滨康路站至西兴站区间隧道施工沼气防治技术研究

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　　摘要：杭州地铁1号线滨康路站～西兴站区间工程地层中含有大量浅层高压沼气，在浅层高压沼气区域进行盾构区间施工，通过在盾构区间施工前地面采取钻孔排放沼气技术研究和实施，在地下盾构隧道施工中采取沼气浓度监测技术和加强通风处理技术实施，总结出在施工前和施工中综合防治治理沼气危害技术，大大降低和排除浅层沼气引起的安全隐患，把沼气对施工的不利影响降低到最低限度，确保地铁施工和运营的安全。
　　关键词：区间隧道，盾构施工，沼气危害，沼气排放，沼气监测
　　
　　1工程概况
　　滨康路站～西兴站区间位于杭州市西兴镇，线路沿滨安路穿行。该区间隧道起～终点里程为K2+286.078～K3+233.361，左线区间长度947.283m，右线区间长度947.283m。最小平曲线半径400m，最大纵坡24‰，埋深范围8.1～15.5m。隧道区间采用土压平衡盾构法施工。区间工程平面图见图1。
　　区间沿线地层由上而下分别为①2填土层，②1粉质粘土，②2粘质粉土，④2灰色淤泥质粘土，⑥1灰色淤泥质粉质粘土。⑧2淤泥质粉质粘土夹粉砂。该层为沼气的主要储存层。⑿1粉砂：层顶深度32～34m，该层亦为沼气的储存层。有关区间隧道地层土层渗透系数情况详见表1。
　　盾构区间隧道所穿越的主要地层为④2淤泥质粘土层和⑥1淤泥质粉质粘土层。淤泥质土具有高含
　　水量、大孔隙比、低强度、高灵敏度、弱透水等特性。在有外力扰动的作用下，极易造成土体结构破坏，使土体强度降低，且⑥1淤泥质粉质粘土也为沼气的主要气源层之一。

　　表1土层渗透系数成果表
　

　　滨康路站～西兴站区间地层分布着压力大小不一的有害气体，主要成分为甲烷。该处的有害气体主要赋存在⑧2淤泥质粉质粘土夹粉砂层，埋深约27～33m，理论峰值压力为0.4MPa，属高压沼气等级。区间沼气分布情况见图2。

　　2沼气危害治理必要性
　　本区间地层中含有大量沼气，在此类地质条件下盾构施工，需要采取有害气体防治措施才能确保安全。需要解决沼气问题有以下几点。
　　（1）盾构隧道施工过程中，由于掘进速度比较快，可能会在掘进工作面产生沼气突出问题。
　　（2）如果沼气积聚，会使盾构机内操作人员因缺氧，造成中毒情况发生，当沼气浓度超过爆炸极限，再遇有电火花、明火等，就会造成爆燃、爆炸等事故的发生，对人身和设备安全造成极为严重的威胁。
　　（3）有害气体的释放还会对周围土体扰动引起地面沉降问题。
　　（4）高压有害气体层距离隧道底部很近，容易引起沼气突然喷出或者渗透，对以后的地铁运营都有极大安全危害。
　　（5）土层中含有承压游离的有害气体，对隧道施工及以后运营期间通风设施的影响。
　　（6）施工期间的监测系统和运营期间的有害气体监测系统不同，对运营期间有害气体监测系统布置的影响。
　　因此，在施工前要采取沼气排放措施，在施工中采取沼气浓度监测手段，及时采取适当的通风处理措施。在浅层高压沼气区域进行盾构区间施工，在盾构施工前必须对沼气防治技术进行必要的分析和研究，在施工前和施工中必须对沼气采取必要的处理措施，将沼气对施工的不利影响降低到最低限度。
　　3解决沼气危害问题思路
　　对于盾构区间存在高压沼气的情况，根据施工研究，采取以下措施进行防治。
