摘要：目前城市地铁隧道施工大部门采用盾构施工，但国内暂无低瓦斯隧道盾构施工经验，更无在施工过程中从普通隧道盾构施工转变为低瓦斯隧道盾构施工的经验。本文根据成都地铁1号线三期盾构隧道从普通隧道（起初未发现瓦斯）到低瓦斯隧道（施工过程中发现瓦斯并定性为低瓦斯隧道）的转变，从低瓦斯改造、安全措施、技术措施进行了探讨，实现了低瓦斯盾构法隧道内瓦斯量的有效控制，达到了预期目标。
关键词：低瓦斯隧道，盾构，瓦斯改造
1.工程概况
1.1 隧道设计
成都地铁1线三期隧道包括广福站～天府新站区间，共有7段盾构区间隧道和3段暗挖隧道。区间隧道位于苏码头气田之上，隧道有受浅层天然气危害的可能。天然气的主要成分为甲烷和一氧化碳（瓦斯），天然气显示开始深度在50 m-70 m，天然气浓度随深度增加呈增加趋势。但因整体瓦斯涌出量小于0.5 m3／min，因此武汉路站至天府新站区间隧道被定性为低瓦斯隧道。
1.2 地质条件
根据施工前岩土工程勘察报告，本区段主要岩土层由新至老分别为杂填土、粉质粘土、全风化泥岩、强风化泥岩、中等风化泥岩、强风化砂岩、中等风化砂岩，盾构隧道穿越地层为⑦13中等风化泥岩、⑦23中等风化砂岩。区间隧道下穿地质断层带，该断层为区域压扭性逆断层，发育有苏码头背斜和苏码头逆断层，为非活动性断层。但隧道洞身埋深较深，洞身穿越地层除断层外绝大多数段落岩层岩性较为完整，在7度地震作用下，不具备滑坡、崩塌、陷落等地震地质灾害的条件，环境工程地质条件一般，综合判定，本工程地质条件稳定。
1.3 瓦斯情况
根据勘测结果分析，该段区间隧道地质钻孔均有天然气显示，钻孔天然气最高浓度为9450PPm；根据室内气相色谱试验可知，浅层天然气成分主要为CH4，不含H2S，SO2 等有毒有害气体。
1.4 施工情况
在隧道被定性为低瓦斯隧道前，均按照普通隧道组织施工。自检测到低瓦斯后，对通风系统、成型隧道的照明及动力系统、排水设施、瓦斯监测系统、盾构机电气系统以及电瓶车编组进行了防爆改造，改造后按照低瓦斯隧道组织施工。
2.低瓦斯盾构隧道施工防爆改造
2.1 通风系统改造
（1）将原来的2*37kw的通风机更换为2*110kw的通风机。满足了隧道回风的最低风速0.5m/s（距离洞口4D处测取）要求。
（2）增加一台同型号的备用风机，且通过风门将两台风机并联在主送风管上，利用电气互锁实现10min内两台通风机转换通风，满足了隧道连续不间断通风（见图1所示）。
（3）增加250kw的应急发电机，通过电气转换开关，实现10min内风机电源的切换。
（4）在成型隧道段，将φ1000mm的普通风管更换为φ1200mm防静电、阻燃的塑料涂覆布正压风管。
（5）在盾构机上，将原有硬风管更换为φ800mm防静电、阻燃的塑料涂覆布负压风管。
（6）每台盾构机增加24台局扇风机，一方面确保了盾构机区域的送风及回风速度，另一方面防止盾构机局扇部位瓦斯积聚（见图2所示）。
图1 双风机安装示意图 图2 局散风机安装示意图
2.2 成型隧道照明及线缆改造
隧道内配电设备及照明电器全部采用防爆型，并做到“三专”（三专：专用防爆变压器、专用开关、专用供电线路）、“两闭锁”（两闭锁：瓦斯浓度超标时与供电的闭锁、局部通风与供电的闭锁）以保证瓦斯隧道安全施工。
（1）在成型隧道段，将原布置的YC橡套电缆更换为MY矿用移动橡套电缆；
（2）将普通照明灯具、照明箱、动力箱更换为防爆型，并在接头处增设防爆接线盒。
（3）设置独立的接地保护系统系统供隧道用电，设计采用MBVS-25mm2黄/绿双色PE 接地保护线，从洞口集中接地处向隧道内架设，隧道内每200 米施做重复接地，洞口的集中接地与隧道内的重复接地处的接地电阻不得大于1.5Ω。隧道内电气防爆设施、线缆布置如图3所示。
图3 隧道内电气防爆设施、线缆布置图
防爆动力箱每100米安装1台，防爆照明箱每50米安装1台，防爆照明灯每7.5米安装1套，防爆应急灯每10米安装1套，照明灯和应急灯等接头处加装防爆接线盒。
2.3 部分设备改造
（1）由于盾构的电机、配电柜等大型机电设备作为盾构的主体部件无法进行防爆改造，对在运转过程中容易产生电火花的部位（电器接头、开关部位）进行密封处理。
（2）隧道内V型坡和盾体内排水均使用防爆水泵。
（3）隧道内电瓶机车的驱动变频器和电机均更换为同大小的隔爆型变频器、电机，确保瓦斯隧道内水平运输设备的安全行驶。
2.4 瓦斯监测改造
