第３０卷第６期 窿莲建谨 Ｔｕｎｎｅｌ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｖ０１．３Ｏ Ｎｏ．６ ＤｅＣ ｔ ２０１０年１２月 ２ｎ ０ 一 盾构瓦斯隧道掘进技术 林文书 ，林建平 ，刘文斌 （１．武汉地铁集团有限公司，武汉４３００００；２．中国中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司，西安７１００５４） 摘要：根据武汉地铁２号线范汉区间直接穿越瓦斯储气层的情况，分析瓦斯对盾构隧道施工的影响及危害，以及国家规范尚未对地 铁盾构隧道的掘进技术做出量化的情况下，对在瓦斯隧道掘进中施工参数做出主动调整，重点研究控制盾构螺旋出土、盾尾密封、 同步注浆及二次注浆质量等方面的技术措施，总结出了１套较为成熟的盾构瓦斯隧道掘进技术方法。 关键词：盾构隧道；瓦斯地层；隧道施工；盾构掘进 中图分类号：Ｕ ４５５．４３ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１６７２—７４１Ｘ（２０１０）０６—０６６５—０５ Ｓｈｉｅｌｄ Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｇａｓ－ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ Ｓｔｒａｔｕｍ ＬＩＮ Ｗｅｎｓｈｕ ，ＬＩＮ Ｊｉａｎｐｉｎｇ ，ＬＩＵ Ｗｅｎｂｉｎ。 （１．Ｗｕｈａｎ Ｍｅｔｒｏ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ ４３００００，Ｃｈｉｎａ；２．Ｔｒａｃｋ Ｔｒａｆｉｃ Ｅｎｇｉｆｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ Ｎｏ．１ Ｇｒｏｕｐ，Ｘｉ’ａｎ ７１００５４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｇａｓ ｏｎ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｏｎ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆａｎ—Ｈａｎ ｒｕｎｎｉｎｇ ｔｕｎｎｅｌ ｏｎ ｌｉｎｅ ２ ｏｆ Ｗｕｈａｎ Ｍｅｔｒｏ，ｗｈｉｃｈ ｐａｓｓｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｇａｓ—ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｓｔｒａｔｕｍ．Ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｇａｓ—ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｓｔｒａｔｕｍ ａｒｅ ａｄｊｕｓｔｅｄ，ｅｖｅｎ ｔｈｏｕｇｈ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｎｏ ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｆｏｒ ｓｈｉｅｌｄ ｂｏｒｉｎｇ ｏｆ Ｍｅｔｒｏ ｔｕｎｎｅｌｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｌｅｖａｎｔ Ｃｈｉｎａ’Ｓ ｎａｔｉｏｎａｌ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｆｏｃｕｓ ｉｓ ｐｌａｃｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｍｕｃｋ ｃｏｎｖｅｙｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｓｃｒｅｗ ｃｏｎｖｅｙｏｒ，ｔｈｅ ｔａｉｌ ｓｋｉｎ ｓｅａｌｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｇｒｏｕｔｉｎｇ ａｎｄ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｇｒｏｕｔｉｎｇ．Ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ，ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｓｈｉｅｌｄ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｉｎ ｇａｓ—ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｓｔｒａｔｕｍ ｉｓ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｅｌｄ—ｂｏｒｅｄ ｔｕｎｎｅｌ；ｇａｓ－ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｓｔｒａｔｕｍ；ｔｕｎｎｅｌ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｓｈｉｅｌｄ ｂｏｒｉｎｇ ０ 引言 目前国内已有２０多个城市在修建地铁，而采用盾 构法施工的区间隧道越来越多，遇到的地层情况也越 １ 工程及地质概况 １．１工程概况 武汉地铁２号线范一汉区间左线长１ ０１０ ｍ，右线 来越复杂，对盾构掘进技术提出了更高的要求。武汉 地铁２号线范一汉区间作为国内首条直接穿越瓦斯储 气层的城市地铁盾构隧道，按照普通盾构隧道的掘进 技术实施很难适应瓦斯隧道的施工要求。在国内无相 长１ ００７ ｍ，包括１个联络通道，采用盾构法施工。区 间隧道为外径６ ｍ，内径５．４ ｍ，管片拼装衬砌的单洞 圆形隧道，管片环宽１．５ ｍ，管片混凝土Ｃ５０、Ｐ１２。区 间隧道埋深１０～１６Ｉｎ，隧道穿越软弱的淤泥质土、粉质 黏土、富水的粉土粉砂互层及高承压水粉细砂层，沿线 地下水丰富、承压水头高、水文地质情况复杂，而且地 关的地铁瓦斯隧道成功施工经验可以借鉴，盾构施工 难度大。而在铁路和公路隧道中有较多的瓦斯隧道施 工经验，在借鉴瓦斯隧道施工技术 瓦斯隧道应用 及通风技术在 层中赋存瓦斯等有害气体，施工难度在国内地铁工程 中并不多见。 １．２地质概况 的基础上，通过加强通风，用强大 的风流稀释进入隧道内的瓦斯气体，并引导其排出隧 道外以及保持盾构机与管片的密封性，封堵地层中的 瓦斯气体进入隧道内作业面的这２种途径，提出盾构 瓦斯隧道施工的指导思想：“控掘进、严出土、重通风、 勤监测”，并将其运用到实际施工中，确保范汉区间盾 构瓦斯隧道的安全顺利施工。 盾构施工穿越的地层主要有：（３—３）层淤泥质粉 质黏土；（３—４）层淤泥质粉质黏土夹粉土；（３—５）层 粉质黏土、粉土、粉砂互层；（４—１）层粉细砂。 １．３地下瓦斯及有害气体勘察情况 １）范一汉区间地下有害气体成分主要为ＣＨ ，一 收稿日期：２０１０—０８—１３；修回日期：２０１０—１１—１５ 作者简介：林文书（１９６５一），男，湖北麻城人，１９８７年毕业于上海铁道学院铁道工程专业，研究生，高级工程师，现从事地铁建设管理工作。 