一种低瓦斯盾构隧道施工方法与流程

本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种低瓦斯盾构隧道施工方法。

背景技术：

成都轨道交通18号线全线穿苏码头油气田及三大湾油气田，根据勘察阶段的实地测试及综合分析，在沿线不同地段均测出有不同程度的瓦斯分布。本标段位于苏码头油气田与三大湾油气田交接部位。苏码头气田，天然气控制储量为74.38×10⁸m³，可采储量为29.75×10⁸m³，含气面积94.0km²。苏码头构造蓬莱镇组高产气井层段主要储气层埋深在550～1500m左右。对苏码头构造的主要断层进行断面压力分析后发现，断层的封闭性随断层的埋深的减小而变弱，因此蓬莱镇组上部断层对气藏起到了破坏作用，施工时只要不直接破坏砂岩，仍然可以依赖砂岩的侧向封闭作用防止油气沿断面纵向散失。蓬莱镇中下部断层的断面压力大于地层压力，断层是封闭的。

成都轨道交通18号线工程土建4标【兴～天】盾构区间位于龙泉山脉以西，合江镇镇区西北面，太和路西侧，区间起讫里程为y(z)dk34+030.585～y(z)dk38+575，区间全长9004单线延米。线路出兴隆站后，由西向偏东方向沿规划路敷设，沿线依次下穿的主要建筑物有红星路路南延线、鹿溪河及桥墩、dn720威青线燃气管及成自泸高速等，区间两侧主要为现状农田、林地，山头较多，地形起伏大，最大高差40m。区间属于洛带气田和苏码头气田影响区，影响程度为天然气危害低区，为低瓦斯盾构掘进区间。区间隧道最小纵坡坡度为2‰，最大纵坡坡度为28‰。线路最大隧顶埋深约45.2m，最小隧顶埋深约5.4m，最小平面曲线半径1200m。本区间隧道主要穿越中风化泥岩，局部穿越中风化砂岩。

成都轨道交通18号线工程处于苏码头气田与三大湾气田范围内，因构造体系及稳定贯通裂隙(断层)致使下部天然气上升，隧道内可能存在瓦斯。本区间位于苏码头油气田与三大湾油气田的结合部，根据地层浅层天然气测结果，本区间无瓦斯气体，但考虑在钻孔m18bk-ts-25在封孔24小时后天然气测试浓度为5200/5340/5460ppm，钻孔m18z2-lb-36检测到少量一氧化碳(co)存在，其浓度达到12ppm，因此本区定为低瓦斯区间。

瓦斯隧道盾构掘进有着极高的危险性。由于隧道底部围岩为油气层，是隧道施工瓦斯的补给源。而且，不同于煤层瓦斯的是，油气田区瓦斯无处不在。只要有断层、节理带存在，通常就会有瓦斯溢出。

现有技术公开了专利申请号为cn200910022957.5的地铁盾构瓦斯隧道施工方法，文中着重阐述了对瓦斯的监测和施工技术，但是文中仅仅阐述了对于瓦斯的监测，而没有阐述如何减少低瓦斯盾构隧道内的瓦斯量，在进行低瓦斯盾构隧道施工时，仅通过通风手段对瓦斯进行排放，存在一定的施工安全隐患。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是现有技术缺乏减少低瓦斯盾构隧道内的瓦斯量的有效手段，在进行低瓦斯盾构隧道施工时，仅通过通风手段对瓦斯进行排放，存在一定的施工安全隐患，目的在于提供一种低瓦斯盾构隧道施工方法，解决上述问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种低瓦斯盾构隧道施工方法，包括以下步骤：s1：对盾构机出渣方案进行设计，并将出渣方案设置为台车侧面出渣；s2：根据出渣量选择螺旋出料机型号和运渣电瓶车型号，并根据出渣量确定盾构井处龙门吊型号和数量；s3：对盾构隧道进行通风，并设置瓦斯监测点；s4：在盾构机掘进过程中通过泡沫和水对渣土进行改良至渣土在螺旋输料机上形成土塞；s5：对成型隧道接缝处进行过量注浆；s6：当隧道内瓦斯超限时，执行应急方案。

