盾构掘进穿越有害气体地层施工技术应用研究
江泽礼
【摘?要】针对杭州地铁1号线盾构掘进穿越存在有害气体底地层，提出并实施了地面钻孔释放、温度监测、隧道通风、优选盾构施工参数等措施，取得了良好效果。
【关键词】盾构掘进;穿越;释放;监测;隧道
【Abstract】For the shield tunneling of Hangzhou Metro Line 1 passing through the bottom stratum with harmful gas， measures such as surface borehole release， temperature monitoring， tunnel ventilation and optimization of shield construction parameters are put forward and implemented， and good results are achieved.
【Key words】Shield tunnelling;Pass through;Release;Monitor;Tunnel
1. 引言
按照传统瓦斯隧道安全技术措施，应在盾构设备下井之前，对电器设备进行防爆技术改造。但两台盾构已经掘进至1200～1500米，对盾构设备进行防爆改造存在较大的困难。通过分析，盾构施工地段地质属第四系海冲积相，形成年代较短，虽然有可燃气体存在，但气量少，未形成可开采的气田，且储气层赋存体之间不是完全连通。通过调研，对盾构机不进行防爆技术改造，而是采用提前在地面有控排放有害气体和降低压力，并结合洞内采取加强通风、监测、密闭、安全管理等措施，保证了盾构安全穿越有害气层，取得了很好的效果，就盾构在有害气层掘进施工的安全措施进行详细的应用研究，以期对同类工程提供借鉴作用。
2. 工程简介
杭州地铁1号线某盾构区间工程由双线单圆盾构隧道及4个联络通道和1个中间风井工程组成。左线起止里程ZK28+571.326～ZK31+573.447，区间长度3005.041米;盾构隧道内径5.5米、外径6.2米，隧道顶部埋深9～19.33米。在ZK30+074.712～ZK30+088.212处设一个中间风井兼联络通道，右K29+152.500处设一个联络通道兼泵房（1#），右K29+599.644（2#）、右K30+686.983（3#）、右K31+284.125（4#）处分别设一个联络通道。
3. 区间地质水文情况
3.1?根据杭州地铁1号线某区间岩土工程详细勘察报告可知，地下50米以内地基土层的构成，按地层层序由上至下分别由①2素填土、②1砂质粉土、③1砂质粉土、③2砂质粉土、③3粉砂夹砂质粉土、③4砂质粉土、③5砂质粉土、③6淤泥质粉质粘土夹粘质粉土、⑥2淤泥质粘土、⑧1粉质粘土、⑧2粉质粘土;
3.2?該地段地下水含量丰富，土质渗透性较强，且地下水位较高。根据地下水的含水介质、赋存条件、水理性质和水力特征，地下水分为第四系松散岩类孔隙潜水和孔隙承压水。其中：松散岩类孔隙潜水埋深1.10～3.50m，水位埋深随季节变化;松散岩类孔隙承压水为弱承压水。主要分布于第⑿1层中砂、⒁1层圆砾中，承压水位埋深6.00m左右，水头高度达到47米左右，主要接受上游补给区的侧向径流补给及垂直向越流补给，以开采为主要方式进行排泄。
3.3?本区间隧道结构顶部埋深9～19.33米，隧道掘进过程中盾构体直接涉及的土层主要为③层。其中③层土受施工扰动易液化，在动水压力下易产生流砂、涌水现象;特别是③6淤泥质粉质粘土夹粘质粉土呈流塑状，具高孔隙比、高塑性、高压缩性、高灵敏度，有明显的触变、流变特性，在动力作用下，极易造成土体结构破坏，使土体强度降低。
3.4?通过有害气体补充勘察报告可知钱塘江南北两岸均有有害气层存在，本工程中间风井至九堡东站近1300米地段范围盾构掘进施工时均需要切割或穿越有害气层。气压高达0.21Mpa，严重影响盾构施工安全，必须采取相应安全技术措施。
