高瓦斯盾構(gòu)隧道施工控制關(guān)鍵技術(shù)分析

祝和意

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 渭南 714000)

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高瓦斯盾構(gòu)隧道施工控制關(guān)鍵技術(shù)分析

祝和意

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 渭南 714000)

目前國(guó)內(nèi)地鐵工程采用盾構(gòu)法在瓦斯地層中施工經(jīng)驗(yàn)較少，且無(wú)相關(guān)規(guī)范參考。在論述高瓦斯隧道施工控制原理及工藝流程的基礎(chǔ)上，從前期準(zhǔn)備、瓦斯壓力段分區(qū)及涌出量計(jì)算、關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面展開(kāi)分析與論述。為了適應(yīng)高瓦斯隧道工程施工需求，進(jìn)行瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)及盾構(gòu)局部改造與設(shè)計(jì)；同時(shí)，從隧道內(nèi)渣土運(yùn)輸、渣土改良、盾尾密封及盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制等方面，對(duì)高瓦斯隧道掘進(jìn)過(guò)程關(guān)鍵控制技術(shù)進(jìn)行全面研究。工程實(shí)踐證明，通過(guò)應(yīng)用瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)及其施工控制關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壓盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中隧道內(nèi)瓦斯量的有效控制，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

高瓦斯隧道； 盾構(gòu)； 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)； 施工控制

0 引言

目前在我國(guó)長(zhǎng)三角地區(qū)(如上海、杭州、寧波、蘇州)及內(nèi)陸大江河流域城市(如武漢、南京)的地鐵工程勘察中發(fā)現(xiàn)的地下淺層有害氣體(瓦斯)，已成為地鐵建設(shè)中的一大危害[1-4]。到目前為止，國(guó)內(nèi)地鐵工程采用盾構(gòu)法在瓦斯地層中施工經(jīng)驗(yàn)較少，亦無(wú)相關(guān)規(guī)范。瓦斯隧道分為低瓦斯隧道、高瓦斯隧道及瓦斯突出隧道3種，針對(duì)瓦斯隧道施工主要需從3個(gè)方面進(jìn)行控制： 控制隧道內(nèi)瓦斯涌出量、加強(qiáng)通風(fēng)以稀釋隧道內(nèi)瓦斯含量、對(duì)隧道內(nèi)設(shè)備易產(chǎn)生電火花處進(jìn)行防爆處理[5-7]。彭佩等[8]對(duì)瓦斯隧道特點(diǎn)及瓦斯分布規(guī)律等進(jìn)行了研究論述；祝和意[9]、余紅軍等[10]、趙鈺[11]分別以都汶高速公路紫坪鋪隧道、蘭渝鐵路LYS-10標(biāo)段瓦斯隧道及發(fā)耳隧道為研究對(duì)象，對(duì)不同工況下的高瓦斯隧道施工技術(shù)進(jìn)行了分析總結(jié)，但在瓦斯隧道在線監(jiān)測(cè)方面還需展開(kāi)進(jìn)一步的研究。本文針對(duì)高瓦斯隧道特點(diǎn)，從瓦斯判斷、瓦斯計(jì)算、盾構(gòu)設(shè)備改造、施工關(guān)鍵技術(shù)等方面開(kāi)展研究論述，相關(guān)研究成果適用于高瓦斯土壓盾構(gòu)法隧道施工。

1 基本控制原理

1.1 控制原理分析

在有限空間施工，通過(guò)掘進(jìn)速度以控制瓦斯涌出量，使隧道處于低瓦斯?fàn)顟B(tài)。刀盤(pán)切削疏松地層土體，使富含在地層中的瓦斯氣體完全釋放，通過(guò)螺旋輸送機(jī)進(jìn)入隧道，是隧道內(nèi)瓦斯涌出的主要途徑。計(jì)算地層的瓦斯含量，劃分瓦斯氣體壓力段區(qū)，在不同瓦斯壓力段區(qū)控制盾構(gòu)掘進(jìn)速度，進(jìn)而控制單位時(shí)間的出土量，從而來(lái)控制單位時(shí)間內(nèi)瓦斯氣體的涌出量。其實(shí)現(xiàn)的基本過(guò)程為：

