盾構法隧道施工地層中存在可燃氣體.doc

. . . .盾構法隧道施工地層中存在可燃氣體的施工技術李勝新 陳 宙 張 平 邢舒寧摘 要：結合西氣東輸二線錢塘江盾構工程實例，本文介紹了盾構法隧道施工中存在可燃氣體，增加施工了風險與施工難度，從施工管理、技術創(chuàng)新、優(yōu)化施工方案、防范措施等方面實現(xiàn)了有效控制與風險管理，保障了安全施工?，F(xiàn)將施工應對措施介紹如下：關鍵詞：盾構法隧道；可燃氣體；風險管理；技術創(chuàng)新1 前 言錢塘江盾構法隧道穿越工程，主要地層為淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)粘土與粉砂層。該地層的典型特征是含有大量古生物、植物群等有機物，在淤泥質(zhì)、粉質(zhì)粘土層中含有團狀氣包的形式存在。隨盾構機掘進致該部位時，可燃氣體氣包密封被破壞，可燃氣體被釋放出來，通過隧道管片環(huán)縫、盾尾密封刷間隙等部位，進入隧道內(nèi)部。當有害進入隧道內(nèi)將會造成中毒、窒息、爆燃等重大風險危害。2 工程概況2.1 概況及地質(zhì)條件西氣東輸二線錢塘江盾構工程是西氣東輸二線管道南昌上海支線控制性工程之一。在浙江省海寧市和杭州市蕭山區(qū)之間穿越錢塘江觀潮區(qū)（如圖1），采用盾構法施工，隧道穿越段水平長度3141m，隧道內(nèi)徑為3.08m，外徑為3.54m。圖1 穿越位置示意圖依據(jù)鉆探揭露及土體形成的地質(zhì)時代、成因、巖性、物理力學性質(zhì)等特性對場區(qū)的地層進行工程地質(zhì)分層，自上而下共分為8個主要地層，6個夾層。穿越主要風險為具有流塑特性的層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層和透水性較好的層粉質(zhì)粘土夾粉砂層（如圖2）。圖2 錢塘江盾構穿越主要穿越地層斷面圖2.2 地層存在可燃氣體的判斷依據(jù)根據(jù)西氣東輸二線管道工程錢塘江盾構隧道穿越巖土工程勘察報告，在勘察過程中鉆探發(fā)現(xiàn)有沼氣呈氣泡狀逸出，有少量冒氣現(xiàn)象，套管內(nèi)可聽見少量間歇性的水泡聲，孔內(nèi)水位較高，冒氣現(xiàn)象不明顯，當水位下降時，水泡聲明顯。在勘探過程中發(fā)現(xiàn)的淺層氣主要為零星沼氣（可燃氣體），表現(xiàn)為間歇性冒水泡狀，一般出氣量小。根據(jù)鉆探巖芯分析，貯氣層主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，含少量腐植物，具明顯泥腥臭，腐植物腐化產(chǎn)生的微量氣體經(jīng)地下水運行富集在孔隙含水層中，其主要成分是沼氣（可燃氣體），由于土層鉆孔壓力釋放造成氣體釋出現(xiàn)象。錢塘江盾構施工掘進至18522130米時，地質(zhì)主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。通過打開艙門中心球閥，使用便攜式氣體檢測儀檢測，發(fā)現(xiàn)CH4的濃度急劇上升，（如圖3），程噴出狀。圖3 可燃氣體檢測儀檢測出CH4含量3 害氣體地質(zhì)條件下施工風險分析相對于山體隧道、地鐵隧道而言，小斷面穿江隧道施工空間更小，地質(zhì)勘察、地質(zhì)預處理的施工難度更大。主要包括以下幾點：3.1 地質(zhì)勘察精確度降低對穿江盾構施工而言，在江面進行地質(zhì)勘察作業(yè)難度相對較大，目前的技術水平還有很大的局限性，地質(zhì)勘察精度降低，難以發(fā)現(xiàn)地層中埋藏淺含可燃氣體。在勘查中發(fā)現(xiàn)可燃氣體含量和種類，必須提高勘察水平。 3.2 預前減壓與排氣實施困難 針對非河流穿越可燃氣體地層，可以采用插管減壓法測定可燃氣體含量與位置，并實現(xiàn)預排放，達到降低其含量、壓力的目的。