4. 有害气体的形成与积存状况
4.1?有害气体的形成。
（1）杭州钱江地区由杭嘉湖平原和萧绍平原组成，表层有大量粉性土堆积，该区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质粘土层和（粉）砂层。淤泥质粘土层中的有机质在厌氧菌的生物化学作用下分解发酵，伴随着一定的温度和压力，变成了气态产物。当生成的有害气体不可能向大气中扩散时，便不时向周围地层孔隙中运移、积聚，储集在（粉）砂层中，形成了浅层气藏（见下式）。这些浅层有害气体主要为甲烷型，甲烷含量多在90%以上，并含少量氮、二氧化碳，而乙烷以上的烃类含量甚微，不含硫化氢等有毒或腐蚀金属的成分[1]。
（2）杭州钱江地区的地下有害气体，位于海陆过渡地带[2]，既有海相成因，又有陆相成因特征，在地表土层之下主要为一套河口湾相的粉、砂层，其下为海相的淤泥质粘土层，为主要生产层及封盖层，再下为河漫滩相为主的（粉）砂土或贝壳层，系主要的储气层。
4.2?有害气体成分及物理化学特性。
（1）地下有害气体中主要成分是甲烷（CH4），约占9O%～94%，其次为氮气（N2），约占3%～5%，二氧化碳（CO2）约占1%～2%，还有一些微量一氧化碳（CO）。
（2）甲烷是最简单的有机化合物，是没有颜色、没有气味的气体，微溶于水，溶于醇、乙醚。甲烷的熔点为-182.5℃;沸点为-161.5℃;相对密度（水=1）为0.42;相对蒸气密度（空气=1）为0.55;饱和蒸气压为53.32kPa;燃烧热为889.5kJ/mo1;临界温度为-82.6℃ ;临界压力4.59MPa：引燃温度为538℃ 。甲烷和空气成适当比例的混合物，遇热源和明火有燃烧爆炸的危险，其爆炸上限为15%（V/V）;爆炸下限为5.3%（V/V）。
（3）甲烷对人体基本无毒，但浓度过高时，会使空气中氧含量降低，使人窒息[3]。当空气中甲烷含量达到25%-30%时，可引起头痛、头晕、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共济失调。若没有及时脱离这种情况，可导致窒息死亡。一氧化碳是无色、无臭、无味、有毒的气体，微溶于水，溶于乙醇、苯等多种有机溶剂。其熔点为-199.1℃，沸点为-191.4℃ ，相对密度（水=1）为0.79，相对密度0.97。一氧化碳与空气混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸。一氧化碳在人体血液中与血红蛋白结合而造成组织缺氧，轻度中毒者出现头痛、头晕、耳鸣、心悸、恶心、呕吐、无力。中度中毒者除上述症状外，还有面色潮红、口唇樱红、脉快、烦躁、步态不稳、意识模糊，可有昏迷[4]。重度患者昏迷不醒、瞳孔缩小、肌张力增加，频繁抽搐、大小便失禁等，深度中毒可致死。
4.3?有害气体赋存状态。
（1）从此次勘察以及江南段勘察的现场测试中发现，在不同孔位勘探，探杆上拔至同一层位的土层时，其井喷的强烈程度与持续时间存在着明显不同，有的探孔喷气量大，持续时间长达几十个小时，有的探孔喷气量较小，持续时间仅几个小时。这说明地下浅层有害气体呈蜂窝状的囊状体以及透镜体出现，且各孔位周边地层的气压、储量以及相连通的气层范围差异较大，沿地铁结构线的纵向分布是不均匀的。究其原因，是气相在土体中的赋存状态不同所致，气相在土体中的赋存状态可以划分为四种不同情况。
（2）根据杭州地铁1号线地下有害气体特性研究，有害气体生气层为灰色的淤泥质粘土层，有机碳含量一般为0.3%～0.5%，残留厚度一般10～20m。生气层具有双
重性质，即生气又具有封闭能力，尤其是浅海相淤泥质粘土，既是生气源还是良好的盖层。淤泥质粘土具塑性、流动性等，有一定的自封闭作用，这种自封闭作用是第四系地下有害气体保存的主要原因。现场测试发现：当探杆上拔至⑥2淤泥质粘土层时即会喷出气体，可见，本区间的⑥2淤泥质粘土层为生气层。本区间③6层淤泥质粉质粘土夹粘质粉土层，具有储气层的主要特点，即有气体储存的空间，又要有形成圈闭的条件。因此，③6层淤泥质粉质粘土夹粘质粉土层为本区间的储气层。
