浅析盾构穿越沼气地层施工技术
2011-07-15 23:15
浅析盾构穿越沼气地层施工技术
【摘 要】针对上海地铁唐镇东站~华夏东路站区间盾构穿越沼气地层,提出并实施了地面钻孔释放、沼气浓度监测、隧道通风、优选盾构施工参数等综合措施,实践证明措施可行并取得了较好效果。
【关键词】盾构推进 沼气地层 隧道通风 施工参数
1、工程概况
随着我国经济建设的发展,城市化进程的不断加速,以地下铁道为中心的城市轨道交通系统的建设也获得空前的发展。在地下铁道建设中,盾构工法的大量运用,大大提高了建设速度与安全性。但是,因地层的复杂化,某些特殊地质阻碍了地铁施工的进程,如盾构穿越沼气地层给施工带来了极大的安全隐患。下面就以上海地铁唐镇东站~华夏东路站区间盾构穿越沼气地层为例,分析盾构穿越沼气地层施工的难点和解决措施。
根据该区间地勘报告揭示情况,区间沼气主要位于⑤3-1层粉质黏土层,埋深约30 m,该层呈透镜体条带状分布。区间隧道底埋深14. 7~22. 2 m,盾构从沼气储气层顶穿越,但沼气压力大,随着盾构开挖掘进,沼气极易从储气地层贯穿隧底⑤1层灰色黏土窜入盾构开挖面,给盾构施工带来危害。
2、难点分析
沼气易从盾尾间隙以及土仓进入隧道内,盾构机作为高度机电一体化机械设备,很难做到完全防爆,一旦局部沼气浓度汇聚到一定程度,容易产生爆炸,带来危害。由于当地下工程施工揭露含气砂层时会发生沼气集中外溢情况,除易诱发火灾外,大量气体连带泥砂喷溢还会导致隧道空间扭曲、破损甚至坍塌损毁。
3、技术措施
3.1 地面钻孔释放
根据区间沼气分布范围以及含量图,对地层沼气采取施放措施,并加强地面沉降监测,待地层稳定后进行盾构推进作业。
由于地层中气体释放后,可能会遭成造成土层失陷,造成地面构(建)筑物沉降位移或者使已建好的隧道产生位移、断裂等灾害。所以在有害气体释放过程中,需加强地面沉降以及隧道位移、沉降、收敛监测,针对监测情况及时采取隧道内二次注浆、地表插管注浆等针对性地层加固措施,并根据监测数据反馈,适当调整注浆参数。
3.2 沼气浓度监测
在盾构前端进行出土作业时,应随时检测作业范围的沼气浓度,尤其应注意检测管片区拱顶、盾构角落上部、台车顶等易于形成沼气积聚且风流不易到达的地方。一旦有异常情况,首先确认情况,然后按照“隧道内沼气浓度限值及超限处理措施”中程序执行。在达到限定界限、警报响器时迅速组织人员有序撤离。当沼气积聚体积大于0. 5 m3、浓度大于1%时,应加强通风;浓度大于2%时,必须立即停止作业,撤出人员,切断电源,进行处理。
3.2.1 沼气超前勘探
在盾构机前壳体上设置10个2寸的固定超前勘探口,在土仓胸板上设置8个2寸摆动超前勘探口,具有超前勘探能力。可通过超前勘探口插入有害气体检测仪器检测开挖面有害气体浓度,提前发现地层中是否存在有害气体。一旦检测出开挖面有害气体超过报警值,应立即关闭螺旋输送机出土口闸门并撤离施工人员,并采取有害气体地面缓解措施。
3.2.2 自动监测报警系统
在螺旋输送机出土口、盾构机车架及隧道内每间隔500 m距离各布设1个GJG10H型智能红外甲烷传感器,并布设成自动监测及报警网络。传感器采用非色散红外探测技术研制而成的新一代测量仪表,实现井下瓦斯浓度的实时测量、就地显示和超限声光报警等功能,并且能够连续自动地将井下瓦斯浓度转换成标准电信号输送给盾构机PLC,以达到控制盾构机的目的。当任一点红外甲烷传感器达到报警值,监测控制系统发出报警信号和关联设备的控制指令,可紧急关闭螺旋输送机闸门,停止盾构掘进。
3.2.3 人工平行检测
为验证气体监测系统的可靠性,确保在含不良气体地层盾构施工的绝对安全,有必要进行平行随机检测隧道内气体。配置数台便携式多通道气体检测仪,采取盾构司机与安全员使用不同检测仪独立检测办法,在隧道掘进每班盾构司机不低于2次的检测,安全员每条线每天不低于3次的检测。
3.3 隧道通风
在盾构始发车站安装2×55 kW轴流通风机,风筒直径0. 8 m。
由于隧道内盲点的存在, 2×55 kW的轴流风机也不能使盾构全部断面处在循环风中,因此选用2. 2 kW局部风扇。根据出风流的方向局部风扇安放在1号台车前端,风向为轴流风机的回风流。共安放3部, 1部在盾构出土孔上方拼装台上,保证在盾壳内形成循环风;另2部分别安放在1号台车上左右两侧,在台车中形成循环风流,保证新鲜风循环流动(见图1)。