對于穿江隧道，在江面上進行插管排氣作業(yè)難度大。錢塘江盾構施工中，受錢塘江大潮的影響，無法進行插管排氣作業(yè)。3.3 受限空間作業(yè)，施工風險更大 小斷面盾構施工屬于受限空間作業(yè)，即使少量可燃氣體進入隧道，其濃度也會快速上升到爆炸范圍。另外應急物資配備、通風機布局等都受到空間限制，在發(fā)生人員中毒、窒息或爆燃事故，無法組織人員快速撤離，增加了施工風險。4 可燃氣體地層掘進措施針對可燃氣體地層盾構施工存在的巨大風險，項目在組建期間就應該給予高度重視，制定可行的施工方案和應急措施。施工中要從施工管理、技術創(chuàng)新、風險消減等多方面著手，加強隧道內(nèi)可燃氣體檢測、隧道和設備防水性能，風險控制與管理，消減可燃氣體地層的施工風險，確保人員生命財產(chǎn)安全。4.1 應對措施1）可燃氣體檢測儀器配備及完好性保證由于便攜式氣體檢測儀隨著環(huán)境變化具有不穩(wěn)定性，因此采用恰當?shù)谋O(jiān)測報警方法進行實時監(jiān)測顯得尤為重要。錢塘江盾構采用了固定式氣體監(jiān)測系統(tǒng)和便攜式氣體檢測儀相結合的檢測方式對掘進隧道進行全程監(jiān)控（圖4）。加強對盾尾、拖車尾部和隧道內(nèi)主要部位的檢測。確保第一時間發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)部可燃氣體、CO、氧氣和H2S等可燃氣體，方便員工及時了解周圍環(huán)境的狀況。監(jiān)控室監(jiān)控臺監(jiān)控主機DAB病、C圖4 隧道固定可燃氣體監(jiān)測報警系統(tǒng) 2）24小時專人不間斷多點監(jiān)測控制建立24小時巡檢制度，重點對主機內(nèi)、1#拖車操作臺、后部拖車、隧道內(nèi)部和豎井5個部位進行不間斷監(jiān)測，確保隧道空氣質(zhì)量達標，滿足施工要求。同時，加強對后部管片滲漏水點的監(jiān)測，做好監(jiān)測記錄和交接班記錄。一旦發(fā)現(xiàn)有可燃氣體泄漏，及時通報井下作業(yè)人員，并查清泄露點，采取封堵、強制通風等措施稀釋可燃氣體，將濃度控制在1%以下。3）明火管制隧道內(nèi)可燃氣體濃度嚴格控制在1%。同時加強安全作業(yè)管制，嚴禁明火與動火作業(yè)管制，是防止可燃氣體爆炸的有效手段。在施工中應加強井下明火管制措施，嚴禁井下吸煙和使用火柴、打火機、電氣焊等點火物品與作業(yè)。在沒有事先監(jiān)測的情況下，嚴禁從事電、氣焊等特種作業(yè)。如要進行動火作業(yè)必須有票證許可，規(guī)范作業(yè)程序。4）做好應急物資配備，進行人員培訓在井下配備防毒呼吸面罩、氧氣袋、擔架、消防器材和急救藥品、防水照明燈具等急救物資。防毒面罩要求至少可以供有氧呼吸1個小時，應急防水照明燈要求工作時間至少持續(xù)1小時。并對員工進行應急設備使用方法培訓和應急演練，確保出現(xiàn)問題后所有員工能夠做到自救和互救。同時做到定期對急救物資進行完好性檢查，確保所有應急物資都能夠正常使用。4.2 技術創(chuàng)新保證措施1）盾尾密封事前處理與改進 提高耐用壽命降低滲漏風險通過技術創(chuàng)新，對盾尾密封刷進行預處理和盾尾結構改造，添加橡膠保護套和應急橡膠密封，可以延長盾尾密封刷的使用壽命，提高密封效果。對盾尾結構的改造，在盾尾安裝兩道橡膠密封和一道充氣應急密封（如圖5），可以有效的防止可燃氣體隨地層水溢進隧道。橡膠密封的應用在川氣東送黃石盾構工程、九江長江盾構工程中使用都比較成功。在錢塘江盾構工程中該項改造技術使用效果更佳，創(chuàng)造了連續(xù)施工盾尾無一次滲漏水的記錄。 圖5 盾尾密封改造示意意圖2）用電設施采用防爆型，并進行完好性檢查在可燃氣體存在的環(huán)境中，電火花常常成為引起燃燒和爆炸的主要原因之一。