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盾构隧道穿越沼气地层风险识别与控制

文档作者：梁立冈林兴贵骆汉宾文档来源：华中科技大学		点击数：	更新时间： 2020年11月30日
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第32卷第1期
2015年3月
土木工程与管理学报
Journal of Civil Engineering and Management
Vo1．32 No．1
Mar．2015
盾构隧道穿越沼气地层风险识别与控制
梁立冈 ， 林兴贵， 骆汉宾
(华中科技大学工程管理研究所，湖北武汉430074)
摘要：为解决盾构隧道穿越沼气地层时由于沼气处理不当而发生安全事故，本文提出了盾构隧道穿越沼气地
层的“事前、事中和事后”三层风险识别与控制体系。探讨了地质勘探中沼气来源与风险识别流程，进而通过
分析盾构机的掘进速度、出土量与地层中赋存沼气的相互关系，确立了判定沼气等级的计算公式。建立了沼气
监测系统，系统地论述了沼气隧道施工中对于施工技术等方面的要求与实现路径。制订了详细的应急预案响
应机制以保证盾构施工的安全。以武汉地铁2号线汉一范区间为例，验证了该技术体系的应用效果。结果表
明，该技术体系能够对盾构沼气地层进行有效的风险识别与控制，并帮助改进施工技术方案，保证了该盾构隧
道零安全事故的顺利贯通，为后续类似沼气地层的盾构施工提供了重要借鉴。
关键词：盾构； 沼气地层； 风险识别； 实时监测； 风险控制
中图分类号：U455．43 文献标识码：A 文章编号：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
盾构隧道施工环境复杂多变，一方面无法进
行全面的地质勘探，以全方位掌握盾构穿越区域
收稿日期：
作者简介：
通讯作者：
基金项目：
地质条件；另一方面施工现场不可预测因素较多。
这些因素决定了盾构隧道施工风险识别与控制的
2014-124)1 修回日期：2015-01-27
梁立刚(1973一)，男，吉林吉林人，高级工程师，研究方向为轨道交通安全管理(Email：lcm1998@sina．con)
林兴贵(1990一)，男，福建泉州人，硕士研究生，研究方向为工程管理信息化(Email：506083186@qq．com)
国家自然科学基金(51408245)
· 66· 土木工程与管理学报 2015年
重要性，为此我国《盾构法隧道施工与验收规范》
(GB 50446—2008)第12．0．8款规定了“施工作业
环境气体必须符合以下规定：(1)空气中氧气含
量不得小于20％ ；(2)瓦斯浓度应小于0．75％ ；
(3)一氧化碳、二氧化碳和氮氧化物等有害气体
浓度分别不得超过30 mg／m 、0．5％(按体积计)
和5 mg／m (换算成二氧化氮)。上海市《地铁隧
道工程盾构施工技术规范》(DG／TJ08．2041—
2008)第9．9．3款规定：“穿越沼气地层或含气层
时，必须设置有害气体监测仪器并加强监测，对沼
气等有害气体浓度大于安全标准的，必须停止推
进，采取隧道内通风和隧道开挖面外钻孔放气等
措施”。然而，在实际盾构施工中仍然发生了严
重的安全事故，如广州市地铁6号线盾构掘进过
程中开仓换刀时，由于沼气意外突发造成2人死
亡；昆明市地铁2号线施工过程中，由于挖破富含
甲烷等有毒气体的土体，导致有毒气体外溢，造成
1人死亡，2人受伤。因此，对于穿越复杂地质环
境(如瓦斯／沼气地层)的盾构隧道，应建立科学
的沼气识别与监测系统、优化施工技术、建立健全
