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小编语
地层中含有易燃、易爆或有毒气体是隧道工程中的常见情况，根据气体的类型与浓度，施工中便需要采取各种安全措施。如何有效应对地层中的有害气体，同时兼顾效率、安全与环保呢？一起来了解一下吧！
有害气体 安大略百年下水干道工程中的上层污水隧道 自然界中，有机物腐烂会使甲烷和硫化氢等气体大量储存在地层中，其中，硫化氢便是地层内常见气体中的一种： ■ 加拿大安大略省的百年下水干道工程的上层污水隧道长5.2km，直径2.4m，施工中不仅遭遇地下水，更有大量硫化氢气体，最高体积浓度达200ppm，平均体积浓度也在40-50ppm。 ■ 由于15ppm以上的硫化氢气体便会对人体造成损害，2.4m直径的隧道内通风条件又较为有限，工人在隧道内必须佩戴全套空气过滤设备。 ■ 此外，硫化氢气体还具有较强腐蚀性，使隧道内装备与设施失效。实际施工中，铜制电话线路常常在一夜之间失效，不得不经常更换；TBM零件表面也由于腐蚀而发黑。 若工程预期在地层内存在有害气体，则必须针对隧道装备进行改进，使其具备防爆\防火\防腐蚀等性能，并采用不同方法，将气体从隧道内安全排出。 业内规范 上世纪70年代广告页中的Jarva敞开式TBM 过去，在易燃易爆气体环境下进行隧道掘进风险极高；随着技术的进步，业内也制定了相关法规，但诸如美国矿山安全与健康管理局（MSHA）等制定的相关规范有时却限制了TBM在该条件下的应用，几乎封死了在美国的煤矿工程中应用现代TBM的可能。 ■ 以1970年代由Jarva制造的4.3m敞开式TBM为例，该设备用于宾夕法尼亚州一个矿井中长745m的斜向坡道开挖。 ■ TBM完全基于MSHA安全规范制造：整台设备为全封闭式一体化结构，电缆均包覆于防火套管内，台车结构简单，功耗较低，电压也限制在4160 VAC，与现代化TBM的功率要求相去甚远。 ■ 施工中的变压器也只能在断电时移动，影响TBM运作。 目前，隧道工程中针对有害气体的规范因国家而异。通常，规范要求工程中应用防火、防爆设备；气体监测与稀释也是常用手段；针对掘进设备的特殊设计同样普遍：TBM内加装防爆舱与“排气加压系统”，直接将清洁空气泵入舱内，确保有害气体不会进入舱内。 目前，欧洲常用Class1 Division 2 防爆标准，该标准要求在TBM设计中纳入防爆要求： ■ 符合规范的设备需要考虑合金成分、阻燃与防静电性能设备表面温度，工作区域温度限制等。 ■ 施工中不允许常规热加工，包括切割、焊接等；TBM零件也需要使用手工工具固定、折叠与拆卸。 工程应用 Grosvenor矿井隧道中使用的混合式XRE掘进机 澳大利亚Grosvenor矿井隧道工程中，一台直径8m的罗宾斯混合式（XRE，结合硬岩单护盾TBM与土压平衡掘进机的特点）掘进机在混合地质与甲烷气体条件下完成了两条矿井巷道的掘进。 安装于TBM上的多个气体监测站显示，施工中存在并将产生一氧化碳，二氧化碳，氢气和乙烯以及甲烷等有害气体。 为确保工人安全并避免爆炸，甲烷含量水平始终保持在2%一下，若检测到甲烷泄漏，TBM内的抽气系统将把甲烷从防爆的螺旋输送机中抽出，直接排入抽气式通风系统中。 为了应对隧道内的碳氢化合物排放，施工中采用了许多策略： ■ 刀盘加装混合杆，在开挖舱内产生湍流气流，有助于气体混合和迅速稀释； ■ 为了消除加压的开挖舱内的空隙，增加膨润土与泡沫混合物的注入量，若该操作导致排土温度上升，则适当减少膨润土，增加泡沫混合物。 ■ TBM推力与切削速度降低，以最大限度降低排土温度。 ■ 使用低温氮气代替压缩空气产生泡沫，在开挖面区域中产生惰性气氛并且减少热量产生，从而减少碳氢化合物的合成。 最终，工程中的两条隧道分别于2014年5月与2015年2月贯通，掘进速度分别达到90m/周与70m/周。 掘进机结构图 发展趋势 虽然针对有害气体条件下的TBM设计早已出现，相关规范也已存在多年，但都存在较大的进步空间，也不断有新的工法与技术涌现： ■ 利用岩石密封剂，可封闭岩层内的空隙，使气体无法渗透，有效降低硬岩隧道中有害气体的浓度； ■ 哥本哈根Cityringen隧道工程中采用了覆盖式皮带运输机，在土压平衡盾构隧道的掘进过程中排放苯与氯化物。 随着城市中穿越含有害气体的复合地层的隧道工程数量越来越多，这些应对措施可能会逐渐推广得以应用。而随着这些措施的成功案例不断增加，在高浓度气体和污染物下实现安全掘进隧道的目标似乎已经触手可及。 TBM知多少 优劣互补 or 各有所长？来自挪威隧协的TBM法 vs 钻爆法最强大比拼！ ☞咨询电话：021-54641018 ☞微信、杂志投稿邮箱：tunnelmagazine@163.com
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