0 引言
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大危害［1 － 4］。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。瓦斯隧道分为低瓦斯隧道、高瓦斯隧道及瓦斯突出隧道3 种，针对瓦斯隧道施工主要需从3 个方面进行控制: 控制隧道内瓦斯涌出量、加强通风以稀释隧道内瓦斯含量、对隧道内设备易产生电火花处进行防爆处理［5 － 7］。彭佩等［8］对瓦斯隧道特点及瓦斯分布规律等进行了研究论述; 祝和意［9］、余红军等［10］、赵钰［11］分别以都汶高速公路紫坪铺隧道、兰渝铁路LYS － 10标段瓦斯隧道及发耳隧道为研究对象，对不同工况下的高瓦斯隧道施工技术进行了分析总结，但在瓦斯隧道在线监测方面还需展开进一步的研究。本文针对高瓦斯隧道特点，从瓦斯判断、瓦斯计算、盾构设备改造、施工关键技术等方面开展研究论述，相关研究成果适用于高瓦斯土压盾构法隧道施工。
1 基本控制原理
1． 1 控制原理分析
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，是隧道内瓦斯涌出的主要途径。计算地层的瓦斯含量，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，从而来控制单位时间内瓦斯气体的涌出量。其实现的基本过程为:
1) 通过盾构隧道瓦斯极限涌出量计算方式，来判定目标瓦斯隧道等级。
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，以实现信息化施工。
3) 通过控制盾构掘进速度和螺旋输送机闸门开启时间来控制瓦斯涌出量，使实际瓦斯达到预设条件。
4) 通过以加强隧道通风为主，以加强盾尾密封和盾构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项安全管理制度的综合措施，来防止瓦斯灾害事故的发生。
1． 2 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。瓦斯隧道盾构法施工流程如图1 所示。
图1 瓦斯隧道盾构法施工工艺流程
2 关键技术分析
2． 1 前期准备工作
2． 1． 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制。
4) 有害气体的物质组成及物理化学特性。
2． 1． 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) 严格加强火源管理和进洞管理制度，编制动火制度、开舱换刀等各项瓦斯隧道管理制度。
2． 1． 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) 编制各项应急预案，并组织所有参建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。
2． 2 瓦斯压力段分区及等级判定
2． 2． 1 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( Ⅰ区) 和瓦斯气体压力小于孔隙气压力段区( Ⅱ区) 2 种类型。
2． 2． 2 瓦斯隧道等级判定
2． 2． 2． 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。对于瓦斯地层盾构法施工，国内尚无相关的规范，通过参考《铁路瓦斯隧道技术规范》的划分原则来判定瓦斯隧道等级，并相应地进行各项施工准备工作。《铁路瓦斯隧道技术规范》规定: 当绝对瓦斯涌出量小于或等于0． 5 m3 /min 时，隧道可定义为低瓦斯隧道;当绝对瓦斯涌出量大于0． 5 m3 /min 时，隧道可定义为高瓦斯隧道。
2． 2． 2． 2 瓦斯涌出量影响因素分析
1) 土层孔隙率及地下瓦斯气体压力。假设土层的孔隙中充满较高压力的瓦斯气体，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，由于压力变化及渣土的空隙变化，吸附状态的瓦斯部分将变为游离状态的瓦斯; 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。
2) 盾构推进速度等盾构掘进参数。隧道施工中盾构的掘进速度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，故盾构的掘进速度是瓦斯涌出量的关键影响因素。同时，开挖面瓦斯涌出量还与螺旋输送机闸门开启时间、开挖时的设定压力等因素有关，如果设定压力大于瓦斯压力则开挖面瓦斯的溢出可能就会受到限制，否则，瓦斯可能会在螺旋输送机开启时大量溢出。
