地鐵高瓦斯隧道的施工方法選擇

段軍朝 布占江 何凱罡 徐 智

(1.華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，430064，武漢； 2.中建三局集團(tuán)有限公司，430064，武漢；3.中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司，430061，武漢 ∥ 第一作者，高級(jí)工程師)

成都軌道交通6號(hào)線和18號(hào)線穿越油氣田區(qū)，部分隧道位于高瓦斯區(qū)段。這種地層條件在國(guó)內(nèi)地鐵領(lǐng)域尚屬首次，也給工程技術(shù)人員帶來(lái)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

文獻(xiàn)[1-9]針對(duì)高瓦斯區(qū)間隧道施工中的瓦斯監(jiān)測(cè)、設(shè)備防爆改裝、爆破開挖、隧道通風(fēng)、安全防控等方面展開了相關(guān)研究，取得了較為豐富的研究成果。但關(guān)于高瓦斯隧道不同施工方法的對(duì)比研究較少，尤其是缺乏針對(duì)泥巖、砂巖等特定地層條件下的相關(guān)研究。

本文主要從施工安全、施工工期、施工造價(jià)和環(huán)境保護(hù)等方面入手，以成都軌道交通6號(hào)線(以下簡(jiǎn)為“6號(hào)線”)三期工程為依托，探討城郊高瓦斯地鐵隧道的施工方法，對(duì)比分析試驗(yàn)段各種開挖方法的優(yōu)劣，以期為后續(xù)泥巖、砂巖及高瓦斯地層隧道施工提供參考。

1 工程概況

6號(hào)線三期工程正線全長(zhǎng)22 km，位于成都市高新區(qū)和天府新區(qū)，線路呈由北向南再至西走向，貫穿蘇碼頭構(gòu)造及其油氣田主要發(fā)育區(qū)，并受到鹽井溝構(gòu)造和龍泉山三大灣氣田的影響。專項(xiàng)勘察期間，蒲草塘站—萬(wàn)安站、萬(wàn)安站—麓山大道站、麓山大道站—沈陽(yáng)路站、沈陽(yáng)路站—青島路站、青島路站—廟兒堰站5個(gè)區(qū)間共布37個(gè)鉆孔，間距約120 m；甲烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～85 000 mg/L范圍內(nèi)，部分達(dá)到天然氣燃爆極限。同時(shí)部分鉆孔還檢測(cè)到少量的CO和H2S氣體，結(jié)合蘇碼頭油氣田構(gòu)造條件下淺層天然氣的形成、儲(chǔ)藏、運(yùn)移和逸出特征，判定此5個(gè)區(qū)間為高瓦斯區(qū)間。

5個(gè)高瓦斯區(qū)間埋深為7～26 m。地鐵隧道結(jié)構(gòu)斷面范圍內(nèi)主要為泥巖、砂巖，可細(xì)分為強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖，巖質(zhì)較軟。中風(fēng)化泥巖天然單軸抗壓強(qiáng)度為2.33～6.36 MPa，中風(fēng)化砂巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度為7.06～18.49 MPa。巖石節(jié)理裂隙較為發(fā)育，地勘報(bào)告中確定的圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí)圍巖。沿線地下水主要是上層滯水、第四系孔隙水和基巖裂隙水，但大部分基巖的含水量較少。

6號(hào)線三期工程大部分位于城郊，其中的萬(wàn)安站—麓山大道站、麓山大道站—沈陽(yáng)路站、沈陽(yáng)路站—青島路站、青島路站—廟兒堰站4個(gè)區(qū)間周邊環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單，大都屬于荒地或已經(jīng)拆遷的農(nóng)房，僅有蒲草塘站—萬(wàn)安站區(qū)間約300 m處于新建道路正下方。另外萬(wàn)安站—麓山大道站區(qū)間橫向穿越市政道路1條，小里程端西側(cè)有居民小區(qū)1個(gè)；麓山大道站—沈陽(yáng)路站區(qū)間橫向穿越市政道路2條、側(cè)穿中國(guó)移動(dòng)辦公樓1座，小里程端西側(cè)有居民小區(qū)2個(gè)、東側(cè)有居民小區(qū)1個(gè)。

2 地鐵高瓦斯隧道區(qū)間的施工方法選擇

2.1 設(shè)計(jì)階段施工方法選擇

地鐵區(qū)間工程常用的施工方法主要有盾構(gòu)法、礦山法和明挖法。方法選用需要考慮建設(shè)造價(jià)、工期計(jì)劃、結(jié)構(gòu)埋深、地形地貌、工程地質(zhì)及水文地質(zhì)、周邊環(huán)境、渣土外運(yùn)難易等因素。