趱莲建设 第３Ｏ卷 般占总体积的５５％～７０％，是可燃烧的主要气体；其 次是ＣＯ，气体，占总体积的３０％～４０％；其他几种气 体有Ｈ ｓ、ＳＯ 、ＮＯ 、ＣＯ等。通过２３个瓦斯探测孔的 连续监测，有６个监测孑Ｌ的ＣＨ 平均体积分数超过 ５％，具有发生爆炸事故的条件；１ １个孔的ＣＨ 平均体 积分数超过１％，超过施工场所ＣＨ 体积分数限值；其 中Ｈ Ｓ、ＣＯ超出国家规定危险报警低限值，易造成重 大伤亡事故。 沿线全部都在储气层中穿越，在盾构开挖过程中，储气 层中的有害气体将必然对盾构施工造成危害。 ３）地铁沿线储气层属于低压气层，气层压力偏低 （一般１００～３００ｋＰａ）。 ４）地铁施工场地沿线可划分为２个有害气体压 力区段，即大于孔隙气压力区段（Ｉ区）和小于孔隙气 压力区段（Ⅱ区），具体分区详见图１。盾构施工掘进 经过Ｉ区时，气体体积分数短时间内会迅速升高，若处 理不及时将造成严重后果；经过Ⅱ区时，气体体积分数 短时间内不会升高，若抽排及时将不会造成严重后果， 而且在１００～３００ ｋＰａ时具有瓦斯突出的重大风险。 ２）（３—４）层含砂粉质黏土以及（３—５）层砂土互 层为地铁施工场地（主要含气、储气层）；储气层顶板 埋深为６．４～１６．１ ｍ，底板埋深为１１．５～２４．０ ＩＴＩ，地铁 ２一 妻 一……… 啦…～… －一ｔ￣／：ｔ：Ｕ。， Ｈ嵩 计时上海 ．已经将隧道线路避开了瓦斯区 ，根据其施工统计， 登在 计之 就 瓦 ， ２．２． 妻 术 《铁 妄 一一 ～ 定．杠程 ：隧道施工时，作业 隧道内溢出瓦斯气体体积分数不超过０・７％，在施工作 ￣ＥＮ（ＣＨ ）体积分数不得超过０５％。通过对２３个 机制造方面进行了防爆处理，但由于盾尾密封泄露，造 成瓦斯爆炸，死亡５人。 下体积分数在０・０２％ＡＴ，通风中断４ｈ，拱顶的瓦斯体 积分数立即上升到５・５％；地面降水井井口处瓦斯平均 第６期 林文书，等：盾构瓦斯隧道掘进技术 体积分数７％，有１／４测次瓦斯体积分数超过了１０％。 敞开的洞口和降水井口的瓦斯体积分数本身被周围大 自然的空气稀释，不存在集聚的条件，充分地说明地下 瓦斯体积分数远远超过５％。 ２．２．２线路全断面直接穿越瓦斯储气层 根据有害气体勘察、监测情况结合岩土工程勘察 报告分析知：（３—３）层是气源层，＜３—４＞、（３—５）层既 为气源层，又为主要储气层。范一汉沿线隧道全部都 在储气层中穿越，随着盾构开挖掘进，是对隧道掌子面 土的和易性和流塑性，降低渣土的透气性，从而改善土 仓和螺旋输送器出土时的密封性。通过控制螺旋输送 机出土速度和开口度，形成土塞，进一步提高螺旋的密 封性，减少瓦斯从螺旋泄入隧道。编制预防泡沫管管 路堵塞的专项方案，以保持掘进过程中泡沫管的连续 通畅。使用高浓度的膨润土和泡沫混合使用技术，从 土仓的上部和刀盘的４口泡沫孔注泡沫，土仓的下部 加注高浓度的膨润土，以增加渣土的和易性。 优质泡沫使用量由２５ ｋｇ／ｍ提高到５０ ｋｇ／ｍ；ＴＡＣ 土体一次彻底疏松，土体里面的瓦斯气体在螺旋输送 器口、６６ ｍ运输皮带上以及在运输渣车上近乎完全释 放，释放的瓦斯气体全部遗留在隧道内，由于盾构成型 隧道为相对密闭的空间，长此已久，释放出来的瓦斯体 积分数将逐渐升高，当瓦斯气体体积分数达到１％～ ５％时，遇到火源将发生瓦斯燃烧事故，达到５％～ １６％时，遇到火源将发生瓦斯爆炸，体积分数更高时可 致使施工人员窒息死亡。以上３种情况的发生可能造 成重大的人员伤亡。同时如果发生瓦斯爆炸，将对隧 道内机械设备造成不可挽回的损失，因此瓦斯气体的 存在必然对施工造成严重危害。 ２．２．３有害气体成分多 范一汉隧道地下有害气体成分与别的城市目前施 工的盾构隧道不同，瓦斯主要为甲烷（ＣＨ ），但还包含 ＣＯ２、Ｈ Ｓ、ＳＯ２、ＮＯ２、ＣＯ等气体。部分硫化物气体严 重超标，对人身有危害。 