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盾構(gòu)隧道穿越沼氣地層風(fēng)險識別與控制

文檔作者：梁立岡林興貴駱漢賓文檔來源：華中科技大學(xué)		點擊數(shù)：	更新時間： 2020年11月30日
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第32卷第1期
2015年3月
土木工程與管理學(xué)報
Journal of Civil Engineering and Management
Vo1．32 No．1
Mar．2015
盾構(gòu)隧道穿越沼氣地層風(fēng)險識別與控制
梁立岡 ， 林興貴， 駱漢賓
(華中科技大學(xué)工程管理研究所，湖北武漢430074)
摘要：為解決盾構(gòu)隧道穿越沼氣地層時由于沼氣處理不當(dāng)而發(fā)生安全事故，本文提出了盾構(gòu)隧道穿越沼氣地
層的“事前、事中和事后”三層風(fēng)險識別與控制體系。探討了地質(zhì)勘探中沼氣來源與風(fēng)險識別流程，進而通過
分析盾構(gòu)機的掘進速度、出土量與地層中賦存沼氣的相互關(guān)系，確立了判定沼氣等級的計算公式。建立了沼氣
監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)地論述了沼氣隧道施工中對于施工技術(shù)等方面的要求與實現(xiàn)路徑。制訂了詳細的應(yīng)急預(yù)案響
應(yīng)機制以保證盾構(gòu)施工的安全。以武漢地鐵2號線漢一范區(qū)間為例，驗證了該技術(shù)體系的應(yīng)用效果。結(jié)果表
明，該技術(shù)體系能夠?qū)Χ軜?gòu)沼氣地層進行有效的風(fēng)險識別與控制，并幫助改進施工技術(shù)方案，保證了該盾構(gòu)隧
道零安全事故的順利貫通，為后續(xù)類似沼氣地層的盾構(gòu)施工提供了重要借鑒。
關(guān)鍵詞：盾構(gòu)； 沼氣地層； 風(fēng)險識別； 實時監(jiān)測； 風(fēng)險控制
中圖分類號：U455．43 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-0985(2015)01~0065-07
Research on Identification and Control Technology
for Shield Tunnel crossing Biogas Layer
LIANG Li—gc g LIN X 1g-gui，LUO Han-bin
(Institute of Construction Management，Huazhong University of Science and Technology，
Wuhan 430074，China)
Abstract：In order to prevent safety accidents in shield tunnel crossing biogas layer according to
improper handling of biogas，the risk identification and control technology for shield tunnel crossing
biogas layer is established，which consists of three layers：pre-control，in—control and ex—contro1．
Firstly，it discussed the risk identification process and criteria of geological exploration in shield tunne1．
Then，the formulas for determ ining biogas level is established for providing a quantitative criterion of
risk control level of biogas，which is due to analyze the interrelation of the speed of shield tunneling