沼气隧道在施工期间应实施连续通风。因检修、停电等原因停风时,必须撤出人员,切断电源。恢复通风前,必须检查沼气浓度。当停风区中沼气浓度不超过1%,并在局部通风机及其开关地点附近10m以内风流中的沼气浓度均不超过0. 5%时,方可人工开动局部通风机。隧道内通风机设两路电源,并装风电闭锁装置。当一路电源停止供电时,另一路应自动接通,保证风机正常运转。并装发电机,保证在紧急情况下通风机继续工作。沼气隧道应采用抗静电、阻燃的风管。风管口到开挖工作面的距离应小于5 m,风管百米漏风率不应大于2%。
3.4 盾构施工参数
在盾构穿越沼气段推进时,对盾构施工参数做出主动调整,重点控制盾构出土孔及盾尾密封,防止地层沼气泄露入隧道,加强土体沉降监测,调整同步注浆及二次注浆参数,控制地面、隧道及建筑沉降。
3.4.1 渣土改良
利用自动泡沫和添加剂注入系统,根据需要向开挖面注入泡沫和膨润土及其他聚合物,改善碴土的流动性,并通过控制螺旋输送机出土速度和出土口的开口度,在出土口形成土塞,起到良好的密封、保压的作用,有效防止沼气从出土孔泄入隧道内。停止推进时关闭闸门,紧急情况下,应立即关闭螺旋输送机出土口闸门。
3.4.2 螺旋机闸门封闭
为了确保施工安全,防止紧急情况下螺旋机闸门由于被异物卡住或机械原因无法正常启闭,因此在螺旋机外加设一道闸门,与原有闸门组成双保险,一旦发生沼气泄入现象,立即关闭螺旋机闸门。本项目所配备两台盾构机螺旋机闸门均可在断电情况下采用气动关闭,气动手闸位于盾构操作室主操作台左手侧醒目位置,有明显标记。
3.4.3 地层及隧道沉降控制
由于地层中气体释放后,可能会造成土层失陷,造成地面构(建)筑物沉降位移或者使已建好的隧道产生位移、断裂等灾害。所以在有害气体释放过程中,需加强地面沉降以及隧道位移、沉降、收敛监测,针对监测情况,及时采取隧道内二次注浆、地表插管注浆等针对性地层加固措施,并根据监测数据反馈,适当调整注浆参数。
严格控制同步注浆量和浆液质量,通过同步注浆及时填充盾尾管片与土体间的建筑空隙,减少盾尾通过后隧道外周围形成的建筑空隙,减小地层沉降。采用可硬性浆液,浆液稠度为9~11 cm,凝结时间<10 h,一天抗压强度>0. 5MPa。注浆压力和注浆量的控制应根据推进时的监测数据动态控制。注浆量应根据监测情况及时调整,注浆量初步考虑在3. 0~4. 0 m3/环(填充率180% ~240% )之间。要合理控制注浆压力,尽量做到填充而不是劈裂。注浆压力过大,管片外的土层将被浆液扰动而造成较大的沉降,易造成跑浆;注浆压力过小,填充速度慢。填充不足,也会使变形过大。注浆压力应控制在1. 1~1. 2倍的静止土压力值。另外,根据隧道周围地层物理力学性能对注浆参数、骨料与胶凝材料配比进行调整,防止胶凝材料扩散后填充效果差造成后期沉降大。
根据地面沉降监测情况在隧道内进行二次注浆,二次注浆主要采用水泥-水玻璃双液浆,水灰比0.5,水玻璃掺入量为水泥量10%,穿越沼气段注入量暂按0.5m3/环考虑,具体根据监测情况决定,以控制地层及隧道因沼气释放后引起的后期沉降。通过良好的同步注浆质量及有针对性的二次注浆等措施,在软土地层中盾构施工地面沉降可以控制在2 cm内。图为区间前500环隧道轴线地面沉降曲线。
3.4.4 加强盾尾密封
盾构盾尾密封可有效防止沼气从盾尾泄入隧道内,如果盾尾密封失效或管片破损、止水条损坏等将会导致沼气由盾构尾部泄入,所以盾尾密封是否正常工作对施工进度和安全都有重大影响。盾构在沼气段过程中,必须切实保证盾尾内充满油脂并保持较高的压力,以沼气通过盾尾进入隧道。在盾构穿越有害气体段,盾尾油脂压注量提高到35 kg/环。
3.4.5 加强管片拼装质量
如果管片破损、止水条损坏,地层中沼气会从破损处泄露入隧道,故管片拼装质量也直接影响到沼气防治,必须严格控制管片拼装错缝、错台量,避免管片碎裂现象,提高管片拼装质量。
4、结束语
通过提前地面钻孔释放沼气、沼气浓度实时监测、加强隧道通风以及盾构施工参数优化等一系列措施,该区间盾构隧道顺利实现安全贯通。但是,沼气地层中一般除主要富含甲烷外,通常还夹杂硫化氢、二氧化硫等有害气体。在唐镇东站~华夏东路站区间沼气地层中基本不含该类有害气体,所以相对而言施工条件要简单的多,在富含多种有害气体地层中施工还需做进一步研究和实践工作。
