1]。浅层沼气的释放，可能会导致土层失稳，造成无可挽回的重大损失。此外，沼气产生后会分散在空气当中，当达到一定的浓度之后遇到明火时就会发生爆炸，对人身安全以及工程安全产生不利影响。如何安全有效地减小浅层沼气带来的重大危害，是当前轨道交通工程以及其他地下工程发展过程中必然要面对的难点之一。

1 工程概况

上海市轨道交通15号线工程土建14标段古北路站—天山路站区间隧道顶部埋深20.1～27.7 m。在天山路古北路附近距进洞约24 m处，上、下行线隧道将先后穿越运营地铁隧道下方后进洞，穿越长度约20.3 m，穿越处在建隧道与运营地铁隧道呈61°斜交，两隧道间垂直距离最小仅为1.9 m（图1），给区间盾构推进施工和运营地铁隧道结构安全造成极大影响。

图1 在建隧道穿越运营地铁隧道剖面

古北路站—天山路站区间隧道主要穿越的土层为：⑤1-1层灰色黏土、⑤1-2层灰色粉质黏土、⑤2层灰色黏质粉土、粉质黏土互层。

2 沼气泄漏及产生的危害

2.1 沼气泄漏情况

古北路站—天山路站上、下行线盾构区间采用冻结法加固接收。南井下行线4点至8点方向的冻结孔在焊接过程中，发生明火燃烧现象，可以持续10～120 s不等。在后续钻孔过程中，多次发生喷气现象。另外，在天山路车站基坑开挖过程中也有气泡冒出。使用气体检测仪对气体进行检测，确认气体主要为沼气（主要成分为甲烷）。通过查看地质勘察报告和设计图纸相关信息，结合冻结钻孔过程工况分析，初步判断沼气主要来自⑤1-2层粉质黏土及下卧的部分⑤2层土。

2.2 运营地铁隧道沉降情况

布置在运营地铁隧道内的电子水平尺前期数据显示，沼气泄漏后运营地铁隧道发生较大的沉降。为此，项目部立即停止冻结钻孔施工，并对9月1日—9月10日的监测数据进行系统梳理与分析。分析电子水平尺历时曲线后得知，沉降值于9月2日—9月6日开始发生突变（1.0 cm左右），于9月8日—9月9日发生明显突变（1.6 cm），表明浅层沼气泄漏对地层沉降以及地铁隧道结构安全影响严重。

3 主要处理措施

3.1 地质雷达探测

为更好地了解运营地铁隧道沉降情况，以及周边土层的流失状况，项目部对与工程相关的区域进行了地质雷达探测，同时到运营地铁隧道内部对管片底部也进行探测。探测结果显示，局部地表浅部1～3 m、4～10 m有土层松动、滑移现象（图2）。

图2 地质雷达探测结果

3.2 打设放气孔与注浆孔

根据监测数据，在拟建隧道下行线及西南侧方向地面发生约5 cm的沉降，为缓和沉降曲线的半径以及确保穿越施工安全，减少对运营地铁隧道的整体危害，在靠近运营地铁隧道及进洞区范围的地面上开32个垂直孔，孔深33 m。垂直孔分成16组，1个放气，1个同步注浆，填充气体流失的空隙[2]，如图3中紫色和黄色点位所示。

注浆孔和放气孔开孔直径均为127 mm，深度33 m，新建隧道埋深为28 m。注浆管和放气管采用DN40 mm（1.5英寸）、50 cm一节、PVC材质的花管，在注浆孔位置设置单向阀（图4）。在放气管顶部设置简单的计量工具，以确定注浆量（1.5～2.0倍气体体积）。

图3 放气孔和注浆孔开孔位置

图4 地面开孔与压浆

3.3 运营地铁隧道内部应急注浆施工

应急注浆范围为运营地铁隧道上行S914—S943，下行X832—X890，总计89环。采取一跳一开孔[3]，预开孔45环，每环2孔，总计90孔。

注浆施工流程：安装防喷装置→钻穿管壁→插入注浆芯管，打设注浆管→连接注浆管路→注浆、拔管→拔除注浆管→重复注浆→封孔（图5）。

图5 隧道内部应急注浆示意

采用水泥-水玻璃双液浆，单次注浆高度20 cm，单次注浆量80～120 L。当注浆量达到每次注浆的要求或者单次注浆抬升超过报警值（3 mm）时终止注浆。

3.4 运营地铁隧道监测

为保证地铁安全运营，在运营地铁隧道内部应急注浆施工和盾构穿越施工期间，在运营地铁隧道影响区段内布设自动化监测系统，将监测数据及时传输到监控室，通过运营地铁隧道内实时、精确的监测数据指导注浆施工和盾构穿越施工。

3.5 人员保护措施

在盾构机内安装气体检测仪器（与推进系统联动），同时安全员每班施工前佩戴防毒面具（附带氧气瓶）并使用便携式气体检测仪器对隧道内进行气体检测，尤其是盾构头部拼装区域和螺旋机出泥口，增强对可燃气体的检测。当盾构气体检测仪器报警时，触发气体稀释装置，释放高分子稳定综合剂，稀释有毒有害气体。隧道内施工人员每人佩戴防毒面具，穿着防静电工作服。每班推进之前，由佩戴有氧气钢瓶面罩的工作人员使用手持式气体分析仪器测试。开启正反送轴流风机，加强隧道内的通风[4]。

为进一步保证施工安全，盾构照明设备更换为防爆灯，盾构油箱涂刷反射隔热涂料，油路阀门更换为防火阀，同时更换油阀密封圈。隧道内电缆更换为阻燃电缆，每日派工人对隧道内的易燃物品进行清理。

4 处理后效果

运营地铁隧道发生沉降后，根据自动化监测数据及时进行运营地铁隧道内部应急注浆，以控制其沉降发展。自9月10日—9月15日，共进行4次注浆施工，累计注浆量18.45 m³，单孔每次注浆量80～120 L，采取少量多次的注浆方式，在加固土体的同时，尽量减少注浆对土体的扰动。

运营地铁隧道内部应急注浆6 d后，运营地铁隧道下行线沉降基本稳定，最大沉降变化量为－0.30 mm。至9月16日19：30，累计最大沉降－0.50 mm，累计最大隆起1.37 mm（为准确控制应急注浆量，注浆前对电子水平尺监测数据进行归零）。

5 结语

浅层沼气泄漏作为一种工程地质灾害，对新建工程乃至已有建（构）筑物的质量与安全都存在着重大威胁。由于地下空间的不断开发，施工过程中遇浅层沼气的情况无法避免。

本工程通过采取地质雷达探测、打设放气/注浆孔、运营地铁隧道内部应急注浆施工、运营地铁隧道监测、施工现场防毒防爆等一系列措施进行综合治理和防范，解决了由于沼气泄漏而导致土层大幅沉降的问题，确保了运营地铁隧道与在建隧道的施工安全，可为今后类似工程的施工提供借鉴。