　　1、首先在盾构穿越沼气地层施工期前，在地面预先进行沼气排放，将沼气压力降低到安全范围内；
　　2、对盾构机配备通风和沼气检测设备，形成沼气监测自动报警系统，当沼气超限时及时采取加强通风措施，尽快将沼气浓度稀释到安全浓度以下。
　　3、盾构隧道施工过程中的采取防爆措施。
　　4、地铁隧道施工及完工后的通风系统。
　　5、施工时进行沼气防治安全教育，制定相应的安全管理制度和应急系统预案。
　　我们在工程实践中，重点对沼气防治技术进行了研究，研究内容为大面积高压沼气排放技术，包括地下沼气处理方案的选择，排气设备的选择，排气工艺流程，排放控制原则及标准，排放施工安全措施等。
　　4地面大面积高压沼气排放技术研究
　　4.1沼气处理方案的优化选择
　　盾构区间隧道在开始始发就位于沼气层正上方。根据沼气流动特性，盾构机在掘进过程中造成地层压力重新分布，形成裂隙通道，极易引起沼气突发。在滨安路上，沼气分布压力0.26-0.36Mpa，平面压力最大区域位于距离滨康路车站西端头115m-253m之间，在此区域，盾构隧道底部深度达到20m，从剖面图上看到隧道已经进入高压沼气区域，即隧道距离沼气层顶面很近，此处沼气压力达到0.36Mpa，沼气联成一片。
　　沼气在高压力作用下会向压力相对低的区域产生移动，因此，从定性分析来讲，首先要在地面采取充分放气措施，同时还要采取隔离措施，隔断或阻止沼气聚集。有以下两种方案进行比较。
　　（1）方案一：在隧道两侧，作直径800mm双排双重管高压旋喷桩隔断沼气层。
　　此方案具体措施是在滨安路隧道两侧，作直径800mm双排双重管高压旋喷桩，互相咬合30cm，钻孔深度35m，旋喷加固深度为25m-35m，地基加固强度为0.5Mpa,水泥采用po42.5，隧道右线北侧4排旋喷桩，作为隔沼气帷幕，彻底隔断沼气向隧道区间的高压渗透。
　　缺点和难点分析：由于隧道和沼气层位于滨安路正下方，滨安路下面有雨水管道，还有各种电信管线和电力管线，在旋喷桩钻孔施工时，位于管道位置的下方就无法施工，雨水管线改移和电力及电信改移造价极高，难度相当大，因此在管道位置的下方就无法施工旋喷桩，在地下形成沼气封闭层缺口，起不到封闭和隔断沼气层的作用。
　　（2）方案二：将沼气排放范围，扩大到沼气富集高压区域，达到大面积减压效果[!--empirenews.page--]
　　此方案就是在根据有害气体分布特点以及气体与隧道结构的平面位置，将气体排放分成两个施工区域：①隧道沿线区域；②高压分布区域。在隧道北侧沼气压力较高区域，加大沼气排放范围，把目前已知的高压沼气区的沼气全部释放，把沼气压力全部降低，这样，消除掉沼气高压区，沼气无地下移动压力差，无法进行沼气补充。
　　优点：此法方便可行，可大面积降低沼气压力，从而降低风险源。还可以留下沼气压力观察孔，在监测到压力上来之后，进行第二次钻孔释放沼气，确保沼气压力在安全范围内。
　　缺点：排放孔数量多。
　　通过方案比较，方案二是切实可行的，也是较为安全的。
　　4.2排气设备选择及工艺流程
　　沼气排气施工是利用油气开采的通用设备与静力触探设施结合改进研制的静压排气设备。常用钻机钻孔排放有以下缺点：①孔径太大，对于以粉土、砂土为主的地层容易造成孔壁坍塌；②使用护壁泥浆时，泥浆比重越大，含气层气压与钻孔内水压压差越小，也就越不利有害气体的排放。而静压设备其探杆外径只有42mm，且采用静压的施工工艺不存在塌孔的可能性，此外，设备中安装有各种截止阀、减压阀以及压力表，可以控制放气流量，大大降低了对周围土层的破坏。沼气控制性排放施工工艺流程如图3所示。