machine，the amount of unearthed and the concentration of biogas in formation． Secondly，a gas
monitoring system in line with the actual needs is established，and systematically discussed the
requirements and implementation path of ventilation，construction technology ，et a1．in biogas-tunnel
construction．At the same time，a detailed contingency plan is developed to ensure the safety of shield
construction．Finally，it illustrated the effect of the technology in Han—Fan interval of W uhan Metro
Line 2． The results show that the technology can effectively／identify， monitor and improve the
construction program，ensured the shield tunnel passed through without any security incidents． It
provides an important reference for the subsequent shield construction projects crossing biogas layer．
Key words：shield tunnel；biogas layer；risk identification；real—time monitoring；risk controlling
盾構(gòu)隧道施工環(huán)境復(fù)雜多變，一方面無法進
行全面的地質(zhì)勘探，以全方位掌握盾構(gòu)穿越區(qū)域
收稿日期：
作者簡介：
通訊作者：
基金項目：
地質(zhì)條件；另一方面施工現(xiàn)場不可預(yù)測因素較多。
這些因素決定了盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險識別與控制的
2014-124)1 修回日期：2015-01-27
梁立剛(1973一)，男，吉林吉林人，高級工程師，研究方向為軌道交通安全管理(Email：lcm1998@sina．con)
林興貴(1990一)，男，福建泉州人，碩士研究生，研究方向為工程管理信息化(Email：506083186@qq．com)
國家自然科學(xué)基金(51408245)
· 66· 土木工程與管理學(xué)報 2015年
重要性，為此我國《盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范》
(GB 50446—2008)第12．0．8款規(guī)定了“施工作業(yè)
環(huán)境氣體必須符合以下規(guī)定：(1)空氣中氧氣含
量不得小于20％ ；(2)瓦斯?jié)舛葢?yīng)小于0．75％ ；
(3)一氧化碳、二氧化碳和氮氧化物等有害氣體
濃度分別不得超過30 mg／m 、0．5％(按體積計)
和5 mg／m (換算成二氧化氮)。上海市《地鐵隧
道工程盾構(gòu)施工技術(shù)規(guī)范》(DG／TJ08．2041—
2008)第9．9．3款規(guī)定：“穿越沼氣地層或含氣層
時，必須設(shè)置有害氣體監(jiān)測儀器并加強監(jiān)測，對沼
氣等有害氣體濃度大于安全標(biāo)準(zhǔn)的，必須停止推
進，采取隧道內(nèi)通風(fēng)和隧道開挖面外鉆孔放氣等
措施”。然而，在實際盾構(gòu)施工中仍然發(fā)生了嚴
重的安全事故，如廣州市地鐵6號線盾構(gòu)掘進過