瓦斯的溢出不只是来自于开挖出来的渣土，还有一部分来自于隧道围岩，故瓦斯的溢出量的计算和控制是比较复杂的。实际工程中主要是通过自动监测的手段获取隧道瓦斯涌出量的数据，然后对其等级进行判定，并采取相应的应对措施。
2． 3 关键系统设计
为了安全起见，隧道施工瓦斯监测采取人工与自动相结合的监测方式，两者监测的数值相印证，避免误报现象的发生。人工检测由瓦斯检查员执行检查瓦斯，瓦斯检查员必须经专门培训，考试合格，持证上岗。本文主要针对瓦斯自动监控系统的关键技术展开研究。
2． 3． 1 瓦斯监控系统设计
瓦斯监控系统是将自动监测系统、通风系统和盾构电力系统通过监控中心连接成的一个自动控制系统。当隧道内任一点的甲烷传感器探测的浓度达到报警值时，监控中心根据不同的限值采取报警、加强通风、紧急关闭螺旋输送机闸门或停止盾构掘进等操作措施。
2． 3． 1． 1 功能设计
针对盾构瓦斯隧道的实际施工需求，瓦斯监控系统必须具有以下功能。
1) 瓦斯监测设备必须具备对CH4、H2 S、CO 等有害气体成分的浓度监测及对不同气体超限的报警功能。
2) 盾构主体和成型隧道共用一个网络控制系统，进行统一分析指挥，单独设立监控中心，盾构操作室设分站。当瓦斯气体超标时，对盾构的断电分2 步: 第1步切断运输皮带和螺旋输送器的电源，第2 步切断盾构本体电源。隧道内运输设备单独设置一套监测瓦电闭锁装置，当瓦斯浓度超标时直接断电停机。
3) 有害气体安全监测配置应有监控主机、数据通讯接口、UPS 电源、传感器、控制模块、甲烷传感器、防爆报警灯等。整套系统具有在无人值守的情况下，当某监测点瓦斯浓度达到相应报警值时，实现自动控制本监测点对应的报警指示灯报警，浓度接近限值时系统自动启动本监测点风机及相邻风机的功能。
4) 监测装置系统应有自动记录、统计、成图及分析功能。
5) 隧道内运输部位气体安全监测控制系统配置有矿用瓦斯断电仪、瓦斯传感器等( 如图2 所示) 。系统具有自动检测瓦斯浓度，当瓦斯超限时控制电瓶车断电的功能。
图2 盾构内瓦斯探测器
6) 系统操作人员可在地面进行远程监测与控制，实现向洞内直接发送控制命令。
2． 3． 1． 2 超限自动处理
当隧道拱顶、盾构内等地方传感器检测到瓦斯浓度超标，系统能够立即自动采取对应的切断电源、加强通风等处理措施。
2． 3． 2 通风系统设计
2． 3． 2． 1 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，风管直径应选择比正常隧道施工时的大20% ～ 30%。瓦斯隧道风管口到出土口的距离应小于5 m。2． 3． 2． 2 风机选型瓦斯隧道对通风的风量和风压有严格要求，故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。计算瓦斯隧道通风量的方法主要有以下3 种:
①以同一时间工作人员所需新鲜空气为标准，则
Q = KMQm。
式中: K 为风量备用系数，取1． 2; M 为同时在洞内工作人数; Qm为每人所需新鲜空气量，取4 m3 /min。
②以隧道瓦斯涌出量为计算标准，隧道回风流中瓦斯浓度应低于0． 25%所需要风量，则所需通风量
式中: K1为瓦斯涌出的不均衡系数，取1． 6; Bg为工作面允许的瓦斯浓度，取0． 25%; Bg0为送入风流中的瓦斯浓度，取0。
③以最小断面风速为计算标准，由于机械压入式通风百米漏风率≤1． 5%，故实际风量
式中: Vmin为最小断面风速，取1 m/s; S 为开挖断面面积; 1． 2 为风机备用系数。
2) 系统风压计算。风传递过程中需要克服的阻力主要分为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
式中: ρ 为空气密度，取1． 2 kg /m3 ; α 为风阻系数，取0． 002 5; L 为隧道长度，m; d 为配用风筒直径，取1． 3m; Q 为平均供风量。
3) 主风机选型。①风量选择: 根据以上3 种不同的通风量计算方式进行计算，取最大值作为通风需求量，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: 系统风压p总＞ p管+ p局，即可满足通风条件。风机布置如图3 所示。
图3 风机布置示意图
由于盾构构造复杂，机身及后配套台车存在较多的通风盲区，故在通风盲区处设置局部防爆风机以加强局部空气流通，防止瓦斯在通风盲区处聚集。
2． 3． 3 适应性设计与改造