盾構(gòu)法以其自動(dòng)化程度高、施工速度快、開挖時(shí)地面沉降易控制、受地面建筑物影響小、作業(yè)環(huán)境較好等優(yōu)點(diǎn)，已成為區(qū)間隧道施工的首選方法。但盾構(gòu)法在高瓦斯隧道的應(yīng)用屬于空白地帶，盾構(gòu)法在低瓦斯隧道中應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)也十分稀少，已知的安全保障措施主要為：

1) 配備瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)瓦電閉鎖，并輔以人工檢測(cè)；

2) 加強(qiáng)洞內(nèi)通風(fēng)，采用大直徑抗靜電阻燃風(fēng)管，延長(zhǎng)風(fēng)管出口，配備局部風(fēng)扇，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)風(fēng)電閉鎖；

3) 洞內(nèi)采用水冷干式變壓器、防爆電纜、防爆燈具、防爆電話，配置備用發(fā)電機(jī)；

4) 采取掘進(jìn)姿態(tài)控制、渣土改良、盾構(gòu)密封、管片拼裝等環(huán)節(jié)的輔助措施；

5) 進(jìn)洞門禁、動(dòng)火審批等管理措施。

由此可見，針對(duì)盾構(gòu)機(jī)和電瓶車本身的防爆技術(shù)措施不足，不能達(dá)到隔爆型或本質(zhì)安全型電氣設(shè)備的技術(shù)要求，若在高瓦斯隧道采用盾構(gòu)法施工，安全風(fēng)險(xiǎn)很高。

礦山法是十分成熟的隧道施工方法，地鐵區(qū)間埋深一般較淺，也被稱為淺埋暗挖法。與盾構(gòu)法相比較，礦山法隧道斷面可以靈活多變，線路的曲線半徑可以更小。因地鐵工程主要位于城鎮(zhèn)，對(duì)地表沉降控制較為嚴(yán)格，需要強(qiáng)調(diào)地層的預(yù)支護(hù)和預(yù)加固，即“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”。對(duì)于本工程而言，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，區(qū)間部分?jǐn)嗝骓敳刻幱趶?qiáng)化巖層，進(jìn)洞段考慮采用管棚支護(hù)，進(jìn)洞之后考慮采用小導(dǎo)管超前注漿等措施；分部開挖方式可根據(jù)斷面大小選擇，以達(dá)到控制變形的要求；另外，礦山法在高瓦斯隧道應(yīng)用的成功案例已經(jīng)很多，現(xiàn)有的技術(shù)和管理措施相對(duì)成熟，基本能夠保障高瓦斯隧道施工的安全。因此，礦山法是較為適用的施工方法。

明挖法能夠最大程度地降低甚至消除瓦斯給施工帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。工作面可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置，施工速度較快，工程造價(jià)相對(duì)較低，但也受到周邊環(huán)境、結(jié)構(gòu)埋深、地下水、土石方開挖難易度及土方外運(yùn)等因素的影響?；又ёo(hù)、降水措施、土石方開挖及回填等工程量隨著這些因素的影響會(huì)產(chǎn)生很大的變化。

綜上所述，應(yīng)采用礦山法和明挖法相結(jié)合的方式進(jìn)行地鐵高瓦斯隧道施工，其優(yōu)劣對(duì)比分析詳見表1。結(jié)合工程實(shí)際情況，兼顧工期、安全、造價(jià)、適用性等因素，本項(xiàng)目5個(gè)高瓦斯地鐵隧道區(qū)間實(shí)際采用的施工方法如圖1所示。

圖1 地鐵高瓦斯隧道區(qū)間的施工方法分布

表1 地鐵高瓦斯隧道區(qū)間明挖法與礦山法對(duì)比表

2.2 施工階段開挖方法選擇

2.2.1 開挖方案初選

礦山法隧道的開挖方法多種多樣，從斷面開挖順序上可分為全斷面法、臺(tái)階法、中隔壁法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。從巖土體破除方式上包括鉆孔爆破法(即鉆爆法)和機(jī)械開挖法。機(jī)械開挖常用設(shè)備有懸臂掘進(jìn)機(jī)、挖掘機(jī)或由其改裝而成的“炮機(jī)”等機(jī)具。

1) 高瓦斯隧道單洞單線開挖斷面總面積為39.16 m2，跨度為6.76 m，屬于小斷面隧道?？紤]圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育和變形控制要求，選用短臺(tái)階法施工，分上臺(tái)階以及下臺(tái)階和仰拱兩步進(jìn)行開挖和支護(hù)，上臺(tái)階初期支護(hù)增設(shè)鎖腳錨桿，并將其作為臨時(shí)支撐控制拱頂沉降和圍巖變形。