程中開倉換刀時，由于沼氣意外突發(fā)造成2人死
亡；昆明市地鐵2號線施工過程中，由于挖破富含
甲烷等有毒氣體的土體，導(dǎo)致有毒氣體外溢，造成
1人死亡，2人受傷。因此，對于穿越復(fù)雜地質(zhì)環(huán)
境(如瓦斯／沼氣地層)的盾構(gòu)隧道，應(yīng)建立科學(xué)
的沼氣識別與監(jiān)測系統(tǒng)、優(yōu)化施工技術(shù)、建立健全
應(yīng)急預(yù)案響應(yīng)機制，對保證盾構(gòu)隧道的安全施工
具有重要作用。
為了應(yīng)對盾構(gòu)隧道穿越有害氣體蘊藏層可能
帶來的施工風(fēng)險，目前主要借鑒煤礦瓦斯防治的
研究成果與經(jīng)驗，如采用定向鉆井技術(shù)實現(xiàn)瓦斯
抽放與控制 ；研發(fā)基于傳感器回路的瓦斯監(jiān)測
系統(tǒng)以監(jiān)測瓦斯含量、空間域并自動選擇適當(dāng)通
風(fēng)措施 ；構(gòu)建基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)來處
理、存儲、傳感和監(jiān)測環(huán)境中瓦斯的層次模型及其
系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集與高檢測精度、及時響
應(yīng) ；創(chuàng)立“預(yù)抽”方法來針對預(yù)測的不同瓦斯涌
出量制定相應(yīng)的通風(fēng)系統(tǒng)，以提高氣體排放效
率 ；以及通過采取詳盡的前期地質(zhì)勘探與瓦斯
監(jiān)測來進行控制 。如唐益群 等系統(tǒng)地說
明了不同地質(zhì)條件下沼氣的產(chǎn)出與分布特征，并
進行詳細的沼氣等級分區(qū)說明；林文書 等重點
闡述了盾構(gòu)穿越瓦斯地層施工中對于盾構(gòu)出土、
盾尾密封、同步注漿等方面的技術(shù)優(yōu)化；周少
東 等著重論述了瓦斯地層中勘探要求及瓦斯
地層中修筑隧道的風(fēng)險因素與風(fēng)險源，并針對性
地提出了一整套盾構(gòu)掘進技術(shù)方法；陳慧芳 。。等
針對盾構(gòu)穿越淤泥質(zhì)軟土沼氣地層時，系統(tǒng)地說
明了施工前沼氣排放技術(shù)原理、標(biāo)準(zhǔn)與工藝要求，
并建立了相應(yīng)的沼氣監(jiān)測系統(tǒng)。這些研究主要在
煤礦瓦斯監(jiān)測、瓦斯地質(zhì)勘探、盾構(gòu)掘進技術(shù)優(yōu)化
與沼氣排放等方面進行了較為單一的分析，而對
于如何實現(xiàn)盾構(gòu)施工“事前、事中和事后”集成控
制的研究不足。本文將綜合考慮盾構(gòu)全過程的風(fēng)
險識別與控制要素，集成于統(tǒng)一的信息平臺，實時
全方位管控盾構(gòu)施工環(huán)境，并及時進行預(yù)警。
通過分析已有關(guān)于富含瓦斯／沼氣地層的研
究，本文建立了完善的瓦N／沼氣地質(zhì)勘查風(fēng)險識
別清單，結(jié)合盾構(gòu)施工沼氣監(jiān)測技術(shù)與優(yōu)化施工
技術(shù)，構(gòu)建詳實的應(yīng)急預(yù)案響應(yīng)機制，將沼氣識別
與控制貫穿到盾構(gòu)施工的全過程，以更好地預(yù)防
盾構(gòu)施工沼氣中毒等安全事故的發(fā)生，形成一整
套完整的盾構(gòu)穿越沼氣地層風(fēng)險識別與控制技術(shù)
體系。
1 沼氣地層風(fēng)險識別與判定
1．1 沼氣地質(zhì)勘探風(fēng)險識別
淺層沼氣的形成需三個必要條件：(1)豐富
的有機物；(2)相對密封的地質(zhì)環(huán)境；(3)地層具
有一定的儲藏空間_l 。淺層沼氣主要埋藏于全
新統(tǒng)早期沖擊相沉積層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及下伏的
晚更新統(tǒng)海相沉積層粉細砂中。淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土
層富含云母、貝殼等有機質(zhì)和腐殖質(zhì)，是良好的