1)通過(guò)盾構(gòu)隧道瓦斯極限涌出量計(jì)算方式，來(lái)判定目標(biāo)瓦斯隧道等級(jí)。

2)根據(jù)所判定的目標(biāo)瓦斯隧道等級(jí)，相應(yīng)的設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)和瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)加強(qiáng)通風(fēng)來(lái)稀釋隧道中的瓦斯，并對(duì)隧道內(nèi)的瓦斯進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)信息化施工。

3)通過(guò)控制盾構(gòu)掘進(jìn)速度和螺旋輸送機(jī)閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間來(lái)控制瓦斯涌出量，使實(shí)際瓦斯達(dá)到預(yù)設(shè)條件。

4)通過(guò)以加強(qiáng)隧道通風(fēng)為主，以加強(qiáng)盾尾密封和盾構(gòu)及隧道內(nèi)其他設(shè)備的防爆設(shè)計(jì)為輔，配合瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)和各項(xiàng)安全管理制度的綜合措施，來(lái)防止瓦斯災(zāi)害事故的發(fā)生。

1.2 施工工藝流程

瓦斯隧道盾構(gòu)法施工的關(guān)鍵技術(shù)為計(jì)算瓦斯極限涌出量、判斷瓦斯隧道等級(jí)、通風(fēng)設(shè)計(jì)、電氣照明設(shè)計(jì)、瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及掘進(jìn)過(guò)程控制。瓦斯隧道盾構(gòu)法施工流程如圖1所示。

圖1 瓦斯隧道盾構(gòu)法施工工藝流程

Fig. 1 Construction flowchart for shield tunnel with high gas concentration

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 前期準(zhǔn)備工作

2.1.1 地質(zhì)勘探

施工前對(duì)沿線地層的瓦斯進(jìn)行詳細(xì)的勘察，具體內(nèi)容應(yīng)包含以下幾點(diǎn)。

1)確定地鐵沿線一定范圍內(nèi)的有害氣體縱、橫向分布范圍及壓力的大小。

2)查明含有害氣體土層的埋深、厚度、分布范圍等與地鐵設(shè)計(jì)直接相關(guān)的基礎(chǔ)信息。

3)確定有害氣體的分布區(qū)間及形成機(jī)制。

4)有害氣體的物質(zhì)組成及物理化學(xué)特性。

2.1.2 技術(shù)準(zhǔn)備

1)組織舉辦瓦斯知識(shí)培訓(xùn)班，邀請(qǐng)相關(guān)專(zhuān)家、有經(jīng)驗(yàn)人士對(duì)所有參建人員進(jìn)行培訓(xùn)，包括瓦斯事故救援知識(shí)等。

2)根據(jù)地層中瓦斯情況，組織召開(kāi)瓦斯技術(shù)交底會(huì)，加強(qiáng)全體人員對(duì)瓦斯地層的認(rèn)識(shí)。

3)嚴(yán)格加強(qiáng)火源管理和進(jìn)洞管理制度，編制動(dòng)火制度、開(kāi)艙換刀等各項(xiàng)瓦斯隧道管理制度。

2.1.3 應(yīng)急準(zhǔn)備

1)根據(jù)瓦斯隧道發(fā)生的險(xiǎn)情，準(zhǔn)備各項(xiàng)應(yīng)急物資，如氧氣袋、滅火器等。

2)編制各項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案，并組織所有參建人員進(jìn)行實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)演練。

3)建立完善的應(yīng)急救援機(jī)構(gòu)，明確責(zé)任人。

2.2 瓦斯壓力段分區(qū)及等級(jí)判定

2.2.1 瓦斯氣體壓力段分區(qū)