2) 高瓦斯隧道鉆爆開挖技術(shù)較為成熟，主要安全技術(shù)要求如下：①采用濕式鉆孔；②采用煤礦許用炸藥，嚴(yán)禁反向裝藥；③采用電力起爆，并使用煤礦許用電雷管，當(dāng)使用煤礦許用毫秒延期電雷管時(shí)，最后一段的延期時(shí)間不得大于130 ms；④爆破網(wǎng)絡(luò)必須采用串聯(lián)連接方式，瞬發(fā)電雷管與毫秒電雷管不得在同一申聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中使用；⑤采用防爆型起爆器作為起爆電源，一個(gè)開挖工作面不得同時(shí)使用兩臺(tái)及以上起爆器起爆；⑥嚴(yán)格控制裝藥前、爆破前和爆破后的洞內(nèi)瓦斯?jié)舛?。?duì)于本工程，線路周邊環(huán)境較為簡(jiǎn)單，對(duì)爆破振動(dòng)控制要求不高，少量鄰近既有建(構(gòu))筑物地段可以改為機(jī)械開挖方式，但Ⅴ級(jí)圍巖條件下超欠挖控制還需要進(jìn)一步研究論證。

3) 懸臂掘進(jìn)機(jī)早期主要用于煤礦工程，近年來(lái)逐漸被應(yīng)用到公路、鐵路及水工等隧道工程，但尚未在地鐵高瓦斯隧道工程應(yīng)用[10-12]。目前，市面上的掘進(jìn)機(jī)主要有防爆和非防爆兩種類型，即煤礦掘進(jìn)機(jī)和隧道掘進(jìn)機(jī)，從安全角度出發(fā)，煤礦掘進(jìn)機(jī)能夠適用于高瓦斯隧道。煤礦掘進(jìn)機(jī)的型號(hào)多樣，以徐工系列為例，鏟板寬度為2.8～3.8 m，機(jī)身尺寸在2.200 m×1.470 m至3.000 m×2.195 m(寬度×高度)范圍內(nèi)，定位切割范圍為4.00 m×4.84 m至5.70 m×7.10 m(寬度×高度)；最大切割巖石強(qiáng)度為70～130 MPa，經(jīng)濟(jì)切割巖石強(qiáng)度為60～100 MPa；供電電壓有AC 660 V和AC 1 140 V兩種；爬坡能力最大為18°。區(qū)間隧道單洞單線斷面分部開挖輪廓尺寸最大為6.76 m×3.38 m(寬度×高度)，隧道斷面內(nèi)巖石強(qiáng)度均小于經(jīng)濟(jì)切割強(qiáng)度。綜上所述，可初步判定懸臂掘進(jìn)機(jī)能夠適應(yīng)本工程的基本條件。

為進(jìn)一步研究鉆爆法和懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖法的優(yōu)劣，選取試驗(yàn)段進(jìn)行施工對(duì)比研究。試驗(yàn)段初期支護(hù)中鋼架間距為0.9 m，循環(huán)進(jìn)尺按2榀鋼架間距，即1.8 m控制。

2.2.2 鉆孔爆破開挖

根據(jù)工程特點(diǎn)，上、下臺(tái)階均采用光面爆破的方式進(jìn)行淺孔松動(dòng)爆破。利用延時(shí)爆破理論，增強(qiáng)碎巖作用、降低振動(dòng)效應(yīng)、減小巖體拋擲及提升斷面成型效果，遵循“多打孔、少裝藥、多分段”原則。采用YT28氣腿式鑿巖機(jī)鉆孔，鉆孔直徑為40 mm；采用水平楔形掏槽方式，掏槽眼和底板眼深度取2.3 m，輔助眼和周邊眼深度取2 m；藥卷統(tǒng)一采用φ32 mm、長(zhǎng)20 cm藥卷(三級(jí)煤礦許用乳化炸藥)；雷管采用煤礦許用毫秒電雷管1～5段，最后一段延期時(shí)間為100 ms；上臺(tái)階單循環(huán)裝藥量為28.8 kg，下臺(tái)階裝藥量為26.7 kg；周邊眼、輔助眼、掏槽眼和底板眼裝藥集中度分別為0.2 kg/m、0.35 kg/m、0.39 kg/m、0.39 kg/m，炸藥單耗為0.8 kg/m3。爆破網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

圖2 爆破網(wǎng)絡(luò)示意圖

2.2.3 懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖

選用EBZ 160型懸臂掘進(jìn)機(jī)施工，機(jī)身尺寸為2.33 m×1.65 m(寬度×高度)，整機(jī)質(zhì)量為47 t，總功率為265 kW，定位切割范圍為5.4 m×4.8 m(寬度×高度)，最大切割巖石強(qiáng)度為80 MPa，裝載能力為4.32 m3/min。上臺(tái)階采用由中間向外逐漸擴(kuò)大、近似于同心巖掘進(jìn)的截割方式(見圖3)，下臺(tái)階采用自上而下的截割方式。

