摘要：本文主要介绍了成都轨道交通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，主要分析了低瓦斯隧道的特征及危害，通过对盾构机、电气设备和机械设备等进行低瓦斯防爆改造，加强盾构机掘进过程中通风和消防管理，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，从而保证施工安全。
关键词：瓦斯的特性；检测和监控；通风；防爆改造；盾构掘进瓦斯突出防治措施
1、工程概况及地质情况
1.1 工程简介
成都轨道交通18号线二期工程起于龙泉山隧道出口止于天府国际机场，二期工程线路长约22公里，其中盾构法施工低瓦斯隧道位于机场南站～T3T4站区间范围，单线全长1913.79m，区间隧道采用直径为8.6米土压平衡盾构机实现掘进和管片拼装。
1.2 地质及水文情况
地质情况：本区间隧道穿越地层主要为<7-1-3>中风化泥岩、<7-2-2>强风化砂岩和<7-2-3>中风化砂岩，泥岩具有遇水膨胀、软化、崩解，失水收缩、开裂的特点。
水文情况：区间隧道地表水主要为池塘、沟渠流水；地下水主要有二种类型：一是赋存于填土层的孔隙水，二是基岩裂隙水。
2、区间隧道瓦斯特性
2.1 瓦斯概况
通过地质检测结果显示本区间隧道瓦斯浓度较低，最大浓度1230ppm，根据《铁路瓦斯隧道技术规范》判定该段地下工程属于低瓦斯隧道，属于三级危害区，施工中需对设备进行瓦斯针对性设计并加强通风和瓦斯监测。
2.2 瓦斯的特性
瓦斯是地下空气的有害气体，主要是甲烷，根据其危害性及其特性，大致可分为以下几种类型。
2.2.1 爆炸性
瓦斯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的浓度后，遇到火源，才会燃烧和发生爆炸。
2.2.2 渗透性
瓦斯的渗透性极高，扩散速度快，其扩散性较空气高1.6倍，容易透过裂隙发达、结构松散的岩石或煤层，渗透到隧道（或矿井）开挖空间里。
2.2.3 不稳定性
瓦斯在煤体和围岩中以游离状态和吸着状态存在。两种状态的瓦斯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。
2.2.4 窒息性
瓦斯是无毒、无色、无味的，但不适合呼吸。瓦斯浓度升高，空气中氧气浓度急剧下降，当空气中含氧量低于12％时，人们就是因缺氧窒息死亡。
2.3 瓦斯爆炸的条件
（1）瓦斯浓度
瓦斯爆炸有一定的浓度范围，我们把在空气中瓦斯遇火后能引起爆炸的浓度范围称为瓦斯爆炸界限。当瓦斯浓度低于5％时，遇火不爆炸；当瓦斯浓度为5％~16％极易发生爆炸，且瓦斯浓度为9.5％时，其爆炸威力最大；瓦斯浓度在16％以上时，失去爆炸性。
（2）氧的浓度
空气中的氧气浓度降低时，瓦斯爆炸界限随之缩小，当氧气浓度减少到12％以下时，瓦斯混合气体失去爆炸性。
（3）高温火源
高温火源的存在，是引起瓦斯爆炸的必要条件之一。点燃瓦斯的最低温度，一般认为应当为650℃～750℃。当瓦斯含量在7％～8％时，最易引燃；当混合气体的压力增高时，引燃温度即降低；在引火温度相同时，火源面积越大、点火时间越长，越易引燃瓦斯。
2.4瓦斯隧道防爆原理
瓦斯隧道施工总原则为：控火源，防涌出，重监测，强通风。
2.5防止瓦斯爆炸措施
瓦斯爆炸的条件是：一定浓度的瓦斯、一定浓度的氧气以及高温火源同时存在。为了防止瓦斯爆炸，最直接有效的措施就是避免瓦斯爆炸的3个条件同时成立。由于隧道施工必须保证有充足的氧气，因此防止瓦斯爆炸主要控制瓦斯浓度和高温火源。
3、瓦斯检测监控
3.1 瓦斯检测监控方案
瓦斯检测监控采用以自动监测系统为主，人工检测为辅，两者相结合的形式。
自动监测：盾构上主要关键位置均设置有甲烷传感器，并将数据传输至地面监控室，实现甲烷浓度实时在线监测；当甲烷浓度达到报警设定值时，系统发出声光报警，螺旋输送机闸门自动关闭，停止盾构掘进。
人工检测：采用便携式瓦斯检测仪和光干式瓦斯检测仪对作业区瓦斯易聚集处进行检测，确保施工安全。瓦检员以1次/2小时连续平行检测，及时上报并做好存档记录。
3.2 自动监测系统
隧道盾构机上安装一套自动监测系统，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。固定在盾构机上的瓦斯监测仪，分别安装在螺旋机出土口、人仓门口、3号台车顶部、五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。
3.3人工检测
3.3.1 配备瓦检人员
瓦检员必须具有实践经验，掌握一定的通风、瓦斯知识和技能，瓦检员必须经专门培训，考试合格，持证上岗。隧道内必须保证24小时有瓦检员进行检测。
3.3.2 检测仪器
人工检测采用便携式瓦斯检测仪和光干式瓦斯检测仪对作业区瓦斯易聚集处进行检测，确保施工安全。每工作班安排瓦检员以1次/2小时连续平行检测，及时上报并做好存档记录。