4.4?气体分布范围。
由补勘图可以看出：
（1）本区间的生气层为⑥2淤泥质粘土层，而储气层为③6层淤泥质粉质粘土夹粘
质粉土层。
（2）里程K28+628.4～K31+536.8范围内均分布着有害气体，长度约2900米。有害气体压力相对较大的区段里程分别为：K29+080.0～K29+298.6，该段长度218.6m，中心里程K29+242.9气压峰值压力0.21Mpa，有害气体流量分别：Qs58=15.21m3/h;K30+007.6～K30+146.5，该段长度为138.9m，中心里程K30+090.4峰值压力0.22MPa， Qs10=9.93m3/h。
（3）有害气层对盾构安全掘进施工有影响的地段从某有害气体补充勘察的结果看， K28+80O.0～K30+080里程内结构线底部位置，含1#联络通道K29+155.208）置于含气层之上，盾构施工时，需要穿越该段地层之间近1300米，盾构掘进施工时均需要切割或穿越有害气层。其中心气压高达0.21Mpa，其瓦斯流量已经达到三级，严重影响了盾构的安全施工。其它地段有害气层均位于隧道结构线以下，距离较远，对盾构安全掘进施工影响不大。
5. 有害气体地面有控排放的安全技术措施
5.1?放气原因。
有害气体的存在加大工程建设的难度，严重迟滞了地铁工程的进展。在盾构施工过程中，泄露至盾构隧道内是有害气体唯——的流动途径，当有害气体聚成一定的浓度并且遇到火花或者明火，便会引起工程事故[5]。此外，有害气体的存在对于施工人员来说，也是一种安全隐患。通过放气，可以减少、清除地下的有害气体。
5.2?排气设备。
有害气体排放主要设备主要包括探杆（排气管）并配置各种阀件、压力表及自行研制的压力罐（沉淀池）、LZB型玻璃转子流量计等设备。
5.3?有害气体地面排放方法。
（1）盾构通过有害气层前，利用油气开采的通用设备与静力触探设施结合改进研制的静压排气设备，在盾构隧道的结构线外侧进行有害气体排放，降低有害气体压力。即采用静压设备将触探用外径42mm的探管（在探杆端头密布孔径小的排气孔、外缠纹路细密、韧性高的滤网材料）静压至储气层，然后略微上拔，将探头甩入土中，利用含气层与探杆内的压差，在含气层自然能量条件下通过探杆使气体逐渐释放出来，减小气量、降低压力，放气一段时间后，若无气体喷出或气量较少，则上拔0.8m，继续放气，重复上述操作，直至储气层顶板埋深，放气完毕后，收回探杆进行下一孔的施工。放气过程中，通过闸阀实施控制性放气，观察气压状态，控制放气流量。
（2）有控放气应注重“均衡放气”。有害气体释放的速率应不产生对放气孔周围地层的显著拢动，进行缓慢均衡放气。利用设备中安装的各种截止阀、节流阀、减压阀以及压力表，进行调节气体排放的压力和流量，真正做到有控放气，大大降低了对周围土层的破坏。其有害气体排放控制原则，以不带出泥砂为控制標准，释放过程注重压力的动态平衡。
5.2?有害气体排放工艺。
5.2.1?有害气体排放工艺流程。
5.2.2?单孔施工步骤。
施工前仔细核对该孔位的地质资料及有害气体埋置深度、压力和储量大小。施工时将探杆静压至含气层深度，略微上拔，将探头甩入土中，利用含气层与探杆内的压差，在含气层自然能量条件下通过探杆使气体逐渐释放出来，减小气量、降低压力。放气一段时间后，出现喷发泥、砂状况，迅速调节减压阀及出气口阀门，减小出气口的流量，必要时关闭出气口阀门，静置一段间，慢慢打开出气口阀门。出气口不再喷出气体，用空气压缩机向探杆内注入0.7MPa压力的空气，三分钟后关闭空压机，无气体喷出，收回探杆进行下一孔施工。放气过程中，可通过闸阀实施控制性放气，观察气压状态， 控制放气流量，连续记录有关参数。