为使盾构的局部改造达到良好的防爆效果，应对盾构的性能进行系统研究，对可能产生的潜在危险源进行分析，并将盾构及隧道内的相关设备进行如下改造。
1) 根据普通隧道照明要求设置照明灯具的数量、布置方式等，同时为满足瓦斯隧道施工要求，设置应急灯、防爆灯具、防爆插头等。工作面的防爆灯具应采用Ⅰ类防爆灯具。
2) 隧道内动力电( 包括二次注浆) 线缆选用阻燃线缆，局部风扇、接线盒、配电箱、开关等均采用防爆型。隧道电气防爆设计如图4 所示。
3) 由于盾构的电机、配电柜等大型机电设备作为盾构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) 应进行密封处理，并配合瓦斯监测系统确保施工安全。
4) 隧道内的运输行走设备及其他机械、电气设备均采用防爆型设备。
图4 隧道电气防爆设计
2． 4 掘进过程控制技术
2． 4． 1 隧道内渣土运输
渣土是隧道内瓦斯气体最主要的溢出源，通过改进出土方式和减少渣土在隧道内停留的时间，来减少隧道内瓦斯气体含量。正常隧道每环出土一次，而瓦斯隧道则采用一环出土2 次或2 次以上的方式来减少单位时间内的出土量，从而减少单位时间内的瓦斯涌出量。螺旋输送机出土口通风情况如图5 所示。
图5 螺旋输送机出土口通风示意图
2． 4． 2 渣土改良
在盾构施工过程中，要综合采取各项改良及配套措施以确保渣土及螺旋输送机的密封性能，具体措施为:
1) 根据渣土改良情况实时调节渣土改良剂，以降低渣土的透气性，并提高螺旋输送机出土时的密封性能。
2) 合理调节螺旋输送机的出土速度及闸门开口度，确保土塞效应的形成。
3) 通过向土舱上部及下部分别注入泡沫和膨润土，以提高渣土的流塑性。
2． 4． 3 盾尾密封可靠
当隧道位于水位线以下时，盾尾密封只要满足盾构施工密封要求就行; 但当隧道位于水位线以上时，在盾构掘进过程中，则要对盾构姿态进行严格控制，同时加强盾尾油脂的注入管理。
1) 确保盾构掘进过程中的水平( 垂直) 偏差控制在50 mm 以内。
2) 当进行刀盘转向切换时，要留有适当的时间间隔。
3) 当进行盾构掘进方向调整时，不易过快; 同时，要提前设置警戒值和限制值。
4) 盾构在瓦斯隧道中掘进时，合理调整盾尾油脂注入量，确保盾尾不露浆且不露气。
2． 4． 4 盾构掘进参数控制
在盾构掘进中，根据地层条件、隧道埋深、水位压力等具体情况，合理调整土舱压力，以平衡掌子面的水土压力。在总推力和扭矩等参数允许的情况下，尽量将土舱压力建高。
掘进速度不能超过按瓦斯气体压力区段进行计算的速度值。
2． 4． 5 瓦斯预报及抽放技术
2． 4． 5． 1 瓦斯预报技术
利用声发射技术对变形破碎地层进行定位，利用电磁辐射监测技术对工作面进行非接触连续预测［12］，并结合瓦斯在线监测系统所获得的瓦斯涌出动态变化趋势，进而对瓦斯涌出现象进行准确的预测。
2． 4． 5． 2 瓦斯抽放技术
瓦斯抽放是指为了减少和解除瓦斯对隧道施工的威胁，利用机械设备和专用管道造成负压，将岩层释放至隧道中的高浓度瓦斯抽出来，并输送到地面或其他安全地点［13］。结合隧道瓦斯赋存条件，确定瓦斯抽放参数，认真做好材料设备选型、钻孔布设、封孔施工、管路连接和瓦斯抽放监测等关键环节。目前在国内已取得成功应用的是水力压裂瓦斯集中抽排处理技术，能够有效地将隧道内的瓦斯浓度控制在预期范围内［14］。
3 工程应用效果分析
以武汉轨道交通4 号线某盾构区间为例，结合其工程特点，进行了瓦斯监测控制系统设计，如图6 所示。
图6 瓦斯监测控制系统原理图
在盾构掘进过程中，严格按照规定要求进行各项工序，采取的具体措施有: 24 h 不间断连续监测瓦斯、CO 浓度和回风速度，采用防爆双风机向洞内24 h 不间断供风等。盾构在掘进过程中始终确保隧道瓦斯涌出浓度在可控范围内，且实现了成型隧道瓦斯涌出量在0． 5%以下，达到了使用要求。
4 结论与建议
基于高瓦斯隧道特点，设计了一种瓦斯在线监控系统，通过工程应用证明，所设计的监测系统能够准确地对隧道瓦斯浓度进行测量，并及时将数据传至控制室，为工程的安全施工提供了有力的保障条件。同时，对高瓦斯隧道盾构施工过程中的渣土改良及运输、盾尾密封、掘进参数控制等关键技术进行了分析，能够为今后类似高瓦斯盾构隧道工程施工提供参考。同时，提出如下建议:
1) 针对高瓦斯隧道施工要求，要制定并严格落实瓦斯检测、通风管理等各项针对性的瓦斯隧道施工与管理制度，以确保高瓦斯隧道的安全顺利贯通。
2) 基于高瓦斯隧道工程特点，在条件允许的情况下，建议尽量选用泥水平衡盾构施工，更有利于对瓦斯的控制。
3) 针对各项工程的特点，还有待进一步深化高瓦1370 隧道建设 第36 卷斯隧道施工关键技术的研究及推广工作，以满足更多城市地铁隧道的建设需求。
摘自：隧道建设