3.3.3人工检测瓦斯测点位置
盾构法施工：盾构机中盾顶部油缸；盾尾内管片顶部；螺旋机出渣口；射流风机上部；每节台车中部；台车范围内每20米检测一个断面（主要断面上半部）；成型隧道顶部50m一次。
新奥法施工（联络通道、泵房）：掌子面风流、掌子面回风流；高冒处（有瓦斯喷出地点）；串联通风时，被串联局部通风机吸风口外20米范围的风流中。
4、 风、瓦电闭锁
4.1 瓦电闭锁系统
盾构机上主要关键位置均设置瓦斯气体监测传感器，并将数据传输至地面监控室，实现甲烷浓度实时在线监测。当隧道内瓦斯气体达到浓度报警设定值0.3%时，系统发出声光报警的报警功能，同时，自动关闭螺旋机卸料闸门，防止瓦斯气体的溢出；盾构操作手应该采取紧急措施，停止盾构机的掘进，加强通风，准备撤离；如瓦斯浓度持续上升，当盾构机监测到瓦斯浓度达到0.5%时，盾构机高压开关通过PLC控制关断盾构机电源，并给地面高压开关信号，关闭地面高压开关，实现瓦电闭锁功能。
4. 2 风电闭锁系统
盾构机台车出风口处安装风速感应装置，风速感应装置与盾构机操控室PLC连在一起，在盾构机上设置当风速装置感应到无风时，盾构机自动关闭螺旋输送机闸门；同时，盾构机高压开关通过PLC控制关断盾构机电源，并给地面高压开关信号，关闭地面高压开关，实现风电闭锁功能。
5、低瓦斯隧道通风方案
5.1 通风方式选择
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射流风机，增加局部风速，降低瓦斯汇集概率。
盾构采用一次通风，通风到螺机出土口，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，局部风机的通风量宜不超过隧道压入风量的0.3倍，有效输送距离宜完成盾构设备的通风接力即可。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
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，减少瓦斯汇集概率，局部通风设计如下：盾体内，在上平台左右两侧各增加一台风机，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；在连接桥上部增加一台射流风机，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；在3#5#拖车顶部各增加一台射流风机，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。
5.2 通风设计标准
（1）空气中氧气含量，按体积计不得小于20%。
（2）有害气体最高容许浓度：一氧化碳最高容许浓度为30mg/m3。
（3）二氧化碳按体积计不得大于0.5%。
（4）氮氧化物（换算成NO2）为5mg/m3以下。
（5）隧道施工通风应能提供洞内各项作业所需的最小风量，每人应供应新鲜空气4m3/min。
（6）低瓦斯隧道施工中隧道回流风速不得小于1m/s。
5.3通风管理
瓦斯隧道在施工期间，应保持24小时不间断通风。因检修、停电等原因停风时，必须停止施工，撤出人员，切断电源。恢复通风前，必须检查瓦斯浓度。当停风区中瓦斯浓度不超过1％，并在局部通风机及其开关地点附近20m以内风流中的瓦斯浓度均不超过0.3％时，方可人工开动局部通风机。
6、防爆改造
6.1 盾构机防爆措施
（1）盾构机螺旋输送机采用双闸门，关闭时防止土舱内有害气体溢出。
（2）“瓦电闭锁”：盾构机配备一套防爆甲烷检测系统，盾构上主要关键位置均设置有甲烷传感器，甲烷浓度实时在线检测，当甲烷浓度达到报警设定值时，发出声光报警，当达到停机设定值时，切断常规部分的供电，只保留防爆系统部分的供电。防爆系统包含甲烷检测系统、照明通风系统。
（3）“风电闭锁”：盾构一次通风处于盾构台车位置处安装风速感应装置，当该装置感应到无风时，自动关闭螺旋输送机闸门；同时，通过盾构机PLC给地面信号，关闭高压电缆开关，人员撤离，只保留隧道内应急照明和甲烷检测系统供电。
（4）盾构机一次通风直接送至螺旋机出渣口附近，稀释有害气体浓度，盾构机内二次通风主要为排风，提高盾构机内的回流风速。
（5）盾尾刷增加到4排盾尾刷，提高盾尾的密封能力。
（6）隧道内变压器更换为干式变压器，集成为全密闭水冷形式箱变，加强散热效果并且实现与外界环境隔离。
（7）盾构机上所有高压开关柜做成防爆式柜体，所有用于应急照明相关的设备均采用防爆形式，包含防爆应急灯、防爆接线盒和防爆开关箱。
6.2 照明、电缆、电气设备防爆措施
6.2.1 隧道照明
（1）成型隧道内照明宜每3-5环装一盏防爆日光灯，每10米装一盏防爆应急灯；宜每50米装一台防爆漏电插销。