　　4.3沼气排放控制原则和标准
　　（1）均衡放气原则：有害气体释放的速率应不产生对放气孔
　　周围地层的显著扰动，应以缓慢均衡放气，不带出泥砂为控制
　　标准，释放过程中注重压力的动态平衡。
　　（2）安全性原则：在沼气排放过程中，要绝对避免火灾
　　爆炸的情况发生。为了达到上述原则的要求可采取以下两
　　种措施：
　　1）探杆端头的钻眼应多而密，且钻眼口径应尽可能小，
　　滤网应采用纹路细密，韧性高的材料。
　　2）在压力沉淀池的出气口处增设截流阀和减压阀，
　　可调节排放的压力和流量，做到有控放气。
　　3）排放标准：排放后滨康路站～西兴站区间的有害气体压力小于0.05MPa，从而降低因有害气体而导致工程事故的风险。
　　5沼气地面排放实施
　　5.1排放孔间距的确定
　　沼气气体呈囊状起伏分布，厚度不一，因此，排放孔间距应根据实际情况适当布置，否则影响放气效果。孔间距不宜过小，否则会导致工作量巨大，影响施工工期以及工程造价。从滨康路站车站施工的放气经验可以看出，孔间距15米放气充分，能将气压降至低于0.05MPa。因此，针对滨康路站～西兴站区间的实际情况，在气压较低区域，排放孔间距为15m米；在气压较高区域，排气孔间距定为10m。
　　5.2排放孔平面位置的确定
　　为了使气体均匀释放，具体布置方式为：沿线路两侧及中间共布置4排放气孔。其中，左线外侧及两隧道中间各布置1排，孔间距15m，由于后河弯道分布于滨康路站西端头井西侧，故只在左线外侧K2＋330附近及隧道中间K2＋298处布设2个放气孔，共布置27个放气孔；右线外侧布设2排放气孔，呈梅花型交错布置，孔间距10m，共布置160个放气孔，根据排放压力和流量大小，选择两个放气孔预留探杆长期排放，截断外侧的气体补给，直至将有害气体排放干净。放气孔位布置图见图4。
　　5.3排放孔深度的确定
　　此次排放施工的目的是为了尽量减小盾构推进以及联络通道施工过程中有害气体大量泄漏的可能性，降低隧道结构线范围内有害气体压力和流量。因此，结合有害气体勘察过程中探明的含气层埋藏深度和承压水的埋藏深度，确定本次排放施工的单孔深度为35m。
　　5.4孔位的调整
　　滨康路站～西兴站区间排放孔大部分布置在滨安路上，该路面的结构层依次为沥青砼层、水稳层、碎石层，绿化带及人行道下面埋有管线等障碍物。原孔位遇到地下障碍物或钻孔无法穿过障碍物时，可在原孔位2米范围内调整。排气排放孔布置情况见图4。

　　5.5沼气排放施工工艺流程
　　根据现场情况，可采取两种排放工艺流程，一种是单管排放工艺流程，另外一种时双管排放工艺流程。
　　（1）单管排放工艺施工简便，适合于沼气压力比较高的区域。在实际排放过程中，主要在隧道两侧布置。
　　施工前仔细核对该孔位的地质资料及有害气体埋置深度、压力大小。施工时将探杆静压至含气层深度，略微上拔，将探头甩入土中，利用含气层与探杆内的压差，在含气层自然压力能量条件下，通过探杆使气体逐渐释放出来，减小气量、降低压力。放气一段时间后，若出现喷发泥砂状况，则迅速调节减压阀及出气口阀门，减小出气口的流量，必要时可关闭出气口阀门，静置一段时间再慢慢打开出气口阀门。若出气口不再喷出气体，用空气压缩机向探杆内注入0.7MPa压力的空气，三分钟后关闭空压机，若仍无气体喷出，则收回探杆进行下一孔的施工。在放气过程中，可通过闸阀实施控制性放气，观察气压状态，控制放气流量，连续记录有关参数，做好排放施工记录。