通過(guò)目標(biāo)瓦斯隧道的瓦斯壓力值與孔隙氣壓力值進(jìn)行比較，可將目標(biāo)瓦斯隧道分為一個(gè)或多個(gè)瓦斯氣體壓力段區(qū)；隧道瓦斯氣體壓力段區(qū)分為瓦斯氣體壓力大于孔隙氣壓力段區(qū)(Ⅰ區(qū))和瓦斯氣體壓力小于孔隙氣壓力段區(qū)(Ⅱ區(qū))2種類(lèi)型。

2.2.2 瓦斯隧道等級(jí)判定

2.2.2.1 瓦斯隧道等級(jí)劃分原則

瓦斯隧道施工前必須進(jìn)行瓦斯等級(jí)判定，并以此為依據(jù)判定瓦斯隧道的施工風(fēng)險(xiǎn)，并制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。對(duì)于瓦斯地層盾構(gòu)法施工，國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)的規(guī)范，通過(guò)參考《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》的劃分原則來(lái)判定瓦斯隧道等級(jí)，并相應(yīng)地進(jìn)行各項(xiàng)施工準(zhǔn)備工作?！惰F路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》規(guī)定： 當(dāng)絕對(duì)瓦斯涌出量小于或等于0.5 m3/min時(shí)，隧道可定義為低瓦斯隧道；當(dāng)絕對(duì)瓦斯涌出量大于0.5 m3/min時(shí)，隧道可定義為高瓦斯隧道。

2.2.2.2 瓦斯涌出量影響因素分析

1)土層孔隙率及地下瓦斯氣體壓力。假設(shè)土層的孔隙中充滿(mǎn)較高壓力的瓦斯氣體，渣土進(jìn)入隧道后，渣土中的瓦斯氣體從地層中的高壓狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗淼乐械臉?biāo)準(zhǔn)大氣壓，由于壓力變化及渣土的空隙變化，吸附狀態(tài)的瓦斯部分將變?yōu)橛坞x狀態(tài)的瓦斯；因此土層的孔隙率及地下瓦斯氣體的壓力將直接影響瓦斯涌出量。

2)盾構(gòu)推進(jìn)速度等盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。隧道施工中盾構(gòu)的掘進(jìn)速度決定了出土量的大小，隧道內(nèi)的瓦斯氣體濃度與出土量成正比，而渣土則是瓦斯最為重要的溢出源，故盾構(gòu)的掘進(jìn)速度是瓦斯涌出量的關(guān)鍵影響因素。同時(shí)，開(kāi)挖面瓦斯涌出量還與螺旋輸送機(jī)閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)間、開(kāi)挖時(shí)的設(shè)定壓力等因素有關(guān)，如果設(shè)定壓力大于瓦斯壓力則開(kāi)挖面瓦斯的溢出可能就會(huì)受到限制，否則，瓦斯可能會(huì)在螺旋輸送機(jī)開(kāi)啟時(shí)大量溢出。

瓦斯的溢出不只是來(lái)自于開(kāi)挖出來(lái)的渣土，還有一部分來(lái)自于隧道圍巖，故瓦斯的溢出量的計(jì)算和控制是比較復(fù)雜的。實(shí)際工程中主要是通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的手段獲取隧道瓦斯涌出量的數(shù)據(jù)，然后對(duì)其等級(jí)進(jìn)行判定，并采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

2.3 關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了安全起見(jiàn)，隧道施工瓦斯監(jiān)測(cè)采取人工與自動(dòng)相結(jié)合的監(jiān)測(cè)方式，兩者監(jiān)測(cè)的數(shù)值相印證，避免誤報(bào)現(xiàn)象的發(fā)生。人工檢測(cè)由瓦斯檢查員執(zhí)行檢查瓦斯，瓦斯檢查員必須經(jīng)專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)，考試合格，持證上崗。本文主要針對(duì)瓦斯自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究。