（2）隧道内照明线零线宜用25平方单芯线，火线宜用16平方单芯线；隧道内主送风机电源一路与变配柜连接，另一路与备用发电机连接。
（3）照明电缆的敷设：电缆每隔2环用特制电缆挂钩固定在隧道壁，电缆挂钩用橡胶进行绝缘保护，电缆距走行面不应小于3.5m。
6.2.2电缆选用
本隧道电缆选用煤矿用阻燃性电缆，通信、信号电缆采用本质安全电路。一旦电气事故产生电火花，这些设备具有耐爆性和隔爆性，或产生的电火花能量不足以点燃瓦斯。宜每100米左右安装一个防爆型动力箱，供二次注浆和养护轨道用电，箱内宜选用15mA漏电开关。
6.2.3 作业机械
（1）隧道内作业机械应使用蓄电池电机车。
（2）作业机械严禁在停风或瓦斯超限的作业区段进行作业，但应配置便携式甲烷检测报警仪，同时应加强通风、瓦斯检测及施工安全管理，当瓦斯浓度超过0.5%时，应停止机车运行。
7、盾构掘进瓦斯突出防治措施
7.1 盾构掘进措施
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。
7.2 渣土改良
利用自动泡沫添加剂注入系统，根据出渣情况及时向开挖面注入优质的泡沫和高分子聚合物添加剂，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器出土时的密封性。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。
7.3 保持盾尾密封可靠
盾构盾尾密封可有效防止瓦斯从盾尾泄入隧道，如果盾尾密封失效管片破损、或止水条损坏等将会导致瓦斯由盾构尾部泄入，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。
（1）掘进中的姿态控制
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。
（2）加强盾尾油脂注入
盾构始发前严格控制尾刷内涂抹油脂质量，使用优质油脂，每道尾刷分三层仔细涂抹饱满。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，以防瓦斯通过盾尾进入隧道。
7.4加强管片拼装质量
盾尾和管片接缝是瓦斯泄露的第二大通道，我们在采取封堵措施的同时，通过提高管片拼装质量也能起到一定的作用。做好管片选型，避免盾尾将管片和止水条损坏，地层中瓦斯从破损处泄露入隧道。工班要配备熟练的管片拼装手，严格控制管片拼装错缝、错台，避免管片碎裂现象，保证管片拼装质量，有效的防止瓦斯从盾尾和管片接缝泄露。
7.5隧道内土方运输
根据正常施工组织每环是一次性出土，但由于渣土中含有瓦斯，为了缩短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。
8、 瓦斯隧道防火管理
8.1 动火制度
瓦斯隧道施工中如需动火，严格按照动火制度执行：
（1）瓦斯隧道洞内施工中可能产生高温、明火的电气焊、防水板焊接等工序界定为特殊工序，实行动火管理制度。
（2）动火作业时，瓦检员和专职安全员必须全过程监测瓦斯浓度，同时作业地点采用局部通风措施，保证该范围内瓦斯浓度不超标。
（3）动火作业施工现场无专职瓦检员、安全员监控，作业处无2个及以上灭火器时不得实施作业。
8.2 防火措施
（1）防止电气火源和静电火源
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。
（2） 防止摩擦和撞击点火
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。
（3） 防止明火点燃
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。
（4）防止其他火源
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。
8.3 消防管理
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。
9、结语
成都轨道交通盾构法施工在穿越低瓦斯地层施工过程中，针对瓦斯突出可能带来的危害，通过对盾构机、电气设备以及作业机械进行主动防护的防爆改造，并采用高科技信息控制技术对瓦斯全过程检测监控和预警，科学实施通风和消防措施，结合现场制定了高效的管理制度和施工方法，成功的将瓦斯危害降到最低实现了施工安全目标，同时为后续瓦斯隧道盾构工法的施工进一步积累了施工经验。
论文作者:潘志海
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年8期
论文发表时间:2019/8/5
标签：瓦斯论文; 盾构论文; 隧道论文; 浓度论文; 管片论文; 作业论文; 甲烷论文; 《建筑学研究前沿》2019年8期论文;