　　采用单孔排放工艺时，在探杆上拔的过程中有时会因为孔壁堵塞或压差小而无法排放，改进办法就是将单管排放工艺改成双孔排放工艺。
　　（2）双孔排放工艺
　　双孔排放工艺由两个排放孔组成（以下称主孔和附属孔），首先静压主孔至预定深度，然后轻微移动静压油缸，在间隔5～10cm的位置同样将附属孔静压至预定深度，接着将附属孔上拔至含气层位置进行放气，由于气压小和孔壁淤积等原因，附属孔的排放效率会大大降低，此时移动油缸将主孔孔底上拔至距离附属孔孔底10～50cm的位置，然后用空气压缩机向主孔孔内注入0.7MPa压力的空气，待附属孔畅通无阻后停止注入压力。像这样一旦当附属孔排放量减小，出现堵塞情况时便向主孔注入压力以贯通附属孔的孔壁，直至将该孔位的有害气体排放干净。双孔排放工艺示意见图5。
　　根据双管排放工艺特点，其排放方式主要应用在隧道两侧沼气压力比较低的区域。
　　（3）沼气排放施工安排
　　放气施工在盾构施工前2个月进行。为了最大限度减小[!--empirenews.page--]
　　对盾构施工范围内含气土层的扰动，施工顺序和排放时间显
　　得尤为重要。
　　1）排放气顺序
　　总体排放气顺序：高压区→隧道作业区→其他作业区。
　　左线外侧和隧道中间（机组1）排放顺序：先排放K2＋330
　　附近的两个放气孔，再沿结构线排放左线外侧的一排放气孔，
　　最后再排放隧道中间的一排放气孔。
　　右线外侧（机组2）排放顺序：先排放最外侧一排放气孔，沿隧道结构线依次推进，当最外侧一排排放完毕后折回排放里面一排，依次反向推进。单孔排放应尽可能的将该孔内的气体排放干净。
　　2）作业进度及放气孔布置
　　现场2台钻机，放气时间根据气体压力大小而定，平均24小时左右。放气施工期间，左线和右线分别放一台钻机，同时施工。共计120个孔，共计施工时间60天。
　　排放孔平面位置的确定：为了气体均匀释放，平面上采用梅花型布置。
　　具体布置方式为：①隧道沿线区域：隧道沿线共布置4排放气孔。左线外侧及两隧道中间各布置1排，孔间距15m，梅花型交错布置，共布置33个放气孔；右线外侧布设2排放气孔，呈梅花型交错布置，孔间距10m，共布置42个放气孔。②高压分布区域：由于隧道北侧分布有一高压区域，为了切断高压区域有害气体的侧向补给，故在高压区域布置3排放气孔，孔间距10m，梅花型交错布置，共布置45个放气孔。在所有孔中选取了11个作为观测孔。
　　5.6地面排放沼气效果总结及检验
　　地铁1号线滨康路站～西兴站
　　区间有害气体排放施工60天束，
　　共施工排放孔120个。各个排
　　放孔的喷气量、压力均大小不
　　一。与沼气勘察时基本一致，
　　滨安路隧道北侧属于高压区，
　　呈现出排放量大，气压高的特性；两隧道中间气量中等，局部有高压地段，呈现出排放平稳的特点；由于滨康路车站以前已放气以及西端头井洞口加固的原因，盾构始发段和后河局部位置的气量比较微弱，呈现出排放量小的特点。排放孔沼气压力检测及喷发燃烧见图6。
　　从整个排放过程中可以看出，所有的排放孔按气量大小和排放持续时间长短可以归纳为以下三类：
　　⑴气量较大，持续时间长达数天，最长达十六天。这类孔主要分布在滨安路隧道北侧，距离右线隧道约10～30m。