在范湖站盾构起点处盾构机机头、泄水口、降水井 口及Ｋ６钻孔，均检出较高体积分数的Ｈ，Ｓ，而且超过 国家《工作场所有害因素职业接触限值》（不得高于１０× １０ ）。Ｈ：Ｓ为无色气体，具有臭蛋气味，硫化氢是一 种神经毒剂，亦有窒息性和刺激性。 国家《工作场所有害因素职业接触限值》规定ＣＯ 体积分数不得超过２０×１０～。勘察过程中有６个探 测孑Ｌ检出的ＣＯ体积分数均超过１５×１０～，达到了危 险报警低限值；而最高值为４００×１０ Ｉ¨，属于高度危险 检出值。因此，在施工过程中，必须加强检测与防范， 避免人员重大伤亡事故的发生。ＣＯ纯品为无色、无 臭、无刺激性的气体，过度吸人空气中ＣＯ，可使人产生 严重的头痛、眩晕、昏迷，甚至致死。 ３盾构掘进技术 通过对盾构推进的施工参数做出主动调整，重点控 制盾构螺旋出土、盾尾密封、同步注浆及二次注浆质量， 防止瓦斯大量泄露进入隧道，降低隧道安全施工风险。 ３．１渣土改良 螺旋出土口为瓦斯进入隧道内的第１大途径。根 据出渣情况及时向开挖面注入优质的泡沫和日本 ＴＡＣ高分子聚合物添加剂，对渣土进行改良，提高渣 只在Ｉ承压瓦斯区使用，用量１０ｋｇ／ｍ。 ３．２保持盾尾密封可靠 盾尾与管片接缝处是瓦斯气体进入隧道的第２大 途径，盾构盾尾密封可有效防止瓦斯从盾尾泄人隧道， 如果盾尾密封失效、管片破损或止水条损坏等将会导 致瓦斯由盾构尾部泄入，所以盾尾密封是否正常工作 对施工进度和安全都有重大影响。 ３．２．１掘进中的姿态控制 严格控制盾构机在掘进过程中的姿态，水平及垂直 偏差不大于５０ ｒｎｌＴｌ，使盾尾间隙保持均匀（６ｏ～９０ｍｍ）， 避免出现单侧盾尾间隙过大，从而导致盾尾密封失效， 漏水、漏砂、瓦斯气体等进入盾壳内部。 掘进中的姿态控制应该注意下列问题： １）在切换刀盘转动方向时，应保留适当的时间间 隔，切换速度不宜过快，否则可能造成管片受力状态突 变，而使管片损坏。 ２）应根据掌子面地层情况及时调整掘进参数，调 整掘进方向时应设置警戒值与值。达到警戒值时 及时启动纠偏程序。 ３）蛇行修正及纠偏时应缓慢进行，如修正过程过 急，蛇行反而更加明显。在直线推进的情况下，应选取 盾构当前所在位置点与设计线上远方的一点作一直 线，然后再以这条线为新的基准进行线形管理；在曲线 推进的情况下，应使盾构当前所在位置点与远方点的 连线同设计曲线相切。 ４）推进油缸油压的调整不宜过快、过大，否则可 能造成管片局部破损甚至开裂。 ５）正确进行管片选型，确保拼装质量与精度，以 使管片端面尽可能与计划的掘进方向垂直。 ３．２．２加强盾尾油脂注入 盾构始发前严格控制尾刷内涂抹油脂质量，使用 优质油脂，每道尾刷分３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，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，浆液和有害气体从间隙内漏进盾 隧道建设 第３０卷 尾。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。在 瓦斯盾构掘进，盾尾油脂压注量由正常隧道掘进使用量 的２５ｋｇ／环提高到５０ｋｇ／环，比正常情况多出１倍。 ３．３加强管片拼装质量 盾尾和管片接缝是瓦斯泄露的第２大通道，在采取 封堵措施的同时，通过提高管片拼装质量也能起到一定 的作用。所以管片从制作、运输和下井全程要抓好质量 管理，实行三检制，不让一块破损管片用于正式隧道。 合格管片要进行盖章，严格把好质量关。做好管片选 型，避免盾尾将管片和止水条损坏，地层中瓦斯从破损 处泄露人隧道。工班要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，保证管片拼 装质量，有效地防止瓦斯从盾尾和管片接缝泄露。 ３．