应急预案响应机制，对保证盾构隧道的安全施工
具有重要作用。
为了应对盾构隧道穿越有害气体蕴藏层可能
带来的施工风险，目前主要借鉴煤矿瓦斯防治的
研究成果与经验，如采用定向钻井技术实现瓦斯
抽放与控制 ；研发基于传感器回路的瓦斯监测
系统以监测瓦斯含量、空间域并自动选择适当通
风措施 ；构建基于无线传感器网络(WSN)来处
理、存储、传感和监测环境中瓦斯的层次模型及其
系统，实现数据的实时采集与高检测精度、及时响
应 ；创立“预抽”方法来针对预测的不同瓦斯涌
出量制定相应的通风系统，以提高气体排放效
率 ；以及通过采取详尽的前期地质勘探与瓦斯
监测来进行控制 。如唐益群 等系统地说
明了不同地质条件下沼气的产出与分布特征，并
进行详细的沼气等级分区说明；林文书 等重点
阐述了盾构穿越瓦斯地层施工中对于盾构出土、
盾尾密封、同步注浆等方面的技术优化；周少
东 等着重论述了瓦斯地层中勘探要求及瓦斯
地层中修筑隧道的风险因素与风险源，并针对性
地提出了一整套盾构掘进技术方法；陈慧芳 。。等
针对盾构穿越淤泥质软土沼气地层时，系统地说
明了施工前沼气排放技术原理、标准与工艺要求，
并建立了相应的沼气监测系统。这些研究主要在
煤矿瓦斯监测、瓦斯地质勘探、盾构掘进技术优化
与沼气排放等方面进行了较为单一的分析，而对
于如何实现盾构施工“事前、事中和事后”集成控
制的研究不足。本文将综合考虑盾构全过程的风
险识别与控制要素，集成于统一的信息平台，实时
全方位管控盾构施工环境，并及时进行预警。
通过分析已有关于富含瓦斯／沼气地层的研
究，本文建立了完善的瓦N／沼气地质勘查风险识
别清单，结合盾构施工沼气监测技术与优化施工
技术，构建详实的应急预案响应机制，将沼气识别
与控制贯穿到盾构施工的全过程，以更好地预防
盾构施工沼气中毒等安全事故的发生，形成一整
套完整的盾构穿越沼气地层风险识别与控制技术
体系。
1 沼气地层风险识别与判定
1．1 沼气地质勘探风险识别
浅层沼气的形成需三个必要条件：(1)丰富
的有机物；(2)相对密封的地质环境；(3)地层具
有一定的储藏空间_l 。浅层沼气主要埋藏于全
新统早期冲击相沉积层淤泥质粉质黏土及下伏的
晚更新统海相沉积层粉细砂中。淤泥质粉质黏土
层富含云母、贝壳等有机质和腐殖质，是良好的
“气源层”，又是合适的“盖层”；粉细砂粒径相对
较大，空隙率较高，是良好的“储气层”ll 。同时，
沼气在砂层中以囊体的形式贮存，具有不均匀性，
气压不同，土孔隙被水、气填充形式亦存在差异，
据此可将贮存沼气的砂性土层分为水封闭带、双
连通带、气封闭带和承压饱水带等四个带。
综上所述，为了在地质勘探中能够准确探明
地铁盾构隧道沿线是否含有浅层沼气，根据沼气
形成原因，需要重点对于在勘探中证实隧道沿线
有淤泥质粉质粘土、江湖底淤泥、滩涂和煤层的任
一种地质情况进行取样分析，即进行现场沼气测
算与鉴定。同时，由于沼气的最主要成分是甲烷
和二氧化碳，分别占60％ 一70％和30％ 一40％ ，
而硫化氢、氧气总量不超过5％ 13]，因此选择以
甲烷的浓度来判定盾构隧道是否穿越沼气地层。
但是我国目前没有针对土壤及地下水中甲烷浓度
测定与评价的规范标准，故采用美国地表采矿复
垦与执行办公室制定的技术方法规范来进行测
定，该规范适用于任何在开发进程中发现浅层沼
气场地的风险评价及应对不同甲烷浓度的响应机
制 ，具体如下。
(1)地下水中溶解甲烷的浓度小于10 mg／L，
不需要对已制定的盾构方案及技术进行重新编
制，但需进行定时监测以确保安全。
第1期 梁立刚等：盾构隧道穿越沼气地层风险识别与控制 ‘67·
(2)地下水中溶解甲烷的浓度在1O一28