2.3.1 瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)是將自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)和盾構(gòu)電力系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)控中心連接成的一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。當(dāng)隧道內(nèi)任一點(diǎn)的甲烷傳感器探測(cè)的濃度達(dá)到報(bào)警值時(shí)，監(jiān)控中心根據(jù)不同的限值采取報(bào)警、加強(qiáng)通風(fēng)、緊急關(guān)閉螺旋輸送機(jī)閘門(mén)或停止盾構(gòu)掘進(jìn)等操作措施。

2.3.1.1 功能設(shè)計(jì)

針對(duì)盾構(gòu)瓦斯隧道的實(shí)際施工需求，瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)必須具有以下功能。

1)瓦斯監(jiān)測(cè)設(shè)備必須具備對(duì)CH4、H2S、CO等有害氣體成分的濃度監(jiān)測(cè)及對(duì)不同氣體超限的報(bào)警功能。

2)盾構(gòu)主體和成型隧道共用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，進(jìn)行統(tǒng)一分析指揮，單獨(dú)設(shè)立監(jiān)控中心，盾構(gòu)操作室設(shè)分站。當(dāng)瓦斯氣體超標(biāo)時(shí)，對(duì)盾構(gòu)的斷電分2步： 第1步切斷運(yùn)輸皮帶和螺旋輸送器的電源，第2步切斷盾構(gòu)本體電源。隧道內(nèi)運(yùn)輸設(shè)備單獨(dú)設(shè)置一套監(jiān)測(cè)瓦電閉鎖裝置，當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)時(shí)直接斷電停機(jī)。

3)有害氣體安全監(jiān)測(cè)配置應(yīng)有監(jiān)控主機(jī)、數(shù)據(jù)通訊接口、UPS電源、傳感器、控制模塊、甲烷傳感器、防爆報(bào)警燈等。整套系統(tǒng)具有在無(wú)人值守的情況下，當(dāng)某監(jiān)測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到相應(yīng)報(bào)警值時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制本監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的報(bào)警指示燈報(bào)警，濃度接近限值時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)本監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)機(jī)及相鄰風(fēng)機(jī)的功能。

4)監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)應(yīng)有自動(dòng)記錄、統(tǒng)計(jì)、成圖及分析功能。

5)隧道內(nèi)運(yùn)輸部位氣體安全監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)配置有礦用瓦斯斷電儀、瓦斯傳感器等(如圖2所示)。系統(tǒng)具有自動(dòng)檢測(cè)瓦斯?jié)舛?，?dāng)瓦斯超限時(shí)控制電瓶車(chē)斷電的功能。

圖2 盾構(gòu)內(nèi)瓦斯探測(cè)器

6)系統(tǒng)操作人員可在地面進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)向洞內(nèi)直接發(fā)送控制命令。

2.3.1.2 超限自動(dòng)處理

當(dāng)隧道拱頂、盾構(gòu)內(nèi)等地方傳感器檢測(cè)到瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)，系統(tǒng)能夠立即自動(dòng)采取對(duì)應(yīng)的切斷電源、加強(qiáng)通風(fēng)等處理措施。

2.3.2 通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.2.1 風(fēng)管選擇

隧道斷面空間狹窄，運(yùn)輸車(chē)輛、作業(yè)人員進(jìn)出頻繁及瓦斯隧道對(duì)風(fēng)量的要求，風(fēng)管直徑應(yīng)選擇比正常隧道施工時(shí)的大20%～30%。瓦斯隧道風(fēng)管口到出土口的距離應(yīng)小于5 m。

2.3.2.2 風(fēng)機(jī)選型

瓦斯隧道對(duì)通風(fēng)的風(fēng)量和風(fēng)壓有嚴(yán)格要求，故所選主風(fēng)機(jī)的通風(fēng)風(fēng)量及系統(tǒng)風(fēng)壓要滿(mǎn)足施工需求。

