浅谈低瓦斯隧道盾构施工安全管理

浅谈低瓦斯隧道盾构施工安全管理

罗巍  ,胡琦

四川铁科建设监理有限公司 四川成都 611731

摘要：本文主要介绍了成都轨道交通17号线二期航威盾构区间穿越低瓦斯隧道地质条件下盾构掘进通过各种措施来降低瓦斯危害确保施工安全，分析了低瓦斯隧道的特征及危害，通过对盾构机及电气设备等进行低瓦斯防爆改造，加强盾构机掘进过程中施工安全和通风管理，使用信息科技技术实现对瓦斯突出的检测监控，采用有效的施工措施和管理方法来消除瓦斯突出带来的危害，从而确保施工安全。

关键词：盾构；低瓦斯隧道；通风；防爆；气体检测；排气

WITH CONCISE REMARKS ON THE SAFETY MANAGEMENT OF LOW GAS TUNNEL SHIELD CONSTRUCTIONG

Abstract：This thesis mainly introduces various measures taken to reduce the gas hazard and ensure the construction safety during shield tunneling under the geological conditions when the Hangwei shield section of Chengdu Rail Transit Line 17 Phase II passes through the low gas tunnel, analyzes the characteristics and hazards of the low gas tunnel, and strengthens the construction safety and ventilation management during shield tunneling through the low gas explosion-proof transformation of the shield machine and electrical equipment, Use information technology to detect and monitor gas outburst, and adopt effective construction measures and management methods to eliminate the hazards caused by gas outburst, so as to ensure construction safety.

Key words：Shield method;Low gas tunnel;Improve air circulation;Explosion-proof;Gas detection;Exhaust

 1 工程概况

成都轨道交通17号线二期工程航天路站-威灵站盾构区间位于新都气田东南侧边缘和洛带气田西北外围，主要受新都气田影响。线路离最近的工业油气井仅2km左右，局部构造上是油气聚集、富集的有利区域，也是油气运移指向区，容易受天然气浸染。本区间在深度约20～30m处岩芯破碎，节理裂隙发育，岩芯呈碎块状，可以为油气富集提供储集空间。加之该区域处于油气运移指向区，深部有油气源，所以从深部缓慢运移上来的油气可以在这些节理裂隙发育区慢慢聚集，从而形成气囊。

根据勘测结果分析，该段区间隧道YDK99+700～ YDK99+860段地质钻孔有天然气显示，终孔测试天然气浓度分别为16720ppm、17380 ppm和18260ppm，封孔24小时后天然气浓度高达50000 ppm、51000 ppm和52000 ppm，接近和高于天然气燃爆极限，结合隧道所处的油气构造位置，地层、岩性等条件，参考《铁路瓦斯隧道技术规范》（TB10120）2019规定，综合判定该区间里程YDK99+700～ YDK99+860段受到了浅层天然气危害，为低瓦斯盾构区间。

本工程在施工过程中，可能破坏浅层气体的赋存结构，致使有害气体释放，直接威胁施工人员的健康与安全，影响施工进度和工程质量，需做好盾构瓦斯隧道安全管理工作。

2 瓦斯的危害

（1）爆炸性

甲烷本身是不会自燃和爆炸的，但当和空气（氧气）以一定比例混合均匀并达到一定浓度后，遇到高热源或火源，才会燃烧和爆炸。

（2）窒息性

甲烷对人基本无毒，且无色无味，但浓度过高时，使空气中氧含量明显降低，使人窒息。当空气中甲烷达25%-30%时，可引起头痛、头晕、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共济失调。若不及时脱离，可致窒息死亡。皮肤接触液化本品，可致冻伤。

（3）渗透性

有毒有害气体的渗透性极高，扩散速度快，其扩散性较空气高1.6倍，容易透过裂隙发达、结构松散的地层渗透到隧道开挖空间里。

（4）不稳定性

有害气体在围岩中以游离状态和吸着状态存在。两种状态的有害气体是处在不断变化的动平衡中，当温度、压力等外界条件变化时，平衡就被打破。压力升高温度降低时，部分有害气体将由游离状态转化为吸着状态，反之，压力降温度升时，又会有部分有害气体由吸着状态转化为游离状态。

