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1、瓦斯隧道盾构法施工工艺工法1 前言目前在我国长三角地区（如上海、杭州、宁波、苏州）及内陆大江河流域城市（如武汉、南京）的地铁工程勘察中发现的地下浅层有害气体（瓦斯），已成为地铁建设中的一项危害；到目前为止，国内地铁工程采用盾构法在瓦斯地层中施工经验较少，亦无相关规范；本施工工艺主要适用于浅埋低瓦斯盾构法隧道施工。1.1 工艺工法概况瓦斯隧道分为低瓦斯隧道、高瓦斯隧道及瓦斯突出隧道三种，本施工工艺主要针对低瓦斯隧道从瓦斯判断、瓦斯计算、盾构设备改造等方面进行了阐述，主要采取的工艺措施有： 1.1.1 加强通风，以大功率、压入式二次接力型风机为主，以隧道通风死角及电气密集处用局部防爆风扇为辅的隧道
2、通风系统，保证隧道回风流速大于1.0m/s以上。1.1.2 对盾构机局部及隧道照明系统进行防爆改造。1.1.3 在盾构机及隧道内布设瓦斯传感器，进行全天候的自动监测，并配备专人对盾构机及隧道进行人工瓦斯检测。1.1.4 通过控制盾构掘进速度、渣土在隧道内停留的时间、盾尾密封及壁后注浆来减少瓦斯涌入量。1.1.5 根据铁路瓦斯隧道技术规范，采用风电、瓦电双闭锁系统，对盾构掘进进行自动控制。1.2 工艺原理在有限空间施工，通过掘进速度以控制瓦斯涌出量，使隧道处于低瓦斯状态。刀盘切削疏松地层土体，使富含在地层中的瓦斯气体完全释放，通过螺旋输送机进入隧道，是隧道内瓦斯涌入的主要途径；计算地层的瓦斯含量
3、，划分瓦斯气体压力段区，在不同瓦斯压力段区控制盾构掘进速度，进而控制单位时间的出土量，来控制单位时间内瓦斯气体的涌入量。2 工艺工法特点2.1 通过 “盾构瓦斯隧道极限瓦斯涌出量计算方式”，判定目标瓦斯隧道等级，并参照铁路瓦斯隧道技术规范，指导瓦斯隧道施工。2.2 根据所判定的目标瓦斯隧道等级，相应的设计通风系统和瓦斯监控系统，通过加强通风来稀释隧道中的瓦斯，并对隧道内的瓦斯进行全面监测，做到信息化施工。2.3通过控制盾构机的掘进速度来控制瓦斯涌出量，使实际瓦斯隧道有条件的界定为低瓦斯隧道。2.4通过以加强隧道通风为主，以加强盾尾密封和盾构机及隧道内其他设备的防爆设计为辅，配合瓦斯监控系统和各
4、项安全管理制度的综合措施，来防止瓦斯灾害事故的发生。3 适用范围浅埋低瓦斯地层土压平衡盾构施工。4 主要引用标准4.1铁路瓦斯隧道技术规范（TB10120）（J160）4.2地下铁道工程施工及验收规范（GB 50299）4.3盾构法隧道施工与验收规范（GB 50446）4.4煤矿安全规程5 施工方法瓦斯隧道盾构法施工主要在三个方面进行控制：一是控制隧道内瓦斯的涌入量，二是加强通风以稀释隧道内瓦斯含量，三是对隧道内设备易产生电火花处进行防爆处理。加强隧道内的通风，并注意局部偶角的风流流通，确保整个隧道无通风盲区，通过全隧道通风稀释隧道内瓦斯含量，确保瓦斯含量低于限值。对隧道内瓦斯进行实时监测，并
5、对局部设备采取防爆措施，从而确保了施工安全。6 工艺流程及操作要点6.1 施工工艺流程瓦斯隧道盾构法施工的关键技术为计算瓦斯极限涌出量、判断瓦斯隧道等级、通风设计、电气照明设计、瓦斯监控系统设计以及掘进过程控制。主要步骤为如图1。据勘察将瓦斯隧道分为多个瓦斯气体压力段计算瓦斯气体压力段的极限瓦斯涌出量判定瓦斯压力段区的瓦斯隧道等级通风设计、电气照明设计、瓦斯监控系统设计掘进施工过程控制瓦斯涌入量是否超标盾构始发掘进参数控制完成瓦斯压力段工区施工完成隧道施工否是图1 瓦斯隧道盾构法施工工艺流程6.2 操作要点6.2.1 施工准备1 地质勘探施工前对沿线地层的瓦斯进行详细的勘察，具体内容应包含以下