1)隧道通風(fēng)量計(jì)算。計(jì)算瓦斯隧道通風(fēng)量的方法主要有以下3種：

①以同一時(shí)間工作人員所需新鮮空氣為標(biāo)準(zhǔn)，則

Q=KMQm。

式中： K為風(fēng)量備用系數(shù)，取1.2； M為同時(shí)在洞內(nèi)工作人數(shù)； Qm為每人所需新鮮空氣量，取4 m3/min。

②以隧道瓦斯涌出量為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，隧道回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛葢?yīng)低于0.25%所需要風(fēng)量，則所需通風(fēng)量

Q=QCH4×K1/(Bg-Bg0)。

式中： K1為瓦斯涌出的不均衡系數(shù)，取1.6； Bg為工作面允許的瓦斯?jié)舛?，?.25%； Bg0為送入風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛?，?。

③以最小斷面風(fēng)速為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，由于機(jī)械壓入式通風(fēng)百米漏風(fēng)率≤1.5%，故實(shí)際風(fēng)量

Q=(Vmin×S)/(1-0.015)L/100 m×1.2。

式中： Vmin為最小斷面風(fēng)速，取1 m/s； S為開(kāi)挖斷面面積； 1.2為風(fēng)機(jī)備用系數(shù)。

2)系統(tǒng)風(fēng)壓計(jì)算。風(fēng)傳遞過(guò)程中需要克服的阻力主要分為管道摩擦阻力和局部阻力2部分，其中p局=0.1p管，管道摩擦阻力

p管=ρ×6.5×(α·L)/d5×2Q。

式中： ρ為空氣密度，取1.2 kg/m3； α為風(fēng)阻系數(shù)，取0.002 5； L為隧道長(zhǎng)度，m； d為配用風(fēng)筒直徑，取1.3 m； Q為平均供風(fēng)量。

3)主風(fēng)機(jī)選型。①風(fēng)量選擇： 根據(jù)以上3種不同的通風(fēng)量計(jì)算方式進(jìn)行計(jì)算，取最大值作為通風(fēng)需求量，按照最不利因素進(jìn)行考慮，以保證工作面供風(fēng)量為原則。②風(fēng)壓計(jì)算： 系統(tǒng)風(fēng)壓p總>p管+p局，即可滿(mǎn)足通風(fēng)條件。風(fēng)機(jī)布置如圖3所示。

圖3 風(fēng)機(jī)布置示意圖

由于盾構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，機(jī)身及后配套臺(tái)車(chē)存在較多的通風(fēng)盲區(qū)，故在通風(fēng)盲區(qū)處設(shè)置局部防爆風(fēng)機(jī)以加強(qiáng)局部空氣流通，防止瓦斯在通風(fēng)盲區(qū)處聚集。

2.3.3 適應(yīng)性設(shè)計(jì)與改造

為使盾構(gòu)的局部改造達(dá)到良好的防爆效果，應(yīng)對(duì)盾構(gòu)的性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，對(duì)可能產(chǎn)生的潛在危險(xiǎn)源進(jìn)行分析，并將盾構(gòu)及隧道內(nèi)的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行如下改造。

1)根據(jù)普通隧道照明要求設(shè)置照明燈具的數(shù)量、布置方式等，同時(shí)為滿(mǎn)足瓦斯隧道施工要求，設(shè)置應(yīng)急燈、防爆燈具、防爆插頭等。工作面的防爆燈具應(yīng)采用Ⅰ類(lèi)防爆燈具。

2)隧道內(nèi)動(dòng)力電(包括二次注漿)線纜選用阻燃線纜，局部風(fēng)扇、接線盒、配電箱、開(kāi)關(guān)等均采用防爆型。隧道電氣防爆設(shè)計(jì)如圖4所示。

3)由于盾構(gòu)的電機(jī)、配電柜等大型機(jī)電設(shè)備作為盾構(gòu)的主體部件無(wú)法進(jìn)行防爆改造，對(duì)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中容易產(chǎn)生電火花的部位(電器接頭)應(yīng)進(jìn)行密封處理，并配合瓦斯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)確保施工安全。

