刘志元

(中铁十四局集团有限公司，山东 济南 250101)

0 引 言

沼气是有机物质在无氧条件并在一定的温度与湿度情况下经微生物发酵产生的一种没有颜色以及气味的可燃气体,其主要成分为甲烷[1]。盾构机在沼气地层中掘进时，地层中的沼气会向隧道内部泄漏，并且由于其无色、无味使得施工人员难以察觉。当隧道内沼气达到一定浓度时，遇见明火会发生爆炸事故，造成非常严重的危害；沼气含量过高可导致隧道内工作人员窒息甚至死亡[2]。近年来，隧道穿越长江工程已取得了许多成功的经验，同样也遇到了很多棘手的问题，隧道建设过程中遇到的沼气地层便是主要的地质灾害之一。本文分析了大直径泥水盾构沼气涌入的途径、沼气地层泥水盾构施工风险及安全措施。

1 工程概况

1.1 区间隧道设计概况

苏通GIL综合管廊工程位于G15沈海高速苏通长江大桥上游西侧600～1 200 m处，是淮南—南京—上海1 000 kV交流特高压输变电工程的单项越江工程，采用隧道过江方式。综合管廊起点位于南岸(常熟)始发井，终点位于北岸(南通)接收井，综合管廊隧道为内径10.5 m、外径11.6 m，全长5 468.545 m。隧道线路由始发井至接收井，其最小曲线半径为2 000 m。隧道线路从常熟始发井开始，先以5.0%的坡度下行，接着以2.3%的坡度下行，之后又分别以5%、0.5%的坡度下行至隧道最低点(最低点位置隧道结构顶面标高-63.23 m，底面标高-74.83 m)，之后又分别以0.5%、3.1%的坡度上行，然后以0.5%的坡度上坡，坡长2 119.840 m，最后以5%的坡度上坡，坡长549.309 m到达南通接收井。

1.2 有害气体勘察概况

经过勘察，发现有害气体隧道段位于长江水域，南起常熟港专用航道，北至长江深槽南缘，富含沼气的地层长度为1 780 m，水平面高程-3.3～-14.8 m。长江深槽以南隧道(综合管廊)段下部存在浅层沼气地层，其主要成分包括：甲烷(CH4)占比85%～88%、氮气(N2)占比8%～10%、氧气(O2)占比2%～3%。该段地层拥有良好的沼气储、盖条件，储气层为砂、粉土层④1、④2、⑤1、⑦2，盖层为黏性土层③、④1。试验测得关井气体压力为0.25～0.30 MPa，估算沼气压力不大于其上覆水土压力之和，属正常压力系数，估计为0.4～0.6 MPa。本段地层内沼气未大面积连片，呈团块状、囊状局部集聚分布，静探测定单个储气量最大约为5 m3，沼气有向上、向盖层底部集中的趋势。

1.3 盾构机配置概况

苏通GIL综合管廊工程盾构区间采用1台海瑞克生产的复合式泥水气压平衡盾构机施工，盾构刀盘开挖直径为12.07 m，总长度为140 m，总重量为2 404 t，主驱动装机功率为3 000 kW。

2 沼气泄入隧道内途径分析

沼气泄入隧道内的可能途径主要为：

(1) 沼气由盾尾密封处缓慢泄入成型隧道内。

(2) 通过盾构机气压系统(SAMSON系统)排入成型隧道内。

(3) 延长盾构泥浆管道时，沼气泄漏进隧道内。

(4) 盾构机出浆管法兰连接处沼气泄漏。

(5) 管片接缝处沼气泄漏。

3 沼气对盾构施工的影响

沼气对盾构施工的影响见表1。

表1 施工阶段沼气对盾构施工的影响[3]

4 盾构穿越沼气地层安全施工措施

4.1 隧道通风措施

综合盾构隧道内涌入的沼气的途径分析，隧道内采用地面风机压入式的通风措施。地面泥浆系统作为沼气易集聚点，设置专门稀释通风系统与沼气监控系统，以及隔离设施。

(1) 隧道段1 000 m之前采用压入式双风机双风筒送风，根据隧道内沼气探测浓度，采用1台风机工作，1台风机备用的方式；风机变频运转，以风量为基准对风机的频率进行调节，并配备以短距离抽出式通风抽排沼气。

(2) 当施工距离大于2 000 m后，长距离压入式双风机双风筒送风，固定出风口的出风量，调节风机频率，实现风机节能。

(3) 地面回浆池回浆管出口会有甲烷的集聚，因此也需要设置排风系统及沼气监控报警系统，以及隔离设施。

(4) 盾尾、泥浆管换管处、刀盘仓、汽水平衡气囊放气处等设置局部通风系统吹排稀释沼气。

(5) 常压进仓检查及更换刀具时，加强仓内空气质量检查及局部通风，仓内空气质量须满足《盾构法开仓及气压作业技术规范》(CJJ 217—2014)的要求。

4.2 盾构机防爆设计

4.2.1 加强盾构机周围通风

加强盾构机前后通风和局部通风，防止沼气在局部聚集至浓度超标而形成爆炸隐患。具体操作如下：

(1) 延长一级通风管线，采用二次通风系统将隧道送风管出口处新鲜空气送至盾构机前方。

(2) 延长保压系统排气管线直至拖车4的尾部，防止自动平衡排出的含甲烷的空气在盾构机内聚集。

(3) 在盾构机内空气流通差的局部位置安装6个鼓风机，额外将盾构机环境气体旋转分散，避免沼气局部聚集。

4.2.2 盾构机进行局部防爆设计

(1) 所有的远程遥控装置替换成防爆形式，盾构机正常照明和紧急照明替换成防爆形式，备用发电机更换防爆电池和防爆配电箱，隧道掘进导向系统更改为防爆设计，预留的所有开放式电缆接头更换为防爆设计。