6、几点：1）确定地铁沿线一定范围内的有害气体纵、横向分布范围及压力的大小；2）查明含有害气体土层的埋深、厚度、分布范围等与地铁设计直接相关的基础信息；3）确定有害气体的分布区间及形成机理；4）有害气体的物质组成及物理化学特性。2 技术准备1）组织举办瓦斯知识培训班，邀请相关专家、有经验人士对所有参建人员进行培训，包括瓦斯事故救援知识等；2）根据地层中瓦斯情况，组织召开瓦斯技术交底会，加强全体人员对瓦斯地层的认识；3）编制各项瓦斯隧道管理制度，如门岗制度、动火制度、开仓换刀制度等，并装订成册，发放参建人员；3 应急准备1）根据瓦斯隧道发生的险情，准备各项应急物资，如氧气袋、灭火器等；2）编制各项应
7、急预案，并组织所有参见人员进行实际现场演练；3）建立完善的应急救援机构，明确责任人；6.2.2 隧道瓦斯气体压力段分区通过目标瓦斯隧道的瓦斯压力值与孔隙气压力值进行比较，可将目标瓦斯隧道分为一个或多个瓦斯气体压力段区；隧道瓦斯气体压力段区分为瓦斯气体压力大于孔隙气压力段区（区）和瓦斯气体压力小于孔隙气压力段区（区）两种类型。6.2.3 计算瓦斯气体压力段的极限瓦斯涌出量1 瓦斯隧道等级划分原则瓦斯隧道施工前必须进行瓦斯等级判定，并以此为依据判定瓦斯隧道的施工风险，并制定相应的应对措施。判定瓦斯隧道等级的关键参数为隧道内单位时间内瓦斯涌出量。对于瓦斯地层盾构法施工，国内尚无相关的规范，通过参考铁
8、路瓦斯隧道技术规范中的划分原则来判定瓦斯隧道等级，并相应的进行各项施工准备工作。据铁路瓦斯隧道技术规范的规定：当绝对瓦斯涌出量小于等于40m3/min时，隧道可定义为低瓦斯隧道，当绝对瓦斯涌出量大于40m3/min时，隧道可定义为高瓦斯隧道。盾构法施工过程分为两个阶段，即盾构掘进阶段和管片拼装阶段；盾构掘进阶段中的出土作业使富含在土体中的瓦斯气体在隧道中充分释放，成为瓦斯气体进入隧道的主要途径；盾尾及成型隧道管片接缝的瓦斯渗入量较小，可以忽略不计；管片拼装阶段盾构机处于停机状态，不进行出土作业；所以计算瓦斯涌出量时只对盾构掘进阶段的瓦斯涌出量进行计算。2 瓦斯隧道等级判定假设土层的孔隙中充满较
9、高压力的瓦斯气体，渣土进入隧道后，渣土中的瓦斯气体从地层中的高压状态转变为隧道中的标准大气压，由于压力变化，气体体积将相应程度的膨胀；因此土层的孔隙率及地下瓦斯气体的压力将直接影响瓦斯涌出量。盾构法隧道施工中盾构机的掘进速度（v）决定了出土量的大小，隧道内的瓦斯气体浓度与出土量成正比，而渣土则是瓦斯最为重要的溢出源，因此盾构机的掘进速度是瓦斯涌出量的关键影响因素。盾构隧道瓦斯涌出量计算公式为：QvSAK P/Pst （m3/min）式中：v掘进速度，mm/min；S隧道掘进断面面积，m2；土层孔隙率，%；（以孔隙率最大的土层来取值）P实测最大瓦斯压力值，MPa；Pst标准大气压，MPa；A考虑
10、盾尾及成型隧道逸出一定量的有害气体的安全系数。取1.11.2。K考虑到地层中土体瓦斯释放系数不同及释放的不均匀性设置的瓦斯涌出系数；一般取1.0。当盾构掘进速度VV0（某节点速度）时，地层极限瓦斯涌出量Q40 m3/min；当盾构掘进速度VV0时，地层极限瓦斯涌出量Q40 m3/min；所以盾构机的掘进速度V0是界定瓦斯隧道等级的节点：当掘进某段瓦斯气体压力段区的掘进速度低于V0时定义为低瓦斯隧道，高于V0时定义为高瓦斯隧道。6.2.4 通风系统设计1 通风系统总体设计通风宜选用压入式接力型通风方式；在台车及盾构机内部偶角安装局部防爆风扇，防止瓦斯在局部偶角积聚。隧道内回流风速不低于1m/s，