為此在主機內(nèi)部采用防爆型插座、插頭、照明燈、線纜和接線盒。隧道內(nèi)部的電纜線與風管、水氣、泥漿管道分開布置，單獨安裝在隧道的左側，并且做到高壓線、低壓線、通訊線分開布置。施工過程中建立巡檢制度和定期檢查制度，班組電工堅持每天對用電設備進行檢查，并由電氣工程師負責對隧道線纜和用電設備進行完好性檢查，做好檢查記錄。3）24小時不間斷通風，做到抽排并用預防可燃氣體濃度防止爆燃的主要措施之一，是加強通風以降低可燃氣體濃度，使其在允許安全范圍之內(nèi)。因此采用兩套通風機，一用一備。通風設備采用隧道專用四級可調(diào)軸流風機。應根據(jù)隧道內(nèi)同時最多工作人數(shù)所需風量、防止可燃氣體聚集最小風速等規(guī)定計算風量，并保證隧道內(nèi)人均送風量不小于5m3/ 人min（工作風量），作業(yè)面風速不得低于0.25m/s。為促進隧道內(nèi)風流形成循環(huán)，在考慮通風的同時同時采用排風措施，達到隧道內(nèi)風流循環(huán)的目的。并配備了應急照明燈和備用發(fā)電機，確保隧道用電正常。4.3 優(yōu)化施工方案措施1）掘進姿態(tài)控制嚴格控制盾構姿態(tài)，嚴禁進行急劇糾偏，從而導致盾尾間隙不均勻，導致盾尾密封失效，從而形成盾尾間隙，形成滲漏水和可燃氣體通過盾尾間隙涌進隧道內(nèi)部。2）保證拼裝質(zhì)量在進行管片拼裝作業(yè)前進行管片外觀檢查，確保管片無貫穿裂縫，無大于0.3mm寬的裂縫及混凝土剝落現(xiàn)象。拼裝時將管片錯臺控制在允許范圍內(nèi)，如果管片錯臺過大，要拆除重新拼裝，堅決杜絕因拼裝質(zhì)量差導致地層和隧道間出現(xiàn)貫穿裂縫。在管片拼裝時必須保護防水材料不被破壞，并嚴防脫槽、扭曲和移位現(xiàn)象的發(fā)生。如發(fā)現(xiàn)防水材料損壞，輕則修補、重則重新調(diào)換，以確保管片接縫防水質(zhì)量；管片局部破損處要及時修補。3）優(yōu)化漿液配比，控制注漿質(zhì)量為確保注漿質(zhì)量，通過模擬地層狀況，進行注漿試驗，調(diào)整、優(yōu)化漿液配比。采用同步注漿、后期補漿相結合的方式，將管片與地層之間的空隙填充密實。同時采用雙液注漿、化學注漿等先進堵漏工藝封堵管片環(huán)、縱縫滲漏水點，防止可燃氣體隨著地層水進入隧道。5 結 語錢塘江盾構掘進施工自2010年6月開始，貫通于2011年5月13日，歷時341天。整個施工過程中對可燃氣體的監(jiān)控，采取定點固定與手持移動式二種檢測方法，由專人負責檢測，填寫表格，定期進行應急物資和設備檢查，持續(xù)開展培訓和應急演練，最終實現(xiàn)了安全生產(chǎn)零傷害、零污染、零事故的目標。結合本工程的施工經(jīng)驗，筆者認為盾構施工中人的不安全行為是引發(fā)安全事故的主要根源，施工人員對可燃氣體的忽視是最大的安全隱患，所以必須重視人的管理，通過標準化、規(guī)范化管理制度，消減可燃氣體對盾構施工帶來的危害。參考文獻1 熊衛(wèi)兵, 石長禮, 周新權. 軟土地區(qū)盾構越江隧道地質(zhì)災害風險分析. 2009 - 03 - 092 周少東夏銀飛杜先照陶文濤.地鐵盾構隧道穿越可燃氣體地層的施工技術. 武漢地鐵集團有限公司. 2008 - 07 10作者簡介李勝新，（1957-），男，漢族，中國石油天然氣管道局西氣東輸二線錢塘江盾構工程項目經(jīng)理，高級工程師，經(jīng)理助理 從事盾構施工技術與管理工作。TelEmail: 1. 若不給自己設限，則人生中就沒有限制你發(fā)揮的藩籬。2. 若不是心寬似海，哪有人生風平浪靜。在紛雜的塵世里，為自己留下一片純靜的心靈空間，不管是潮起潮落，也不管是陰晴圓缺，你都可以免去浮躁，義無反顧，勇往直前，輕松自如地走好人生路上的每一步3. 花一些時