（1）将盾构机上位机进行升级，主界面上增加瓦斯显示窗口，且实现将盾构机上固定式瓦斯检测仪检测的数据时时传递至风险监控平台。如果瓦斯数据超标，系统自动发送短信至各级管理人员。
（2）在盾构机中盾、前盾、人仓等通风死角、瓦斯易于积聚的地方增加瓦斯检测声光报警仪，一旦瓦斯浓度超标，仪器自动声光报警。
3.低瓦斯盾构隧道施工安全管理措施
3.1 人员进洞管理
（1）所有进洞人员必须穿全套的防静电工作服，且进洞前必须经过低瓦斯安全专项教育。
（2）设置门禁系统、人体静电释放器、金属探测仪以及专职的保安。所有人员下井前必须进行人体静电释放，且经过保安对其进行金属探测检测后持自己的通行卡刷卡进入。显示屏上同步显示进洞人员的数量及姓名，便于管理。
3.2 瓦斯检测管理
（1）配置施工方的专职瓦检人员和第三方瓦检人员，满足24小时不间断的隧道风速和瓦斯检测工作。检测部位有：盾构机中盾顶部油缸；盾尾内管片顶部；螺旋机出渣口；二次风机上部；3号台车中部；成型隧道顶部（每20m检测一个断面，检测部位为距隧道顶部以下20cm-30cm）。
（2）配置专职的通风管理人员，负责通风设备、通风管、应急发电机等通风设施的巡检维保检修工作。
（3）建立瓦斯上报制度，要求瓦检员和通风管理人员每天4频次的数据上报工作。
（4）编制瓦斯隧道应急预案并组织现场演练，确保紧急情况下安全疏散处置。
（5）制定瓦斯检测数据及超限处置措施（见表1），指导现场施工管理。
表1 瓦斯检测极限及超限处置措施
4.低瓦斯盾构隧道施工技术管理措施
4.1 渣土改良
在盾构掘进过程中，综合采取各项改良及配套措施以确保渣土及螺旋输送机的密封性能，具体措施为：
（1）根据渣土改良情况实时调节渣土改良剂，以降低渣土的透气性，并提高螺旋输送机出土时的密封性能。
（2）合理调节螺旋输送机的出土速度及闸门开口度，确保土塞效应的形成。
（3）通过向土舱上部及下部分别注入泡沫和膨润土，以提高渣土的流塑性。
4.2 盾尾密封
盾构盾尾密封可有效防止瓦斯从盾尾泄入隧道，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。
（1）严格控制盾构机在掘进过程中的姿态，使盾尾间隙保持均匀，避免出现单侧盾尾间隙过大，从而导致盾尾密封失效、漏水、漏浆、瓦斯气体等进入盾壳内部。
（2）盾构掘进过程中，确保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。
4.3 管片拼装质量
盾尾和管片的接缝是瓦斯泄露的第二大通道，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。
（1）管片运输和下井全程做好质量管理，实行三检制，坚决不允许任何破损的管片用于正式隧道。
（2）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入隧道。
（3）加强二次注浆，通过管片背部双液注浆填充地层空隙，防止瓦斯气体渗入隧道内。
4.4 瓦斯消散技术
对于某些地质断层带，天然气随断层向上逸出，在浅部白垩系泥岩和表部粘性土的封堵下可在白垩系砂岩地层中局部富集形成气囊，威胁隧道施工。为了确保施工安全，在隧道内做好瓦斯管控的同时，也在隧道两侧（即左线左侧和右线右侧）提前设置瓦斯消散孔。
（1）消散孔孔径φ108mm、孔距5m、结构轮廓外3m，左右交替布设，孔深至结构底板。
（2）对消散孔按照1次/2h频率进行瓦斯气体检测。
（3）孔口设防雨水灌入的顶棚，使用期间随时抽排疏干孔内积水。
4.5 隧道内渣土运输
渣土是隧道内瓦斯气体最主要的溢出源，通过改进出土方式和减少渣土在隧道内停留的时间，来减少隧道内瓦斯气体含量。普通隧道每环出土一次，而本瓦斯隧道则采用每环出土２次的方式来减少渣土在隧道内停留的时间，从而减少单位时间内的瓦斯气体含量。另外对隧道内渣土运输车进行篷布覆盖，使车内的瓦斯不溢入隧道。
5.结论
本文针对成都地铁1号线3期南段低瓦斯隧道施工进行总结，通过对本隧道盾构掘进系统的防爆改造、制定针对性的安全技术管理措施，通过实施保障了低瓦斯隧道的安全施工，为低瓦斯盾构隧道施工积累了宝贵的经验，今后类似工程可参考。
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论文作者:张建
论文发表刊物:《基层建设》2018年第32期
论文发表时间:2018/12/20
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