11、回风风流中瓦斯浓度不高于0.5%；风机采用双电源形式。2 风管选择隧道断面空间狭窄，运输车辆、作业人员进出频繁及瓦斯隧道对风量的要求，所以风管直径应选择比正常隧道施工时的大20%-30%。瓦斯隧道应采用抗静电、防阻燃的风管；风管口到出土口的距离应小于5m。3 主风机选型瓦斯隧道对通风的风量和风压有严格要求，因此，所选主风机的通风风量及系统风压要满足施工需求。1） 隧道通风量计算盾构瓦斯隧道通风量的计算有三种不同的方法：根据同一时间隧道内工作人员所需新鲜空气计算风量、按隧道瓦斯涌出量计算所需风量和采用最小断面风速法计算风量。取最大值作为隧道通风量的标准。根据同一时间隧道内工作人员所需新鲜空气计算
12、风量Q=KMQn式中：K风量备用系数，取1.2； M同时在洞内工作人数；Qn每人工作人员所需新鲜空气，取4 m3/min。按照隧道瓦斯涌出量计算所需风量QCH4=LSAP/Pst30/1440 (m3/min)；QCH4每分钟瓦斯的最大涌出量； L每月总进尺，m；S隧道掘进断面面积，m2 ； 土层孔隙率，%；P实测最大瓦斯压力值，Pa； Pst标准大气压，Pa；A考虑盾尾和成型隧道逸出一定量的有害气体的安全系数；为使满足隧道回风流中瓦斯浓度低于0.25%所需要风量所以 Q= QCH4K(BgBg0) 式中：QCH4瓦斯最大涌出量； K瓦斯涌出的不均衡系数，取1.6；Bg工作面允许的瓦斯浓度，取
13、0.25%； Bg0 送入风流中的瓦斯浓度，取0。采用最小断面风速法计算风量Q需 =VminS式中：Vmin 最小断面风速取1m/s； S开挖断面面积。机械压入式通风百米漏风率：1.5%所以 Q =Q需/（1-0.015）L/100m1.2（风机备用系数）2） 系统风压计算为保证将所需风量送达工作面时保持有一定风速，要求风压足以克服沿途所有的阻力。管道摩擦阻力：H阻=6.5(L)/d5Q2其中：空气密度，取1.2kg/ m3； 风阻系数，取0.0025；L隧道长度； d配用风筒直径，1.3m；0QQmQ平均供风量， /60。局部阻力：H局=0.1H管综上所述，系统风压H总H管+H局 。4 风机
14、选型 1） 风量的选择：研究分析三种不同的通风量计算方式（根据同一时间洞内工作人员所需新鲜空气计算风量；按照隧道瓦斯涌出量计算所需风量；采用最小断面风速法计算风量），按照最不利因素进行考虑；以保证工作面供风量为原则。2） 风压计算 实际通风阻力为：P = P阻+ P局故要求风机的压力大于此值即可满足通风条件。图2 风机布置示意图5 局部通风由于盾构机构造复杂，机身及后配套台车存在较多的通风盲区，因此在通风盲区处设置局部防爆风机加强局部空气流通，防止瓦斯在通风盲区处聚集。6.2.5 盾构机局部改造及隧道照明系统防爆设计1 盾构机局部改造为使盾构机的局部改造达到良好的防爆效果，应对盾构机的性能进行
15、系统研究，对可能产生的潜在危险源进行分析，并将盾构机局部进行如下改造:1）将盾构机所有照明灯具更换成防爆型灯具；2）由于盾构机的电机、配电柜等大型机电设备作为盾构机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）进行密封处理，切断电火花接触瓦斯气体的途径，并配合瓦斯监测系统确保施工安全；当瓦斯监测系统发现隧道内瓦斯气体浓度达到0.5%的警戒值后，将切断隧道内所有的电源，防止产生火源，使瓦斯气体爆炸的3个必要条件不能同时满足，避免发生瓦斯灾害事故；2 瓦斯抽排利用离心式风机将螺旋输送机出土口的瓦斯气体抽排至台车后方，以使大部分瓦斯气体避让开密集的电器设备。图3 离心风机瓦斯抽排示