3 施工前准备情况

3.1盾构机改装

本次穿越工程施工采用2台中国铁建重工生产的编号为DL518/DL530的ZTE8630型土压平衡盾构机。从盾构机的各项性能参数来看，该两台盾构机有充足的动力、完整的应急配置、各项系统工作性能稳定，同时操作人员也能有较好的掌握。为本次低瓦斯隧道施工的实施创造了良好的基础条件。

为了确保本区间安全完成低瓦斯隧道施工，左、右线盾构机均采用了风电瓦电闭锁系统，增设加了局部风机5处（盾体中盾平台左右各1处，连接桥1处，3号、5号台车各1处），高压端子箱主断路器采用防爆型，增加了三套有害气体检测系统，突发情况下从应急照明电路取电，可以持续监测有害气体。

隧道及盾构的照明回路及灯具均采用防爆型，隧道的主供电电缆，采用防爆型。

3.2 地面预处理措施

针对勘察报告钻孔附近存在的天然气气囊，为保证盾构安全通过，盾构通过前，在左右线隧道两侧3m处，沿着隧道打设φ100@2000mm排风孔，排风孔深入洞底以下一米。排风孔全天24小时不间断排放，并有专人巡视保护，定时封孔测量瓦斯浓度。

4 低瓦斯盾构隧道施工安全管控

4.1施工通风

在威灵站隧道洞口分别布置CDGD-1#（TV-14#160kW）风机和CDGD-2#（TV-14#160kW）风机，分别向掌子面输送新鲜空气，风机一开一备，风管为双抗风管。正洞内设置环境监测传感器，风机带智能管理系统。

隧道的通风方式采取主通风以及局部通风同步工作的方式，在隧道洞口采用轴流风机压入新鲜风，在盾构机台车上部安装防爆二次风机，增加局部风速，防止瓦斯积聚。

盾构采用一次通风，通风到螺旋机出土口，盾构设备结构占隧道有效截面的30%，为满足隧道内回流风速≮0.25m/s，盾构范围内瓦斯易积聚处风速≮1m/s，增加局部风机，局部风机的通风量宜不超过隧道压入风量Q1的0.3倍，有效输送距离宜完成盾构设备的通风接力即可。设备区域为防止瓦斯气体在局部区域汇集，需在容易形成瓦斯汇集的区域增加防爆风机，增加局部风速，防止瓦斯积聚，局部通风设计如下：

因盾构设备结构占隧道有效截面的30%，为满足隧道内通风风速≮1m/s， 局部风机的通风量宜不超过隧道压入风量 Q1 的 0.3 倍，有效输送距离宜完成盾构设备的通风接力即可。

设备区域为防止瓦斯气体在局部区域汇集，需在容易形成瓦斯汇集的区域增加风机，增加局部风速，减少瓦斯汇集概率，配置的局部通风设计如下：

图 4-1盾构机总体通风情况

（1）盾体内，在上平台左右两侧各增加一台 2.2kW的风机，风量 3.2m³/s；对准盾体上部容易汇集瓦斯的区域吹风，加速盾体内空气对流。

  图 4-2盾体通风

（2）在连接桥上部增加一台 15kW的射流风机，风机出口速度为 39m/s，有效距离约为 91.26m。风机风机向盾构拖车尾部方向吹风，防止瓦斯气体在隧道顶部形成瓦斯带。

图 4-3 连接桥通风

（ 3 ）在 3#拖车顶部增加一台 15kW的射流风机，风机出口速度为 39m/s，有效距离约为 91.26m。风机向盾构拖车尾部方向吹风，防止瓦斯气体在隧道顶部形成瓦斯带。

图 4-4 3#台车通风

（ 4 ）  在 5#拖车顶部增加一台 15kW的射流风机，风机出口速度为 39m/s，有效距离约为 91.26m。风机向盾构拖车尾部方向吹风，防止瓦斯气体在隧道顶部形成瓦斯带。通风布置如图下图。

