地铁高瓦斯隧道的施工方法选择

段军朝 布占江 何凯罡 徐 智

(1.华中科技大学土木与水利工程学院，430064，武汉； 2.中建三局集团有限公司，430064，武汉；3.中建三局基础设施建设投资有限公司，430061，武汉 ∥ 第一作者，高级工程师)

成都轨道交通6号线和18号线穿越油气田区，部分隧道位于高瓦斯区段。这种地层条件在国内地铁领域尚属首次，也给工程技术人员带来严峻挑战。

文献[1-9]针对高瓦斯区间隧道施工中的瓦斯监测、设备防爆改装、爆破开挖、隧道通风、安全防控等方面展开了相关研究，取得了较为丰富的研究成果。但关于高瓦斯隧道不同施工方法的对比研究较少，尤其是缺乏针对泥岩、砂岩等特定地层条件下的相关研究。

本文主要从施工安全、施工工期、施工造价和环境保护等方面入手，以成都轨道交通6号线(以下简为“6号线”)三期工程为依托，探讨城郊高瓦斯地铁隧道的施工方法，对比分析试验段各种开挖方法的优劣，以期为后续泥岩、砂岩及高瓦斯地层隧道施工提供参考。

1 工程概况

6号线三期工程正线全长22 km，位于成都市高新区和天府新区，线路呈由北向南再至西走向，贯穿苏码头构造及其油气田主要发育区，并受到盐井沟构造和龙泉山三大湾气田的影响。专项勘察期间，蒲草塘站—万安站、万安站—麓山大道站、麓山大道站—沈阳路站、沈阳路站—青岛路站、青岛路站—庙儿堰站5个区间共布37个钻孔，间距约120 m；甲烷的质量分数在0～85 000 mg/L范围内，部分达到天然气燃爆极限。同时部分钻孔还检测到少量的CO和H2S气体，结合苏码头油气田构造条件下浅层天然气的形成、储藏、运移和逸出特征，判定此5个区间为高瓦斯区间。

5个高瓦斯区间埋深为7～26 m。地铁隧道结构断面范围内主要为泥岩、砂岩，可细分为强风化泥岩、中风化泥岩、强风化砂岩、中风化砂岩，岩质较软。中风化泥岩天然单轴抗压强度为2.33～6.36 MPa，中风化砂岩饱和单轴抗压强度为7.06～18.49 MPa。岩石节理裂隙较为发育，地勘报告中确定的围岩级别为Ⅴ级围岩。沿线地下水主要是上层滞水、第四系孔隙水和基岩裂隙水，但大部分基岩的含水量较少。

6号线三期工程大部分位于城郊，其中的万安站—麓山大道站、麓山大道站—沈阳路站、沈阳路站—青岛路站、青岛路站—庙儿堰站4个区间周边环境相对简单，大都属于荒地或已经拆迁的农房，仅有蒲草塘站—万安站区间约300 m处于新建道路正下方。另外万安站—麓山大道站区间横向穿越市政道路1条，小里程端西侧有居民小区1个；麓山大道站—沈阳路站区间横向穿越市政道路2条、侧穿中国移动办公楼1座，小里程端西侧有居民小区2个、东侧有居民小区1个。

2 地铁高瓦斯隧道区间的施工方法选择

2.1 设计阶段施工方法选择

地铁区间工程常用的施工方法主要有盾构法、矿山法和明挖法。方法选用需要考虑建设造价、工期计划、结构埋深、地形地貌、工程地质及水文地质、周边环境、渣土外运难易等因素。

盾构法以其自动化程度高、施工速度快、开挖时地面沉降易控制、受地面建筑物影响小、作业环境较好等优点，已成为区间隧道施工的首选方法。但盾构法在高瓦斯隧道的应用属于空白地带，盾构法在低瓦斯隧道中应用的相关文献也十分稀少，已知的安全保障措施主要为：