“氣源層”，又是合適的“蓋層”；粉細砂粒徑相對
較大，空隙率較高，是良好的“儲氣層”ll 。同時，
沼氣在砂層中以囊體的形式貯存，具有不均勻性，
氣壓不同，土孔隙被水、氣填充形式亦存在差異，
據(jù)此可將貯存沼氣的砂性土層分為水封閉帶、雙
連通帶、氣封閉帶和承壓飽水帶等四個帶。
綜上所述，為了在地質(zhì)勘探中能夠準(zhǔn)確探明
地鐵盾構(gòu)隧道沿線是否含有淺層沼氣，根據(jù)沼氣
形成原因，需要重點對于在勘探中證實隧道沿線
有淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、江湖底淤泥、灘涂和煤層的任
一種地質(zhì)情況進行取樣分析，即進行現(xiàn)場沼氣測
算與鑒定。同時，由于沼氣的最主要成分是甲烷
和二氧化碳，分別占60％ 一70％和30％ 一40％ ，
而硫化氫、氧氣總量不超過5％ 13]，因此選擇以
甲烷的濃度來判定盾構(gòu)隧道是否穿越沼氣地層。
但是我國目前沒有針對土壤及地下水中甲烷濃度
測定與評價的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，故采用美國地表采礦復(fù)
墾與執(zhí)行辦公室制定的技術(shù)方法規(guī)范來進行測
定，該規(guī)范適用于任何在開發(fā)進程中發(fā)現(xiàn)淺層沼
氣場地的風(fēng)險評價及應(yīng)對不同甲烷濃度的響應(yīng)機
制 ，具體如下。
(1)地下水中溶解甲烷的濃度小于10 mg／L，
不需要對已制定的盾構(gòu)方案及技術(shù)進行重新編
制，但需進行定時監(jiān)測以確保安全。
第1期 梁立剛等：盾構(gòu)隧道穿越沼氣地層風(fēng)險識別與控制 ‘67·
(2)地下水中溶解甲烷的濃度在1O一28
mg／L，表明地下水中不僅存在甲烷而且甲烷可能
會慢慢積累，濃度逐漸升高。此情況下，需要發(fā)出
預(yù)警，尤其在施工中要進行嚴密監(jiān)控，適當(dāng)修改施
工方案及技術(shù)要求，以預(yù)防甲烷濃度超出安全范
圍。
(3)地下水中溶解甲烷的濃度超過28 mg／L，
表明地下水中釋放出的甲烷在密閉空間、井下或
隧道內(nèi)可能會發(fā)生爆炸或燃燒。在此情況下，設(shè)
計、施工、監(jiān)理等各方面都要嚴格按照編制的盾構(gòu)
穿越沼氣／瓦斯地層施工方案及技術(shù)進行操作，預(yù)
防安全事故的發(fā)生。
綜合上述評判標(biāo)準(zhǔn)，在實際盾構(gòu)隧道地質(zhì)勘
探中可依照如下沼氣地質(zhì)勘探風(fēng)險識別流程來進
行判定，為后期設(shè)計、施工及監(jiān)理等提供早期預(yù)
警，以便制定、選擇切合工程實際的設(shè)計、施工方
案，如圖1所示。
圖1 淺層沼氣地質(zhì)勘探風(fēng)險識別流程
1．2 盾構(gòu)前沼氣隧道等級判定
沼氣地質(zhì)勘探風(fēng)險識別為后期盾構(gòu)隧道穿越
沼氣地層提供了早期預(yù)警，而沼氣隧道等級評定
則是作為穿越沼氣地層隧道施工前安全等級評判
與安全準(zhǔn)備的基礎(chǔ)。根據(jù)已有研究，以隧道內(nèi)單
位時間沼氣涌出量為判定沼氣隧道等級的關(guān)鍵參
數(shù)。同時參照TB10120-2002(鐵路瓦斯隧道技術(shù)
規(guī)范》，并結(jié)合盾構(gòu)工法特點對盾構(gòu)掘進過程中
的沼氣涌出量的計算方法與公式進行系統(tǒng)研究，
確定判定沼氣隧道等級的計算公式，從而實現(xiàn)相
應(yīng)的沼氣盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險控制。
由于盾構(gòu)機與隧道襯砌管片相結(jié)合而形成一
個封閉的殼體，從而將隧道內(nèi)外阻隔；且地層中沼
氣主要是隨渣土進入隧道，而監(jiān)測表明從盾尾、鉸
接、管片接縫滲入隧道內(nèi)的沼氣可以忽略不計。
綜上，沼氣涌入隧道內(nèi)的速度是由掘進出土的速
度、量、土層沼氣含量和氣壓決定，因此可得到隧
道中沼氣外溢量Q(m ／min)的計算公式，如式