现有技术中，缺乏减少低瓦斯盾构隧道内的瓦斯量的有效手段，在进行低瓦斯盾构隧道施工时，仅通过通风手段对瓦斯进行排放，存在一定的施工安全隐患。本发明应用时，先对盾构机出渣方案进行设计，并将出渣方案设置为台车侧面出渣；发明人发现盾构掘进阶段中，渣土源源不断的随着盾构机的掘进而进入隧道内，富含在土体中的瓦斯气体会在隧道内充分释放，这是隧道内瓦斯的一个主要来源；一般盾构隧道都是采用正面端头出渣，而本申请针对这种状况，通过将出渣设计为台车侧面进行出渣，可正常使用20m³渣斗(正面端头出渣采用小渣斗出渣每次出渣一斗5m³)，且一次可出渣两斗，极大地提高了出渣效率。

然后根据出渣量选择螺旋出料机型号和运渣电瓶车型号，并根据出渣量确定盾构井处龙门吊型号和数量；对出渣井、电瓶车和出渣龙门吊进行匹配设计，避免了渣土在井下的堆积，减少了渣土在井下释放瓦斯的时间，从而有效降低了隧道内的瓦斯含量。

再对盾构隧道进行通风，并设置瓦斯监测点；再然后在盾构机掘进过程中通过泡沫和水对渣土进行改良至渣土在螺旋输料机上形成土塞；发明人发现盾构掘进阶段中，掌子面处瓦斯会从螺旋输送机口渗透入隧道内，这是隧道内瓦斯的主要来源之一，针对这种状况，本申请根据出渣情况及时向开挖面注入优质的泡沫和水，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器出土时的密封性，并且渣土形成土塞，进一步提高螺旋输送机口的密封性，减少瓦斯从螺旋输送机口泄入隧道。

再然后对成型隧道接缝处进行过量注浆；发明人发现成型隧道处的瓦斯渗入也是隧道内瓦斯的一个来源，成型隧道接缝处的瓦斯渗入量与注浆效果密切相关，所以本工法通过提高施工注浆量来降低瓦斯从成型隧道接缝处的渗入量。而当隧道内瓦斯超限时，执行应急方案。

本发明将低瓦斯盾构隧道的瓦斯源头分为螺旋输送机口的瓦斯渗透、成型隧道接缝处瓦斯渗入和出渣过程中渣土的瓦斯释放；并对不同类型的源头采取针对性施工措施；从而从源头上减少了低瓦斯盾构隧道内的瓦斯含量，有效的降低了低瓦斯盾构隧道的施工风险。

进一步的，步骤s6包括以下子步骤：s61：设置瓦斯限值的第一阈值和第二阈值；s62：当瓦斯浓度达到第一阈值时，紧急关闭螺旋输送机闸门，停止盾构掘进并加强通风；当瓦斯浓度达到第二阈值时，进行瓦斯超前预释放。

进一步的，所述瓦斯超前预释放包括以下步骤：根据盾构隧道前方地质情况确定预排放手段；所述预排放手段包括在隧道掌子面前方开挖竖井和在隧道掌子面前方施工多组钻孔。

进一步的，所述隧道掌子面前方开挖竖井包括垂直竖井和斜竖井，所述斜竖井的走向与围岩节理走向一致。

本发明应用时，先设置瓦斯限值的第一阈值和第二阈值，这里是为了针对不同的工况作出不同的应急反应，然后当瓦斯浓度达到第一阈值时，紧急关闭螺旋输送机闸门，停止盾构掘进并加强通风，当任一值达到报警值，监测控制系统发出报警信号和关联设备的控制指令，主司机可紧急关闭螺旋输送机闸门，停止盾构掘进。主机室的瓦斯浓度等监测数据应能传至地铁公司安全风险监控系统，以便实现集中管控。

而当瓦斯浓度达到第二阈值时，进行瓦斯超前预释放，本申请创造性的提出了针对瓦斯超限状况下进行超前排气竖井施工的应急预案，采用该种预案可以有效的提高低瓦斯盾构施工的安全性，并在突发状况下降低盾构隧道内瓦斯浓度，保障施工进度。

主要的超前排气竖井施工的应急预案采取在盾构隧道掘进方向上通挖掘竖井对盾构隧道前方的瓦斯进行提前排放，必要时可以采用斜竖井，尽量减小竖井与围岩节理走向的夹角；具体竖井的开挖措施视围岩节理发育等情况而定。当盾构隧道掘进方向上不具备竖井挖掘条件时，可以考虑采用多个钻孔的方式进行地层的预排放，从而减少因瓦斯而耽误的施工工期，有效的提高了施工安全；发明人发现采用钻孔的形式对于大断面的盾构隧道一般无法满足瓦斯排放的要求，所以创造性的选择了竖井的方式，并且由于采用了减小竖井与围岩节理走向夹角的方式，所以可以充分的释放隧道掌子面前方的瓦斯，从而可以实现及时复工，缩短了工期。