４隧道内土方运输 根据正常施工组织每环是一次性出土，但由于渣 土中含有瓦斯，为了缩短瓦斯气体在隧道泄露的时间， 同时减少瓦斯在单位时间内泄露量，减轻通风压力，提 高隧道施工安全，把每环出土分２次，即每掘进７５ ｃｍ 出１次土。在瓦斯体积分数高的地段，对渣车及时用 塑料布覆盖，减少瓦斯气体从渣土中溢出。 ３．５特殊工况下处理措施 盾构机掘进施工过程中可能会出现螺旋输送口喷 涌、盾尾密封失效、盾构开仓等特殊情况，对这３种特 殊情况制定了相应的措施，确保施工的安全顺利进行。 ３．５．１螺旋输送口喷涌 由于范一汉区问掘进地层为（３—４）淤泥质粉质 黏土夹粉土、（３—５）粉质黏土、粉土、粉砂夹层，含有 粉细砂层、高承压水及瓦斯气体，地质条件复杂。地下 亘垡 碹 隧道施工具有不可预见性（例如线路前方出现瓦斯 包）。掘进时若发现从螺旋出土口涌水、涌砂及瓦斯 气体大量涌出，应采取以下措施： １）立即关闭螺旋输送机的出土闸门，作业人员撤离 一Ｆ墨望毫雪夏ｊ三 罂 ｝ 到螺旋输送机的出土闸门２０ ｍ范围外。瓦斯检测员对 附近瓦斯含量进行检测，如超过１．５％，作业人员撤离隧 图２开仓时风同流程 道，加强通风，待瓦斯体积分数在安全范围内恢复施工。 Ｆｉｇ．２ Ａｉｒ ｆｌｏｗ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｄｕｒｉｎｇ ｓｈｉｅｌｄ ｃｈａｍｂｅｒ ｏｐｅｎｉｎｇ ２）恢复施工时首先在少出土或不出土的挤压状 ４ 瓦斯地层中盾构隧道施工技术的应用效果 态下继续向前推进，使土仓内建立平衡。通过刀盘的 整个瓦斯地层中的盾构隧道施工技术研究过程分 转动，将土仓内的土体搅拌均匀，然后才将螺旋输送机 ３步进行：第１步详细勘察瓦斯气体分布情况；第２步 的后门慢慢打开，开门度为１０％，边掘边出土，始终保 对整体的施工方案进行全面的制定；第３步做好盾构 持土仓内压力稳定。 掘进时的应急处理。 ３）掘进过程中向土仓内注入泡沫剂、膨润土等提 在隧道开始掘进到隧道完全贯通的时间内，通过对 高渣土的和易性和止水性，同时在螺旋输送机出口栓 盾构掘进参数的修改达到了预期的效果。整个施工过 接保压泵碴装置建立土压平衡状态。 程中，隧道内瓦斯气体体积分数在可控范围内，证明了 ３．５．２盾尾密封失效 实施措施的合理性。项目部贯彻正确的指导思想“控掘 恢复施工首先加快盾构机掘进，降低盾尾外部的 进、严出土、重通风、勤监测”在范一汉区间施工中取得 第６期 林文书，等：盾构瓦斯隧道掘进技术 了成功，积累了盾构瓦斯隧道的成功施工经验，在类似 施工前期不断摸索盾构瓦斯隧道合理的盾构掘进 的后续地层施工中得到推广应用（如范一汉区间左线）。 参数，总体掘进速度较慢，在经历１００ ｍ的试验盾构掘 进施工后，不断优化施工方案，各个施工环节紧密配 合，使盾构掘进速度达到３００ ｍ／月的正常盾构隧道标 准，最终历时１００ ｄ完成范一汉区间右线的掘进。掘 进过程中瓦斯气体体积分数基本在可控范围内，瓦斯 气体体积分数超标现象发生后，均得到有效处理，未发 生瓦斯气体体积分数超标而引起的生产安全事故。 参考文献： ［１］刘辉，陈文胜．公路瓦斯隧道施工技术探讨［Ｊ］．西部探矿 工程，２００６，１８（１０）：１８６—１８８． ［２］ 陆春昌．瓦斯隧道施工引发瓦斯爆炸的隐患及预防对策 ［Ｊ］．现代商贸工业，２００７（９）：２９４—２９６． ［３］ 肖锡庄，罗迁．孙家寨煤层瓦斯隧道施工技术［Ｊ］．中外公 路，２００８（４）：１３９—１３９． ［４］ 丁睿．瓦斯隧道建设关键技术［Ｍ］．北京：人民交通出版 社，２０１０． ［５］ 田荣．瓦斯隧道施工的关键要素及其对策［Ｊ］．铁道建筑 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