4)隧道內(nèi)的運(yùn)輸行走設(shè)備及其他機(jī)械、電氣設(shè)備均采用防爆型設(shè)備。

圖4 隧道電氣防爆設(shè)計(jì)

2.4 掘進(jìn)過(guò)程控制技術(shù)

2.4.1 隧道內(nèi)渣土運(yùn)輸

渣土是隧道內(nèi)瓦斯氣體最主要的溢出源，通過(guò)改進(jìn)出土方式和減少渣土在隧道內(nèi)停留的時(shí)間，來(lái)減少隧道內(nèi)瓦斯氣體含量。正常隧道每環(huán)出土一次，而瓦斯隧道則采用一環(huán)出土2次或2次以上的方式來(lái)減少單位時(shí)間內(nèi)的出土量，從而減少單位時(shí)間內(nèi)的瓦斯涌出量。螺旋輸送機(jī)出土口通風(fēng)情況如圖5所示。

圖5 螺旋輸送機(jī)出土口通風(fēng)示意圖

2.4.2 渣土改良

在盾構(gòu)施工過(guò)程中，要綜合采取各項(xiàng)改良及配套措施以確保渣土及螺旋輸送機(jī)的密封性能，具體措施為：

1)根據(jù)渣土改良情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)渣土改良劑，以降低渣土的透氣性，并提高螺旋輸送機(jī)出土?xí)r的密封性能。

2)合理調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)的出土速度及閘門(mén)開(kāi)口度，確保土塞效應(yīng)的形成。

3)通過(guò)向土艙上部及下部分別注入泡沫和膨潤(rùn)土，以提高渣土的流塑性。

2.4.3 盾尾密封可靠

當(dāng)隧道位于水位線以下時(shí)，盾尾密封只要滿(mǎn)足盾構(gòu)施工密封要求就行；但當(dāng)隧道位于水位線以上時(shí)，在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，則要對(duì)盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行嚴(yán)格控制，同時(shí)加強(qiáng)盾尾油脂的注入管理。

1)確保盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的水平(垂直)偏差控制在50 mm以?xún)?nèi)。

2)當(dāng)進(jìn)行刀盤(pán)轉(zhuǎn)向切換時(shí)，要留有適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔。

3)當(dāng)進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)方向調(diào)整時(shí)，不易過(guò)快；同時(shí)，要提前設(shè)置警戒值和限制值。

4)盾構(gòu)在瓦斯隧道中掘進(jìn)時(shí)，合理調(diào)整盾尾油脂注入量，確保盾尾不露漿且不露氣。

2.4.4 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

在盾構(gòu)掘進(jìn)中，根據(jù)地層條件、隧道埋深、水位壓力等具體情況，合理調(diào)整土艙壓力，以平衡掌子面的水土壓力。在總推力和扭矩等參數(shù)允許的情況下，盡量將土艙壓力建高。

掘進(jìn)速度不能超過(guò)按瓦斯氣體壓力區(qū)段進(jìn)行計(jì)算的速度值。

2.4.5 瓦斯預(yù)報(bào)及抽放技術(shù)

2.4.5.1 瓦斯預(yù)報(bào)技術(shù)

利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)變形破碎地層進(jìn)行定位，利用電磁輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)工作面進(jìn)行非接觸連續(xù)預(yù)測(cè)[12]，并結(jié)合瓦斯在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所獲得的瓦斯涌出動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，進(jìn)而對(duì)瓦斯涌出現(xiàn)象進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

2.4.5.2 瓦斯抽放技術(shù)