　　⑵气量中等，持续时间约两天。这类孔主要分布在⑴类孔的周围以及K2＋380～K2＋580之间，在所有排放孔中占的比例较大，数量较多。
　　⑶气量微小，持续时间短则几个小时，长则1天。这类孔主要分布在滨康路站西端头井西侧，K2＋280～K2＋380范围之内和隧道沿线局部位置，涉及区域相对较小。
　　为了估算放气施工期间排放的有害气体总流量，现对气量中等以及气量较大的各个排放孔的单孔放气流量进行累加，进而估算总的放气流量。计算流量的放气孔包括所有⑴类孔和⑵类孔。
　　计算公式为：（m3）
　　式中：为总排放流量；
　　为放气孔单孔单位时间内排放平均流量，取1/2；
　　为放气孔单孔排放时间。
　　将⑴类孔和⑵类孔单孔平均流量和单孔排放时间代入上式可得：28384.5m3
　　即在放气施工期间，总共排放有害气体达28384.5立方米。
　　为了检验是否降低滨康路站～西兴站区间重点范围内有害气体压力和流量，盾构掘进施工前再次实施钻孔检查沼气，探明有害气体压力小于0.05MPa，遂进行盾构施工。
　　6盾构推进过程中沼气监测技术
　　6.1盾构机掘进过程中沼气监测
　　虽然在盾构推进之前，采取了在地面隧道两侧进行了大面积沼气排放措施，但为了达到确保在含有残余沼气地层掘进时，对少量的沼气逸出引起的浓度变化能够及时监测，在浓度超限时能够及时报警，提示盾构操作人员及时采取加强通风，稀释沼气浓度，确保施工安全的目的，必须在盾构推进过程中，实现有害气体监测自动化，同时为避免由于停电等原因造成监测失灵，还必须采用人工监测作为保障措施。
　　（1）在盾构机中，增加了沼气监测设备，对沼气及其他有害气体进行实时动态监测。为保证隧道内CH4气体精确检测，保证施工及人员的安全，在盾构机设备上增加3套沼气监测系统，即防爆型甲烷探测器，型号SKDII；还增加1台智能型CO探测器，型号LG80；1台防爆型氧气探测器，型号LG80；1台多通道气体控制器（带触摸屏），型号ORS-80；1个防爆声光报警灯，型号BBJ。防爆型甲烷探测器位置分别安装在刀盘驱动处，螺旋出土口和拼装台等部位。
　　（2）每天安排人员手持便携式沼气检测仪检测沼气浓度，并同盾构机上面的的气体监测屏幕显示相对照，当有害气体含量超过0.5%，及时进行报警，通知盾构操作人员采取加强通风措施，做到双重监测，确保安全。
　　6.2盾构推进过程中通风措施
　　在隧道内增设通风设备，采取加强通风，加大风量措施。在隧道内配备1台2×55KW轴流风机，采用直径φ1100mm拉链式软风管进行压入式通风，同时在盾构机前体部位、台车上方及出土口部位附近增设小型电风扇综合通风，另外，还采用小型风机配400mm薄铝合金管送风到盾构设备刀盘驱动区，防止沼气聚集。
　　6.3盾构施工安全措施
　　1）通风：保证良好的通风条件是避免沼气中毒最有效的办法。首先自然通风，让易挥发的气体消散，同时要注意避免出现明火,防止沼气爆炸，然后机械通风，通风管应该放到底层以保证作业面的空气持续新鲜。
　　2）检验：进入可能有沼气的空间以前应检测有害气体。用气体仪器检测可以准确方便地检测多种有害气体；用湿润的醋酸铅试纸也可以方便地检测出硫化氢气体的存在，方法是用浸有2％醋酸铅的湿试纸暴露于作业场所30秒钟，如试纸变为棕色至黑色，则严禁入场作业。
　　3)作业人员工作时，应在场外安排两个监护人员，并备好防毒面具，监护人员不得擅离岗位。
　　4)安排沼气安全巡视巡查员，携带瓦斯检测仪巡视检查沼气浓度，现场严禁吸烟。