(i)所示：
Q= ×10 SA P (1)
式中： 為掘進速度(mm／min)；Js為隧道掘進斷面
面積(m )；A為考慮盾尾及成型隧道溢出一定量
的有害氣體的安全系數(shù)；K為考慮到地層中土體
沼氣釋放系數(shù)不同及釋放的不均勻性設(shè)置的沼氣
涌出系數(shù)； 為砂性土層孔隙率(％)；P為實測最
大沼氣壓力值(MPa)；P 為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(MPa)。
2 盾構(gòu)穿越沼氣地層關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計
通過前期勘探識別盾構(gòu)隧道是否穿越沼氣地
層及盾構(gòu)施工前沼氣等級判定，實現(xiàn)了盾構(gòu)隧道
穿越沼氣地層的“事前控制”。然而，施工過程中
對于沼氣的監(jiān)測、施工技術(shù)優(yōu)化等“事中控制”和
制定詳實完整的應(yīng)急預(yù)案響應(yīng)機制等“事后控
制”同樣需要進行系統(tǒng)構(gòu)建并應(yīng)用。
2．1 沼氣監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計
為了保證施工過程中關(guān)于沼氣監(jiān)測的實時、
準(zhǔn)確，采用自動監(jiān)測和人工監(jiān)測相結(jié)合的方案來
組建沼氣監(jiān)測系統(tǒng)。關(guān)于自動監(jiān)測，在螺旋輸送
機出土口、盾構(gòu)機車架、土倉倉門、易引起沼氣積
聚點處、各臺車及隧道內(nèi)每隔150 m各布設(shè)一個
甲烷監(jiān)測儀，并且在盾構(gòu)機上布置一氧化碳、硫化
氫監(jiān)測儀各三個，隧道內(nèi)每隔150 ITI各布設(shè)一個
一氧化碳、硫化氫監(jiān)測儀；其中甲烷監(jiān)測儀報警值
為0．5％ ，斷電值為1％ ；一氧化碳上控值為24
ppm，上限值為25 ppm；硫化氫上控值為9 ppm，
上限值為10 ppm；并布設(shè)自動監(jiān)測及報警網(wǎng)絡(luò)，
對工作面處沼氣濃度進行實時監(jiān)測，盾構(gòu)機上監(jiān)
測儀布置如圖2所示。對于人工監(jiān)測，監(jiān)測點按
照出土口、通風(fēng)死角處、大型電機處需布設(shè)的原則
進行安排。在洞內(nèi)設(shè)專人定時監(jiān)測，確保在含低
沼氣地層中盾構(gòu)施工的絕對安全；對于進入現(xiàn)場
的專業(yè)監(jiān)測人員和關(guān)鍵人員，要人手一部便攜式
監(jiān)測設(shè)備，以對隧道內(nèi)各處進行實時的沼氣濃度
監(jiān)測，同時將監(jiān)測數(shù)據(jù)同步上傳至地面的沼氣監(jiān)
測辦公室，進行數(shù)據(jù)存儲與分析，切實在沼氣濃度
刀盤 盾構(gòu)推進機 螺旋輸送機 輔助、操作區(qū)／監(jiān)控室
曩 ◇甲烷監(jiān)測儀 一氧化碳監(jiān)測儀 。硫化氫監(jiān)測儀
圖2 沼氣監(jiān)測儀布置
· 68· 土木工程與管理學(xué)報
超出安全值之前，能第一時間發(fā)出沼氣預(yù)警并進
行應(yīng)急響應(yīng)，實現(xiàn)對隧道內(nèi)沼氣的24小時不間斷
監(jiān)測，防止安全事故發(fā)生。
2．2 隧道施工通風(fēng)與施工技術(shù)優(yōu)化
通風(fēng)是盾構(gòu)沼氣隧道施工的關(guān)鍵，根據(jù)已有
鐵路隧道施工通風(fēng)成功方案，采用壓入式通風(fēng)方
案能夠較好地保證隧道內(nèi)沼氣在短時間內(nèi)迅速排
放到外部空間，使得隧道內(nèi)沼氣濃度保持在安全
值以下，通風(fēng)方案如圖3所示。
圖3 通風(fēng)機布置
在實現(xiàn)上述通風(fēng)設(shè)計的同時，需要對原有盾
構(gòu)施工技術(shù)做出相應(yīng)的技術(shù)優(yōu)化，以保證整體施