圖3 懸臂掘進(jìn)機(jī)施工現(xiàn)場(chǎng)照片

2.2.4 開挖方法結(jié)果對(duì)比

2.2.4.1 施工工效

鉆爆法主要工序平均耗時(shí)統(tǒng)計(jì)：鉆孔3.5 h，裝藥3 h，爆破、超欠挖處理和出渣12 h，立架7 h，噴錨8 h，合計(jì)循環(huán)一次需要33.5 h。受到火工品供應(yīng)、渣土外運(yùn)等因素影響，綜合進(jìn)尺約每月30 m。

懸臂掘進(jìn)機(jī)法主要工序平均耗時(shí)統(tǒng)計(jì)：開挖與出渣7 h，立架7 h，噴錨6 h，合計(jì)循環(huán)一次需要20 h。受到渣土外運(yùn)、設(shè)備故障等因素影響，綜合進(jìn)尺約每月60 m。

由此可見，懸臂掘進(jìn)機(jī)施工工效顯著高于鉆爆法，一是因?yàn)閼冶劬蜻M(jìn)機(jī)采用了邊掘進(jìn)、邊出渣的先進(jìn)工藝，改變了工序銜接關(guān)系，壓縮了施工用時(shí)；二是因?yàn)樵诟咄咚顾淼缹?shí)施爆破，需要嚴(yán)格執(zhí)行一炮三檢和3人連鎖放炮等復(fù)雜管理程序，掌子面附近的監(jiān)測(cè)傳感器和風(fēng)筒出口段需在爆破前后進(jìn)行移動(dòng)，進(jìn)而增加了爆破過(guò)程時(shí)間消耗。另外，城市地鐵施工中對(duì)火工品的管理也更加嚴(yán)格，偶爾存在火工品禁用和斷供問(wèn)題，影響現(xiàn)場(chǎng)施工的連續(xù)性。

2.2.4.2 施工質(zhì)量

采用鉆爆法施工時(shí)，由于圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，光面爆破效果較差，超欠挖問(wèn)題難以控制，超欠挖處理也導(dǎo)致了整體工效的降低。懸臂掘進(jìn)機(jī)能夠精確控制截割頭的截割路徑，基本不會(huì)出現(xiàn)超挖；若出現(xiàn)欠挖部分，通過(guò)局部修整則可達(dá)到規(guī)范要求，因此，與鉆爆法相比，懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖斷面成型質(zhì)量更好。

2.2.4.3 施工安全

懸臂掘進(jìn)機(jī)為防爆設(shè)備，只要做好設(shè)備的日常檢查、維護(hù)和保養(yǎng)，便能很好地保障瓦斯隧道施工安全。而鉆爆法施工工序多、管理程序復(fù)雜，對(duì)施工單位的管理水平提出了更高的要求。施工過(guò)程中容易出現(xiàn)飛石擊損風(fēng)筒、爆堆中殘留炸藥等安全問(wèn)題，爆破振動(dòng)也易引起附近居民投訴，因此，鄰近重要建(構(gòu))筑物還需進(jìn)行專門監(jiān)測(cè)。

2.2.4.4 施工造價(jià)

經(jīng)測(cè)算，懸臂掘進(jìn)機(jī)施工造價(jià)高于鉆爆法約20%，主要是因?yàn)樵O(shè)備租賃費(fèi)偏高。

3 結(jié)論

1) 城郊地鐵高瓦斯區(qū)間隧道在設(shè)計(jì)階段應(yīng)綜合考慮工程造價(jià)、施工安全、工期要求和周邊環(huán)境等多方面的因素選取施工方法。盾構(gòu)機(jī)和電瓶車不能達(dá)到隔爆型或本質(zhì)安全型電氣設(shè)備的技術(shù)要求；高瓦斯隧道不應(yīng)采用盾構(gòu)法施工，宜優(yōu)先選用明挖法施工；當(dāng)基坑開挖條件受限或埋深過(guò)大時(shí)，可采用礦山法進(jìn)行施工，這兩種方法應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況組合使用。

2) 與鉆爆法相比，采用懸臂掘進(jìn)機(jī)開挖地鐵高瓦斯隧道，在施工工效、施工質(zhì)量和施工安全等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。懸臂掘進(jìn)機(jī)施工速度是鉆爆法的兩倍，但施工造價(jià)相對(duì)較高，懸臂掘進(jìn)機(jī)每延米施工造價(jià)高于鉆爆法約20%。