　　5)加强电气线路及设备的管理,加强火源的管理,杜绝使用明火，建立严格的用火审批制度。
　　6)施工人员穿防静电衣服，以防止静电产生火花造成沼气燃爆对人身造成伤害。[!--empirenews.page--]
　　7）加强隧道内空气质量监测。在盾构机的前体，螺旋出土口，操作室设沼气监测仪器。盾构隧道内监测沼气装置采用JCB-CJ97A型便携式甲烷检测报警仪。当甲烷浓度超限时，自动发出声、光报警。当报警时立即停止作业，组织作业班组有序离开密闭空间。在密闭空间动态管理牌上检查核对人员数量，保证所有人员安全疏散完毕。
　　8）加强火源的管理。隧道内原则上杜绝使用明火，建立严格的用火审批制度。使用时必须专人批准，并采取可靠措施后方可使用明火。
　　9）加强对施工人员的教育、管理。施工前，对全体参施人员进行安全教育，强化甲烷等有害气体危害的防范教育。隧道内严禁吸烟。严格执行下井挂牌制度，上下井清点人数，备好防毒面具，下井人员禁止穿化纤衣服。
　　10）加强电气线路及设备的管理，采用防爆线路，规范电气线路连接及设备的使用，防止火花的出现。
　　11）加强隧道和地面的通讯联系，盾构施工时安装内线电话，线路随盾构掘进而延伸。
　　7效果分析及结论
　　7.1沼气防治效果分析
　　为了深入了解有害气体排放干净后补给的程度，在地面排气孔中选择了11个观测孔进行观察。气压随时间变化典型情况
　　从图中可以看出，在有害气体排放过程中，气体压力并不是随着排放时间呈简单的直线下降关系，而是呈起伏关系。比如图7中f079号孔的第6天～第7天、第8天～第9天、第12天～第13天以及图8中f091号孔的第1天～第2天，这些天的气压值均有所增长，可见，排放过程中的沼气侧向补给是存在的，但相比较排放而言补给能力是比较弱的。此外，在排放的最后阶段，将有害气体排放干净以后，f079号孔和f091号孔并未出现有害气体回升的现象，可见排放效果还是理想的。
　　为了检验沼气在地面排放效果，在盾构掘进施工前再次实施钻孔查气，探明有害气体压力小于0.05MPa，且在盾构施工过程中，未出现沼气浓度超限情况，说明沼气排放是成功的。
　　在盾构推进过程中，由于采取一系列对有害气体监测手段和防止沼气超限的通风技术措施，保证了盾构在沼气地层中施工安全。
　　7.2结论
　　本文通过对区间隧道在地上大面积沼气排放技术研究分析与实施，在地下盾构隧道掘进施工过程中沼气监测技术及通风处理技术研究与实施，得出以下结论：
　　（1）在滨康路站～西兴站区间在地面采取钻孔沼气排放治理措施是成功的，可以降低和排除浅层沼气引起的安全隐患，确保了地铁施工和运营的安全。
　　（2）在地下隧道盾构施工过程中，采取沼气监测措施和加强通风措施成功的保证了施工安全。
　　（3）采取地面排放沼气措施和地下隧道盾构施工沼气监测及加强通风措施，综合治理防治沼气危害，在滨康路站～西兴站区间取得圆满成功。
　　参考文献
　　【1】浅层有害气体勘察与有控放气技术规程（内部参考）
　　【2】盾构法隧道施工与验收规范
　　【3】爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范
　　【4】煤矿主要通风机站设计规范，
　　【5】施文编著，有毒有害气体检测仪器原理和应用，北京，化学工业出版社，2009.1
　　【6】陈广峰、陈慧芳等，浅议杭州地铁隧道有害气体的危害及防治对策，铁道工程学报，2010第5期，