瓦斯抽放是指為了減少和解除瓦斯對(duì)隧道施工的威脅，利用機(jī)械設(shè)備和專(zhuān)用管道造成負(fù)壓，將巖層釋放至隧道中的高濃度瓦斯抽出來(lái)，并輸送到地面或其他安全地點(diǎn)[13]。結(jié)合隧道瓦斯賦存條件，確定瓦斯抽放參數(shù)，認(rèn)真做好材料設(shè)備選型、鉆孔布設(shè)、封孔施工、管路連接和瓦斯抽放監(jiān)測(cè)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前在國(guó)內(nèi)已取得成功應(yīng)用的是水力壓裂瓦斯集中抽排處理技術(shù)，能夠有效地將隧道內(nèi)的瓦斯?jié)舛瓤刂圃陬A(yù)期范圍內(nèi)[14]。

3 工程應(yīng)用效果分析

以武漢軌道交通4號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間為例，結(jié)合其工程特點(diǎn)，進(jìn)行了瓦斯監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如圖6所示。

圖6 瓦斯監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)原理圖

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，嚴(yán)格按照規(guī)定要求進(jìn)行各項(xiàng)工序，采取的具體措施有： 24 h不間斷連續(xù)監(jiān)測(cè)瓦斯、CO濃度和回風(fēng)速度，采用防爆雙風(fēng)機(jī)向洞內(nèi)24 h不間斷供風(fēng)等。盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程中始終確保隧道瓦斯涌出濃度在可控范圍內(nèi)，且實(shí)現(xiàn)了成型隧道瓦斯涌出量在0.5%以下，達(dá)到了使用要求。

4 結(jié)論與建議

基于高瓦斯隧道特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種瓦斯在線監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)工程應(yīng)用證明，所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地對(duì)隧道瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行測(cè)量，并及時(shí)將數(shù)據(jù)傳至控制室，為工程的安全施工提供了有力的保障條件。同時(shí)，對(duì)高瓦斯隧道盾構(gòu)施工過(guò)程中的渣土改良及運(yùn)輸、盾尾密封、掘進(jìn)參數(shù)控制等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，能夠?yàn)榻窈箢?lèi)似高瓦斯盾構(gòu)隧道工程施工提供參考。同時(shí)，提出如下建議：

1)針對(duì)高瓦斯隧道施工要求，要制定并嚴(yán)格落實(shí)瓦斯檢測(cè)、通風(fēng)管理等各項(xiàng)針對(duì)性的瓦斯隧道施工與管理制度，以確保高瓦斯隧道的安全順利貫通。

2)基于高瓦斯隧道工程特點(diǎn)，在條件允許的情況下，建議盡量選用泥水平衡盾構(gòu)施工，更有利于對(duì)瓦斯的控制。

3)針對(duì)各項(xiàng)工程的特點(diǎn)，還有待進(jìn)一步深化高瓦斯隧道施工關(guān)鍵技術(shù)的研究及推廣工作，以滿(mǎn)足更多城市地鐵隧道的建設(shè)需求。

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Analysis of Key Construction Control Technologies for Shield Tunnel with High Gas Concentration

ZHU Heyi

(Shaanxi Railway Institute, Weinan 714000， Shaanxi, China)

The shield tunneling in ground with high gas concentration of Metro projects is not common in China currently. The preparation, sectioning of gas, gas gushing volume and key system design of shield tunnel with high gas concentration are analyzed and discussed based on construction control technology. The gas monitoring system, ventilation system and local rehabilitation and redesign of shield are carried out. Meanwhile, the key construction control technologies, i.e. mucking, ground conditioning, shield tail sealing and shield boring parameter control, are studied. The construction practice shows that the gas volume can be controlled by using above-mentioned technologies.

tunnel with high gas concentration; shield; monitoring system; construction control

2016-06-29;

2016-08-04

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2014CB046906)

祝和意(1979—)，男，陜西旬陽(yáng)人，2010年畢業(yè)于長(zhǎng)安大學(xué)，結(jié)構(gòu)工程專(zhuān)業(yè)，碩士，副教授，主要從事地下與隧道工程技術(shù)研究工作。E-mail: zhuheyi791128@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.11.013

U 45

B

1672-741X(2016)11-1366-06