mg／L，表明地下水中不仅存在甲烷而且甲烷可能
会慢慢积累，浓度逐渐升高。此情况下，需要发出
预警，尤其在施工中要进行严密监控，适当修改施
工方案及技术要求，以预防甲烷浓度超出安全范
围。
(3)地下水中溶解甲烷的浓度超过28 mg／L，
表明地下水中释放出的甲烷在密闭空间、井下或
隧道内可能会发生爆炸或燃烧。在此情况下，设
计、施工、监理等各方面都要严格按照编制的盾构
穿越沼气／瓦斯地层施工方案及技术进行操作，预
防安全事故的发生。
综合上述评判标准，在实际盾构隧道地质勘
探中可依照如下沼气地质勘探风险识别流程来进
行判定，为后期设计、施工及监理等提供早期预
警，以便制定、选择切合工程实际的设计、施工方
案，如图1所示。
图1 浅层沼气地质勘探风险识别流程
1．2 盾构前沼气隧道等级判定
沼气地质勘探风险识别为后期盾构隧道穿越
沼气地层提供了早期预警，而沼气隧道等级评定
则是作为穿越沼气地层隧道施工前安全等级评判
与安全准备的基础。根据已有研究，以隧道内单
位时间沼气涌出量为判定沼气隧道等级的关键参
数。同时参照TB10120-2002(铁路瓦斯隧道技术
规范》，并结合盾构工法特点对盾构掘进过程中
的沼气涌出量的计算方法与公式进行系统研究，
确定判定沼气隧道等级的计算公式，从而实现相
应的沼气盾构隧道施工风险控制。
由于盾构机与隧道衬砌管片相结合而形成一
个封闭的壳体，从而将隧道内外阻隔；且地层中沼
气主要是随渣土进入隧道，而监测表明从盾尾、铰
接、管片接缝渗入隧道内的沼气可以忽略不计。
综上，沼气涌入隧道内的速度是由掘进出土的速
度、量、土层沼气含量和气压决定，因此可得到隧
道中沼气外溢量Q(m ／min)的计算公式，如式
(i)所示：
Q= ×10 SA P (1)
式中： 为掘进速度(mm／min)；Js为隧道掘进断面
面积(m )；A为考虑盾尾及成型隧道溢出一定量
的有害气体的安全系数；K为考虑到地层中土体
沼气释放系数不同及释放的不均匀性设置的沼气
涌出系数； 为砂性土层孔隙率(％)；P为实测最
大沼气压力值(MPa)；P 为标准大气压(MPa)。
2 盾构穿越沼气地层关键技术设计
通过前期勘探识别盾构隧道是否穿越沼气地
层及盾构施工前沼气等级判定，实现了盾构隧道
穿越沼气地层的“事前控制”。然而，施工过程中
对于沼气的监测、施工技术优化等“事中控制”和
制定详实完整的应急预案响应机制等“事后控
制”同样需要进行系统构建并应用。
2．1 沼气监测系统设计
为了保证施工过程中关于沼气监测的实时、
准确，采用自动监测和人工监测相结合的方案来
组建沼气监测系统。关于自动监测，在螺旋输送
机出土口、盾构机车架、土仓仓门、易引起沼气积
聚点处、各台车及隧道内每隔150 m各布设一个
甲烷监测仪，并且在盾构机上布置一氧化碳、硫化
氢监测仪各三个，隧道内每隔150 ITI各布设一个
一氧化碳、硫化氢监测仪；其中甲烷监测仪报警值
为0．5％ ，断电值为1％ ；一氧化碳上控值为24
ppm，上限值为25 ppm；硫化氢上控值为9 ppm，
上限值为10 ppm；并布设自动监测及报警网络，
对工作面处沼气浓度进行实时监测，盾构机上监
测仪布置如图2所示。对于人工监测，监测点按
照出土口、通风死角处、大型电机处需布设的原则
进行安排。在洞内设专人定时监测，确保在含低
沼气地层中盾构施工的绝对安全；对于进入现场
的专业监测人员和关键人员，要人手一部便携式
监测设备，以对隧道内各处进行实时的沼气浓度
监测，同时将监测数据同步上传至地面的沼气监
测办公室，进行数据存储与分析，切实在沼气浓度
刀盘 盾构推进机 螺旋输送机 辅助、操作区／监控室