工技術(shù)與監(jiān)測能夠同步發(fā)揮作用，切實保證盾構(gòu)
施工的安全、順利推進。具體施工技術(shù)優(yōu)化為：
(i)加強盾尾油脂注入；(2)控制管片拼裝質(zhì)量；
(3)增設(shè)管片及盾尾密封；(4)掘進中姿態(tài)控制；
(5)渣土改良；(6)加強螺旋出土口沼氣監(jiān)測。
2．3 盾構(gòu)機適應(yīng)性及防爆改造
在實現(xiàn)盾構(gòu)隧道內(nèi)沼氣實時監(jiān)測與建立良好
的通風(fēng)系統(tǒng)下，從源頭減少沼氣溢出濃度是保證
盾構(gòu)施工安全進行的重要因素。針對工程實際需
要，為最大程度控制盾構(gòu)源頭處沼氣溢出濃度，提
出如下幾點措施：
(1)改造風(fēng)機出風(fēng)口端風(fēng)管，設(shè)置一個分流
管對準(zhǔn)螺旋輸送機出土口處通風(fēng)，在沼氣氣體涌
出的瞬間對其進行稀釋，使沼氣濃度降至0．25％
以下；
(2)螺旋輸送機出土口設(shè)置一通風(fēng)管至設(shè)置
的離心風(fēng)機處，離心風(fēng)機強行抽取出土口溢出的
沼氣，由離心風(fēng)管引導(dǎo)稀釋后排出隧道外。
(3)對電器設(shè)備(包括防爆型動力箱、防爆三
級控制箱、防爆日光燈、防爆漏電插銷等)進行改
造，并對各電器設(shè)備接頭進行防暴處理。
2．4 應(yīng)急預(yù)案響應(yīng)
為了應(yīng)對可能發(fā)生的沼氣中毒／爆炸等安全
事故的發(fā)生，需要制定完善、詳實的應(yīng)急預(yù)案響應(yīng)
機制。同時，也可進一步規(guī)范安全事故應(yīng)急預(yù)案
管理與響應(yīng)程序，明確職責(zé)，及時、科學(xué)、準(zhǔn)確地指
揮、協(xié)調(diào)應(yīng)急救援，最大限度地減少事故造成的人
員傷亡與工程損失。首先，從組織角度需要構(gòu)建
以工程項目部為主體，建設(shè)與監(jiān)理單位共同參與
的應(yīng)急處置指揮部，并設(shè)立明確的職能分工小組
(圖4)，以保證一旦事故發(fā)生，即可通過完善的組
織結(jié)構(gòu)將危害造成的負面影響降低到最低值。
—：二= ￡生4= ====_
I 應(yīng)急處置指揮部 I
圖4 應(yīng)急響應(yīng)組織構(gòu)成
其次，從過程角度構(gòu)建系統(tǒng)的應(yīng)急響應(yīng)流程
(圖5)，即明確流程各階段所需完成的任務(wù)與職
責(zé)，保證現(xiàn)場救援有組織、有輕重和有針對性，力
爭應(yīng)急響應(yīng)在第一時間發(fā)揮作用，最大限度地降
低危害的不良影響。
纛 ： >———
圖5 應(yīng)急響應(yīng)流程
2．5 建立三層風(fēng)險識別與控制體系
綜上所述，構(gòu)建盾構(gòu)隧道穿越沼氣地層的
“事前控制、事中控制和事后控制”三層風(fēng)險識別
與控制體系?；趯Φ刭|(zhì)勘探過程中地質(zhì)情況的
判斷與甲烷含量測定方法的選擇，確立了地質(zhì)勘
探中沼氣來源與識別流程，進而分析盾構(gòu)機的掘
進速度、出土量與地層中賦存沼氣的相互關(guān)系，確
立判定沼氣等級的計算公式，為沼氣隧道等級判
定與設(shè)計、施工方案選擇提供科學(xué)依據(jù)，即“事前
控制”；在施工過程中，建立沼氣監(jiān)測系統(tǒng)，實時
勤障善工組
后保與后作
綜合協(xié)調(diào)組
技術(shù)專家組
醫(yī)療救護組
現(xiàn)場搶險組
一一一一一
翟 一一一

第1期 梁立剛等：盾構(gòu)隧道穿越沼氣地層風(fēng)險識別與控制 ·71·
全順利貫通，填補了國內(nèi)地鐵工程使用土壓平衡
式盾構(gòu)機掘進沼氣地層的空白，積累了大量的第
一手資料，探索出了盾構(gòu)穿越沼氣地層的成功施
工經(jīng)驗，為后續(xù)類似沼氣地層的盾構(gòu)掘進提供了
重要理論依據(jù)和工程應(yīng)用價值，具有重要意義。
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