(2) 盾构机上所有电箱及电缆接头更换为防爆设计；盾构机上所有额外的用电工具均采用防爆设计。

(3) 将甲烷气体探测器从7个增加到12个，具体位置为：主机部分7个探测器，拖车1、拖车2与桥架连接处、拖车3、拖车4及拖车5各1个探测器。

(4) 将气泡舱及人舱内的所有电气部件(电容器绳式传感器、液位传感器以及电阻率测量仪、照明、通信系统、刀盘控制面板、前闸门和搅拌器/碎石机控制面板)更换为防爆型。

(5) 甲烷(CH4)的浓度一旦达到0.5%，盾构机控制面板报警，从地面增加1次通风的风量；若遇断电时，如甲烷浓度低于3%可以使用应急发电机电源，高于3%则不得启动应急发电机；当甲烷(CH4)浓度达到4%，从盾构机到地面的额外独立的控制电缆能将地面高压电源切断，从地面将盾构机断电，人员撤离盾构机。

4.3 施工现场工程车辆防爆安全设计

在进入隧道的每辆施工车辆的驾驶室增设1台便携式瓦斯检测报警仪，对隧道内部的沼气(CH4)进行检测，并按照《煤矿安全规程》要求进行操作，“当沼气浓度达以下值时，分别进行报警、断电、复电等措施。≥0.5% CH4，报警；≥1.5% CH4，断电；<1.0% CH4，复电”，同时在施工车辆尾部安装火花灭火器。

使用防爆组件对所有工程车辆的电气线路进行全部改装，这些改装内容涉及车辆启动器、所有用电设备(如照明指示灯具、喇叭、音箱等设备)、发热部件、排气口等。通过改装，工程车辆可在具有危险易爆气体的场合下安全工作。

4.4 电气设备及安全监控系统

4.4.1 电气设备的安全设置

地面通风机配电电压为380 V，系统为中性点直接接地系统，采用双电源供电；隧道采用高压送电逐段设置配电点的方式供电，将隧道分为共5个配电段。在每个段的起始端设置配电点，每个配电点均采用防爆的开关设备。隧道内设矿用防爆型LED照明灯具，在隧道两侧交错设置，每隔4环管片设置一处。照明灯具127 V电源由矿用隔爆照明综保提供。应急照明采用矿用隔爆型应急照明灯具，单侧设置，灯间距为25环。隧道内各配电处均须可靠接地以及与电气设备的保护接地装置可靠连接，并与设在地面的2#配电点接地网连接，形成隧道总接地网。

4.4.2 隧道内安装安全监控系统

在隧道内安装1套安全监控系统，对掘进时的生产环境以及各主要生产设备运行状态实时监测，使相关人员能够及时了解掘进隧道内的环境状况，做到对各类灾害的提前预测，预防事故灾害的发生。

4.5 沼气抽排系统

为了安全施工以防万一，增设1套沼气抽排系统。在地面建立沼气抽排泵站，通过敷设的管路与盾构机的放气孔连接，并装设阀门和监控系统抽排掘进中的沼气。抽采沼气管路系统包括：支管、干管和抽采管路附属装置。抽采沼气管路规格均为D133×4.0 mm的无缝钢管，管路间及管路与管件间均采用法兰进行连接。

4.6 其他技术措施

4.6.1 加强盾尾密封

地层内沼气可由盾尾密封处缓慢泄入成型隧道内，因此盾构的盾尾密封效果对防止沼气进入隧道具有重要作用。若盾尾密封效果较差，会直接导致地层内沼气由盾尾进入隧道，对工程的施工安全以及进度造成严重影响。因此需要加强对盾尾的密封工作，确保盾尾内部油脂的密封效果达到要求。

4.6.2 加强管片拼装的质量控制措施

当管片在拼装过程中发生破损或者管片间止水条损坏，沼气会沿着破损处的裂隙进入隧道，因此管片拼装的质量也会对沼气防控产生影响。必须严格把控管片拼装工作,避免管片发生破损现象,加强管片拼装质量。

4.7 辅助措施

采用“克泥效”工法和特殊的同步注浆浆液，如图1所示，加强管片外侧填充物的防渗透能力，尽可能阻隔有害气体和隧道管片、盾构的盾尾密封直接接触，进一步防止沼气进入隧道。

图1 孔隙处注入克泥效

5 结束语

苏通 GIL 综合管廊工程盾构隧道自 2017 年 6 月28日始发开始推进施工，便进入有害气体地层，至2017年11月29日完成有害气体地层穿越，2018 年 8 月21日顺利贯通。盾构机在穿越有害地层期间，盾构机内部空气质量合格，甲烷(CH4)的浓度未达到0.5%，远远小于详勘中解释的甲烷浓度。

在有害气体地层掘进施工期间，针对盾构机进行的防爆改造措施针对性强，切实可行，经济合理，有效保证了有害气体地层掘进的安全和进度，在节约了工期的同时也确保了安全，这对在有害气体条件下保证工程的长期稳定和加快施工进度起到了非常重要的作用。

本文介绍的在有害气体条件下盾构机防爆改造措施和技术将很好地解决大直径泥水平衡盾构在有害气体地层中施工中的难题，可在有害气体条件下施工的大直径盾构隧道中应用，对保证大直径盾构安全和快速穿越有害气体地层具有良好的借鉴价值。