图 4-5 5# 台车通风

5 气体检测

隧道气体检测由三部分组成：盾构机自动监测、人工监测和低瓦斯段隧道固定式监测。

（1）盾构机自动监测系统。主要监测隧道内（瓦斯/甲烷、一氧化碳、二氧化碳等）有毒气体的含量，当有毒气体含量超标后，系统发出声光报警的报警功能，作业人员应该立即采取相应措施。

（2）人工监测。每个掘进班组配备一名瓦检员，正常段每个一小时对盾构机整机瓦斯易聚集的盾体、出渣口、台车顶部等位置进行人工检测，低瓦斯段每隔半小时进行一次瓦斯检测。

5-1  人工定时监测

（3）低瓦斯段隧道固定式监测。在盾构通过时，从低瓦斯段前50环开始，每隔50环，在隧道右侧10点位置，安装一套气体检测仪（单线总计4套），用来检测后期瓦斯泄漏情况，直到通过瓦斯段50环为止。

固定在盾构机上的瓦斯监测仪，分别安装在盾体上部、螺旋机出土口、人仓门口、3号台车顶部等重要位置；除此之外，盾构机还需要配备硫化氢（H2S）、一氧化碳（CO）、氧气（O2）、和二氧化碳（CO2）等气体监测传感器。盾构机上瓦检仪传感器报警浓度为0.3％CH4，瓦斯断电浓度为0.5％CH4，复电浓度为小于0.3％CH4，断电范围为盾构机和台车后配套非本质安全型电气设备。在实际施工过程中，盾构机和后配套上使用的瓦斯自动监测报警断电仪，只准人工复电。人工复电前，必须进行瓦斯检查，确认瓦斯浓度低于0.3%后，方可人工复电。

6 进洞人员管理

所有进洞工作、参观及学习人员必须进行瓦斯隧道劳动保护的相关安全知识学习，并遵守相关防爆要求。

在下井通道入口处，配备瓦检室，由专人专职对进洞人员进行相关检查及安全告知。工作人员进洞前，必须进行登记和接受洞口值班人员的检查，不准将手机、火柴、打火机、损坏的电器具及其他易燃易爆物品带入洞内，严禁穿化纤衣物进入隧道。

6-1 进洞人员更换防静电服并进行防爆检查

电工、瓦斯检测员、电器设备防爆检查员及仪器、仪表校正员等特别作业人员，必须经专业机构培训、统一取证后，方准上岗。

岗位调换、新入场人员，必须重新参加安全技术培训，方可进洞。

7 盾构掘进施工管理

在盾构推进时对施工参数做出主动调整，重点控制盾构螺旋出土、盾尾密封、同步注浆及二次注浆质量，防止瓦斯大量泄露入隧道，降低隧道安全施工风险。

7.1掘进控制措施

1、采用泡沫剂对渣土进行改良，提高渣土的和易性和流塑性，降低渣土的透气性，从而改善土仓和螺旋输送机出土时的密封性。通过控制螺旋输送机出土速度和开口度，形成土塞，进一步提高螺旋的密封性，减少瓦斯从螺旋泄入隧道。

2、每环掘进中保持土仓仓位在2/3，减少土体内瓦斯泄露量，减轻通风压力，提高隧道施工安全。

3、发生喷涌等情况时加强通风和瓦斯检测，确保无瓦斯溢出或浓度符合要求时继续施工，否则做好防喷涌措施。

7.2盾尾密封控制措施

盾构始发前严格控制尾刷内涂抹油脂数量和质量，使用优质油脂，每道尾刷分三层仔细涂抹饱满，盾尾刷背部间隙填充饱满，手涂油脂涂抹总量不少于10.5桶。

管片选型和拼装时，科学控制盾尾间隙，防止盾尾间隙不均匀造成局部盾尾间隙过大，浆液和有害气体从间隙内漏进盾尾。盾构掘进过程中，必须切实保证盾尾内充满优质油脂并保持较高的压力，每环盾尾油脂注入量不少于1/4桶（掘进时间30min），以防瓦斯通过盾尾进入隧道。