进一步的，所述第一阈值采用瓦斯浓度为0.5％；所述第二阈值采用瓦斯浓度为2％。

进一步的，步骤s4中所述泡沫采用fer为15的泡沫，且泡沫混合液浓度为3％。

进一步的，步骤s3包括以下子步骤：所述监测点设置于盾体内、铰接、螺旋机出渣口和台车顶部；所述监测点处的气体传感器包括甲烷传感器、一氧化碳传感器、二氧化碳传感器和氧气传感器。

进一步的，步骤s3包括以下子步骤：在盾构隧道内顶部设置防爆风扇；在盾构隧道内台车顶部设置射流风扇；设置通风管道连通洞外风机和盾构机，且通风方式选用压入式通风；在通风管道朝向防爆风扇和射流风扇处设置通风支路。

本发明应用时，瓦斯主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。瓦斯对空气的相对密度是0.554，所以在瓦斯扩散至盾构隧道内时，会发生聚集，主要聚集点在隧道顶部。发明人创造性的采用了防爆风扇和通风支路相结合的方式，防爆风扇对隧道顶部聚集的瓦斯进行吹散，使得瓦斯处于紊流扰动状态，并且浓度降低，体积增大，从而更加接近通风支路，通风支路对扩散后的瓦斯进行抽取，有效提高了隧道施工的安全性。

发明人在实际生产过程中发现，仅仅通过通风支路进行排风时，靠近隧道顶部处依然会存在一定的瓦斯聚集，威胁生产安全，所以发明人采用这种结合的方式，可以有效的将隧道顶部聚集的瓦斯彻底排出，提高了生产安全。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明一种低瓦斯盾构隧道施工方法，将低瓦斯盾构隧道的瓦斯源头分为螺旋输送机口的瓦斯渗透、成型隧道接缝处瓦斯渗入和出渣过程中渣土的瓦斯释放；并对不同类型的源头采取针对性施工措施；从而从源头上减少了低瓦斯盾构隧道内的瓦斯含量，有效的降低了低瓦斯盾构隧道的施工风险。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明步骤示意图；

图2为本发明实施例示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，本发明一种低瓦斯盾构隧道施工方法，包括以下步骤：s1：对盾构机出渣方案进行设计，并将出渣方案设置为台车侧面出渣；s2：根据出渣量选择螺旋出料机型号和运渣电瓶车型号，并根据出渣量确定盾构井处龙门吊型号和数量；s3：对盾构隧道进行通风，并设置瓦斯监测点；s4：在盾构机掘进过程中通过泡沫和水对渣土进行改良至渣土在螺旋输料机上形成土塞；s5：对成型隧道接缝处进行过量注浆；s6：当隧道内瓦斯超限时，执行应急方案。

本实施例实施时，先对盾构机出渣方案进行设计，并将出渣方案设置为台车侧面出渣；发明人发现盾构掘进阶段中，渣土源源不断的随着盾构机的掘进而进入隧道内，富含在土体中的瓦斯气体会在隧道内充分释放，这是隧道内瓦斯的一个主要来源；一般盾构隧道都是采用正面端头出渣，而本申请针对这种状况，通过将出渣设计为台车侧面进行出渣，可正常使用20m³渣斗(正面端头出渣采用小渣斗出渣每次出渣一斗5m3)，且一次可出渣两斗，极大地提高了出渣效率。然后根据出渣量选择螺旋出料机型号和运渣电瓶车型号，并根据出渣量确定盾构井处龙门吊型号和数量；对出渣井、电瓶车和出渣龙门吊进行匹配设计，避免了渣土在井下的堆积，减少了渣土在井下释放瓦斯的时间，从而有效降低了隧道内的瓦斯含量。再对盾构隧道进行通风，并设置瓦斯监测点；再然后在盾构机掘进过程中通过泡沫和水对渣土进行改良至渣土在螺旋输料机上形成土塞；发明人发现盾构掘进阶段中，掌子面处瓦斯会从螺旋输送机口渗透入隧道内，这是隧道内瓦斯的主要来源之一，针对这种状况，本申请根据出渣情况及时向开挖面注入优质的泡沫和水，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器出土时的密封性，并且渣土形成土塞，进一步提高螺旋输送机口的密封性，减少瓦斯从螺旋输送机口泄入隧道。再然后对成型隧道接缝处进行过量注浆；发明人发现成型隧道处的瓦斯渗入也是隧道内瓦斯的一个来源，成型隧道接缝处的瓦斯渗入量与注浆效果密切相关，所以本工法通过提高施工注浆量来降低瓦斯从成型隧道接缝处的渗入量。而当隧道内瓦斯超限时，执行应急方案。本发明将低瓦斯盾构隧道的瓦斯源头分为螺旋输送机口的瓦斯渗透、成型隧道接缝处瓦斯渗入和出渣过程中渣土的瓦斯释放；并对不同类型的源头采取针对性施工措施；从而从源头上减少了低瓦斯盾构隧道内的瓦斯含量，有效的提高了低瓦斯盾构隧道的施工风险。