1) 配备瓦斯监控系统，实现盾构机瓦电闭锁，并辅以人工检测；

2) 加强洞内通风，采用大直径抗静电阻燃风管，延长风管出口，配备局部风扇，实现盾构机风电闭锁；

3) 洞内采用水冷干式变压器、防爆电缆、防爆灯具、防爆电话，配置备用发电机；

4) 采取掘进姿态控制、渣土改良、盾构密封、管片拼装等环节的辅助措施；

5) 进洞门禁、动火审批等管理措施。

由此可见，针对盾构机和电瓶车本身的防爆技术措施不足，不能达到隔爆型或本质安全型电气设备的技术要求，若在高瓦斯隧道采用盾构法施工，安全风险很高。

矿山法是十分成熟的隧道施工方法，地铁区间埋深一般较浅，也被称为浅埋暗挖法。与盾构法相比较，矿山法隧道断面可以灵活多变，线路的曲线半径可以更小。因地铁工程主要位于城镇，对地表沉降控制较为严格，需要强调地层的预支护和预加固，即“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤量测”。对于本工程而言，围岩节理裂隙发育，区间部分断面顶部处于强化岩层，进洞段考虑采用管棚支护，进洞之后考虑采用小导管超前注浆等措施；分部开挖方式可根据断面大小选择，以达到控制变形的要求；另外，矿山法在高瓦斯隧道应用的成功案例已经很多，现有的技术和管理措施相对成熟，基本能够保障高瓦斯隧道施工的安全。因此，矿山法是较为适用的施工方法。

明挖法能够最大程度地降低甚至消除瓦斯给施工带来的安全风险。工作面可以根据需要进行设置，施工速度较快，工程造价相对较低，但也受到周边环境、结构埋深、地下水、土石方开挖难易度及土方外运等因素的影响。基坑支护、降水措施、土石方开挖及回填等工程量随着这些因素的影响会产生很大的变化。

综上所述，应采用矿山法和明挖法相结合的方式进行地铁高瓦斯隧道施工，其优劣对比分析详见表1。结合工程实际情况，兼顾工期、安全、造价、适用性等因素，本项目5个高瓦斯地铁隧道区间实际采用的施工方法如图1所示。

图1 地铁高瓦斯隧道区间的施工方法分布

表1 地铁高瓦斯隧道区间明挖法与矿山法对比表

2.2 施工阶段开挖方法选择

2.2.1 开挖方案初选

矿山法隧道的开挖方法多种多样，从断面开挖顺序上可分为全断面法、台阶法、中隔壁法和双侧壁导坑法。从岩土体破除方式上包括钻孔爆破法(即钻爆法)和机械开挖法。机械开挖常用设备有悬臂掘进机、挖掘机或由其改装而成的“炮机”等机具。

1) 高瓦斯隧道单洞单线开挖断面总面积为39.16 m2，跨度为6.76 m，属于小断面隧道。考虑围岩节理裂隙发育和变形控制要求，选用短台阶法施工，分上台阶以及下台阶和仰拱两步进行开挖和支护，上台阶初期支护增设锁脚锚杆，并将其作为临时支撑控制拱顶沉降和围岩变形。

2) 高瓦斯隧道钻爆开挖技术较为成熟，主要安全技术要求如下：①采用湿式钻孔；②采用煤矿许用炸药，严禁反向装药；③采用电力起爆，并使用煤矿许用电雷管，当使用煤矿许用毫秒延期电雷管时，最后一段的延期时间不得大于130 ms；④爆破网络必须采用串联连接方式，瞬发电雷管与毫秒电雷管不得在同一申联网络中使用；⑤采用防爆型起爆器作为起爆电源，一个开挖工作面不得同时使用两台及以上起爆器起爆；⑥严格控制装药前、爆破前和爆破后的洞内瓦斯浓度。对于本工程，线路周边环境较为简单，对爆破振动控制要求不高，少量邻近既有建(构)筑物地段可以改为机械开挖方式，但Ⅴ级围岩条件下超欠挖控制还需要进一步研究论证。

3) 悬臂掘进机早期主要用于煤矿工程，近年来逐渐被应用到公路、铁路及水工等隧道工程，但尚未在地铁高瓦斯隧道工程应用[10-12]。目前，市面上的掘进机主要有防爆和非防爆两种类型，即煤矿掘进机和隧道掘进机，从安全角度出发，煤矿掘进机能够适用于高瓦斯隧道。煤矿掘进机的型号多样，以徐工系列为例，铲板宽度为2.8～3.8 m，机身尺寸在2.200 m×1.470 m至3.000 m×2.195 m(宽度×高度)范围内，定位切割范围为4.00 m×4.84 m至5.70 m×7.10 m(宽度×高度)；最大切割岩石强度为70～130 MPa，经济切割岩石强度为60～100 MPa；供电电压有AC 660 V和AC 1 140 V两种；爬坡能力最大为18°。区间隧道单洞单线断面分部开挖轮廓尺寸最大为6.76 m×3.38 m(宽度×高度)，隧道断面内岩石强度均小于经济切割强度。综上所述，可初步判定悬臂掘进机能够适应本工程的基本条件。