严格控制盾构机在掘进过程中的姿态，使盾尾间隙保持均匀，避免出现单侧盾尾间隙过大，从而导致盾尾密封失效，漏水、漏砂、瓦斯气体等进入盾壳内部。

7.3渣土运输控制

根据正常施工组织，每环是一次性出土，针对低瓦斯段，为了缩短渣土中的瓦斯气体在隧道泄露的时间，同时减少瓦斯在单位时间内泄露量，减轻通风压力，提高隧道施工安全，把每环出土分两次，即每掘进800mm左右出一次土。

在瓦斯浓度高的地段，对渣车及时用塑料布覆盖，减少瓦斯气体从渣土中溢出。

7.4管片控制措施

管片破损、错台及制作安装质量均会造成地下水及瓦斯气体渗漏，因此正常施工中严控成型管片质量：

根据盾构机姿态与管片姿态相对位置关系，及时调整管片型号，防止因管片选型问题，造成管片破损、错台及盾尾渗漏；

根据注浆压力及掘进出土方量情况，保质保量跟注每环同步浆液，及时填充壁后建筑间隙，防止因注浆量不足，引起的管片上浮，造成渗漏；

如遇到地下水丰富地段，浆液流失严重，应及时施做止水环箍，并在止水环间，跟注浆液。

7.5 停、复机控制措施

每环掘进停机时要尽量保证土仓内为满仓土，防止下次掘进时瓦斯聚集和瓦斯喷涌，在恢复掘进时，应缓慢开启螺机闸门，并加强螺机口出通风并进行瓦斯检测，确保瓦斯浓度符合要求后再正常作业。

7.6 管片开孔控制措施

在管片开孔进行二次注浆作业前及注浆作业过程中加强洞内通风，同时要加强瓦斯监测。尤其是开孔作业，要求先将球阀安装完成后，才能从中间开孔，并在开孔时检测瓦斯，发现有瓦斯溢出，立即停止开孔，在加强通风和增加开孔处局部风机 后才能继续进行作业，若瓦斯突出严重，应立即停止，关闭球阀。

7.7 防火措施
洞内电气设备的选用符合要求，严禁带电检修、搬迁电气设备。防爆电气在进洞前由专门的防爆设备检查员进行安全检查，合格后方可进入。洞内供电应做到：接头为防爆接头，有过电流和漏电保护，有接地装置；为防止静电火花，洞内使用的高分子材料（如塑料、橡胶、树脂）制品，其表面电阻应低于其安全限定值。
　　为避免撞击出现火花，洞内所有人员作业时，要注意防止工具坠落，避免用锤击，机械设备碰撞等。
　　严禁在洞内使用明火或吸烟；尽量减少洞内电焊、气焊作业；特殊的、不可避免的焊接，在焊接、切割等工作地点前后各20m范围内，有检测人员现场检测，瓦斯浓度必须小于0.3％。并不得有可燃物，两端各设一个供水阀门和灭火器，并在作业完成前由专人检查，对焊接部位进行降温，确认无残火后方可结束作业。
除撞击、摩擦等引起的火源外，地面的闪电或其他突发的电流也可能通过洞内管道进入这些可能爆炸区域而引燃瓦斯，通常在洞口设置避雷装置。

　利用隧道供水系统兼作消防用水系统，即循环水管上每100m设置一个水管接口；洞内设置灭火器及消防设施，并保持良好状态。隧道内各作业点应设置足够数量的灭火器及消防设施，并经常保持良好状态。在洞外设置消防水池和消防用砂，水池中应经常保持不小于200m³储水量，并保持一定的水压。

8 结束语

航威盾构区间在施工过程中，针对低瓦斯地层可能带来的危害，通过主动对盾构机及其电气设备进行防爆改造，并应用高科技信息控制技术对瓦斯全过程检测监控和预警，科学地实施通风和消防措施，结合现场制定有效的管理制度和施工方法，可将瓦斯气体危害降到最低以实现施工安全目标，以此为后续类似工程提供宝贵经验。

参考文献

[1]GB50446-2017《盾构法隧道施工及验收规范》

[2]TB 10120-2019 《铁路瓦斯隧道技术规范》