实施例2

如图2所示，本实施例在实施例1的基础上，步骤s6包括以下子步骤：s61：设置瓦斯限值的第一阈值和第二阈值；s62：当瓦斯浓度达到第一阈值时，紧急关闭螺旋输送机闸门，停止盾构掘进并加强通风；当瓦斯浓度达到第二阈值时，进行瓦斯超前预释放。所述瓦斯超前预释放包括以下步骤：根据盾构隧道前方地质情况确定预排放手段；所述预排放手段包括在隧道掌子面前方开挖竖井和在隧道掌子面前方施工多组钻孔。所述隧道掌子面前方开挖竖井包括垂直竖井和斜竖井，所述斜竖井的走向与围岩节理走向一致。

本实施例实施时，先设置瓦斯限值的第一阈值和第二阈值，这里是为了针对不同的工况作出不同的应急反应，然后当瓦斯浓度达到第一阈值时，紧急关闭螺旋输送机闸门，停止盾构掘进并加强通风，当任一值达到报警值，监测控制系统发出报警信号和关联设备的控制指令，主司机可紧急关闭螺旋输送机闸门，停止盾构掘进。主机室的瓦斯浓度等监测数据应能传至地铁公司安全风险监控系统，以便实现集中管控。而当瓦斯浓度达到第二阈值时，进行瓦斯超前预释放，本申请创造性的提出了针对瓦斯超限状况下进行超前排气竖井施工的应急预案，采用该种预案可以有效的提高低瓦斯盾构施工的安全性，并在突发状况下降低盾构隧道内瓦斯浓度，保障施工进度。主要的超前排气竖井施工的应急预案采取在盾构隧道掘进方向上通挖掘竖井对盾构隧道前方的瓦斯进行提前排放，必要时可以采用斜竖井，尽量减小竖井与围岩节理走向的夹角；具体竖井的开挖措施视围岩节理发育等情况而定。当盾构隧道掘进方向上不具备竖井挖掘条件时，可以考虑采用多个钻孔的方式进行地层的预排放，从而减少因瓦斯而耽误的施工工期，有效的提高了施工安全。

实施例3

本实施例在实施例1的基础上，步骤s4中所述泡沫采用fer为15的泡沫，且泡沫混合液浓度为3％。

本实施例实施时，发明人发现通过这种配比的泡沫可以达到实现土塞的目的。

实施例4

本实施例在实施例1的基础上，步骤s3包括以下子步骤：在盾构隧道内顶部设置防爆风扇；在盾构隧道内台车顶部设置射流风扇；设置通风管道连通洞外风机和盾构机，且通风方式选用压入式通风；在通风管道朝向防爆风扇和射流风扇处设置通风支路。

本实施例实施时，瓦斯主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮和水气，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。瓦斯对空气的相对密度是0.554，所以在瓦斯扩散至盾构隧道内时，会发生聚集，主要聚集点在隧道顶部。发明人创造性的采用了防爆风扇和通风支路相结合的方式，防爆风扇对隧道顶部聚集的瓦斯进行吹散，使得瓦斯处于紊流扰动状态，并且浓度降低，体积增大，从而更加接近通风支路，通风支路对扩散后的瓦斯进行抽取，有效提高了隧道施工的安全性。发明人在实际生产过程中发现，仅仅通过通风支路进行排风时，靠近隧道顶部处依然会存在一定的瓦斯聚集，威胁生产安全，所以发明人采用这种结合的方式，可以有效的将隧道顶部聚集的瓦斯彻底排出，提高了生产安全。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。