曩 ◇甲烷监测仪 一氧化碳监测仪 。硫化氢监测仪
图2 沼气监测仪布置
· 68· 土木工程与管理学报
超出安全值之前，能第一时间发出沼气预警并进
行应急响应，实现对隧道内沼气的24小时不间断
监测，防止安全事故发生。
2．2 隧道施工通风与施工技术优化
通风是盾构沼气隧道施工的关键，根据已有
铁路隧道施工通风成功方案，采用压入式通风方
案能够较好地保证隧道内沼气在短时间内迅速排
放到外部空间，使得隧道内沼气浓度保持在安全
值以下，通风方案如图3所示。
图3 通风机布置
在实现上述通风设计的同时，需要对原有盾
构施工技术做出相应的技术优化，以保证整体施
工技术与监测能够同步发挥作用，切实保证盾构
施工的安全、顺利推进。具体施工技术优化为：
(i)加强盾尾油脂注入；(2)控制管片拼装质量；
(3)增设管片及盾尾密封；(4)掘进中姿态控制；
(5)渣土改良；(6)加强螺旋出土口沼气监测。
2．3 盾构机适应性及防爆改造
在实现盾构隧道内沼气实时监测与建立良好
的通风系统下，从源头减少沼气溢出浓度是保证
盾构施工安全进行的重要因素。针对工程实际需
要，为最大程度控制盾构源头处沼气溢出浓度，提
出如下几点措施：
(1)改造风机出风口端风管，设置一个分流
管对准螺旋输送机出土口处通风，在沼气气体涌
出的瞬间对其进行稀释，使沼气浓度降至0．25％
以下；
(2)螺旋输送机出土口设置一通风管至设置
的离心风机处，离心风机强行抽取出土口溢出的
沼气，由离心风管引导稀释后排出隧道外。
(3)对电器设备(包括防爆型动力箱、防爆三
级控制箱、防爆日光灯、防爆漏电插销等)进行改
造，并对各电器设备接头进行防暴处理。
2．4 应急预案响应
为了应对可能发生的沼气中毒／爆炸等安全
事故的发生，需要制定完善、详实的应急预案响应
机制。同时，也可进一步规范安全事故应急预案
管理与响应程序，明确职责，及时、科学、准确地指
挥、协调应急救援，最大限度地减少事故造成的人
员伤亡与工程损失。首先，从组织角度需要构建
以工程项目部为主体，建设与监理单位共同参与
的应急处置指挥部，并设立明确的职能分工小组
(图4)，以保证一旦事故发生，即可通过完善的组
织结构将危害造成的负面影响降低到最低值。
—：二= ￡生4= ====_
I 应急处置指挥部 I
图4 应急响应组织构成
其次，从过程角度构建系统的应急响应流程
(图5)，即明确流程各阶段所需完成的任务与职
责，保证现场救援有组织、有轻重和有针对性，力
争应急响应在第一时间发挥作用，最大限度地降
低危害的不良影响。
纛 ： >———
图5 应急响应流程
2．5 建立三层风险识别与控制体系
综上所述，构建盾构隧道穿越沼气地层的
“事前控制、事中控制和事后控制”三层风险识别
与控制体系。基于对地质勘探过程中地质情况的
判断与甲烷含量测定方法的选择，确立了地质勘
探中沼气来源与识别流程，进而分析盾构机的掘
进速度、出土量与地层中赋存沼气的相互关系，确
立判定沼气等级的计算公式，为沼气隧道等级判
定与设计、施工方案选择提供科学依据，即“事前
控制”；在施工过程中，建立沼气监测系统，实时
勤障善工组
后保与后作
综合协调组
技术专家组
医疗救护组
现场抢险组
一一一一一
翟 一一一

第1期 梁立刚等：盾构隧道穿越沼气地层风险识别与控制 ·71·
全顺利贯通，填补了国内地铁工程使用土压平衡
式盾构机掘进沼气地层的空白，积累了大量的第
一手资料，探索出了盾构穿越沼气地层的成功施
工经验，为后续类似沼气地层的盾构掘进提供了
重要理论依据和工程应用价值，具有重要意义。
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