为进一步研究钻爆法和悬臂掘进机开挖法的优劣，选取试验段进行施工对比研究。试验段初期支护中钢架间距为0.9 m，循环进尺按2榀钢架间距，即1.8 m控制。

2.2.2 钻孔爆破开挖

根据工程特点，上、下台阶均采用光面爆破的方式进行浅孔松动爆破。利用延时爆破理论，增强碎岩作用、降低振动效应、减小岩体抛掷及提升断面成型效果，遵循“多打孔、少装药、多分段”原则。采用YT28气腿式凿岩机钻孔，钻孔直径为40 mm；采用水平楔形掏槽方式，掏槽眼和底板眼深度取2.3 m，辅助眼和周边眼深度取2 m；药卷统一采用φ32 mm、长20 cm药卷(三级煤矿许用乳化炸药)；雷管采用煤矿许用毫秒电雷管1～5段，最后一段延期时间为100 ms；上台阶单循环装药量为28.8 kg，下台阶装药量为26.7 kg；周边眼、辅助眼、掏槽眼和底板眼装药集中度分别为0.2 kg/m、0.35 kg/m、0.39 kg/m、0.39 kg/m，炸药单耗为0.8 kg/m3。爆破网络如图2所示。

图2 爆破网络示意图

2.2.3 悬臂掘进机开挖

选用EBZ 160型悬臂掘进机施工，机身尺寸为2.33 m×1.65 m(宽度×高度)，整机质量为47 t，总功率为265 kW，定位切割范围为5.4 m×4.8 m(宽度×高度)，最大切割岩石强度为80 MPa，装载能力为4.32 m3/min。上台阶采用由中间向外逐渐扩大、近似于同心岩掘进的截割方式(见图3)，下台阶采用自上而下的截割方式。

图3 悬臂掘进机施工现场照片

2.2.4 开挖方法结果对比

2.2.4.1 施工工效

钻爆法主要工序平均耗时统计：钻孔3.5 h，装药3 h，爆破、超欠挖处理和出渣12 h，立架7 h，喷锚8 h，合计循环一次需要33.5 h。受到火工品供应、渣土外运等因素影响，综合进尺约每月30 m。

悬臂掘进机法主要工序平均耗时统计：开挖与出渣7 h，立架7 h，喷锚6 h，合计循环一次需要20 h。受到渣土外运、设备故障等因素影响，综合进尺约每月60 m。

由此可见，悬臂掘进机施工工效显著高于钻爆法，一是因为悬臂掘进机采用了边掘进、边出渣的先进工艺，改变了工序衔接关系，压缩了施工用时；二是因为在高瓦斯隧道实施爆破，需要严格执行一炮三检和3人连锁放炮等复杂管理程序，掌子面附近的监测传感器和风筒出口段需在爆破前后进行移动，进而增加了爆破过程时间消耗。另外，城市地铁施工中对火工品的管理也更加严格，偶尔存在火工品禁用和断供问题，影响现场施工的连续性。

2.2.4.2 施工质量

采用钻爆法施工时，由于围岩节理裂隙发育，光面爆破效果较差，超欠挖问题难以控制，超欠挖处理也导致了整体工效的降低。悬臂掘进机能够精确控制截割头的截割路径，基本不会出现超挖；若出现欠挖部分，通过局部修整则可达到规范要求，因此，与钻爆法相比，悬臂掘进机开挖断面成型质量更好。

2.2.4.3 施工安全

悬臂掘进机为防爆设备，只要做好设备的日常检查、维护和保养，便能很好地保障瓦斯隧道施工安全。而钻爆法施工工序多、管理程序复杂，对施工单位的管理水平提出了更高的要求。施工过程中容易出现飞石击损风筒、爆堆中残留炸药等安全问题，爆破振动也易引起附近居民投诉，因此，邻近重要建(构)筑物还需进行专门监测。

2.2.4.4 施工造价

经测算，悬臂掘进机施工造价高于钻爆法约20%，主要是因为设备租赁费偏高。

3 结论

1) 城郊地铁高瓦斯区间隧道在设计阶段应综合考虑工程造价、施工安全、工期要求和周边环境等多方面的因素选取施工方法。盾构机和电瓶车不能达到隔爆型或本质安全型电气设备的技术要求；高瓦斯隧道不应采用盾构法施工，宜优先选用明挖法施工；当基坑开挖条件受限或埋深过大时，可采用矿山法进行施工，这两种方法应根据工程实际情况组合使用。

2) 与钻爆法相比，采用悬臂掘进机开挖地铁高瓦斯隧道，在施工工效、施工质量和施工安全等方面具有显著优势。悬臂掘进机施工速度是钻爆法的两倍，但施工造价相对较高，悬臂掘进机每延米施工造价高于钻爆法约20%。