以EPB-TBM双模式盾构开挖洞室瓦斯爆炸为例总结的一些经验教训以及近期发生的一些事故外文翻译资料

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以EPB-TBM双模式盾构开挖洞室瓦斯爆炸为例总结的一些经验教训以及近期发生的一些事故

摘要

本研究涉及2010年5月20日在伊斯坦布尔开挖室发生甲烷爆炸的案例。这份文件的作者被提名为法院的正式检查员。为了回顾世界各地发生的类似事故，首先进行了文献调查。随后详细分析了爆炸的原因和影响。总结了防止甲烷排放的措施。研究结果表明，EPB-TBM采掘室发生瓦斯爆炸是一种非常罕见的情况，并没有在文献中报道。甲烷爆炸所需的氧气来自于挖掘室中使用的泡沫。爆炸原因可能是螺旋输送机与机壳摩擦产生火花。建议进一步的研究应集中于生产更安全的无氧泡沫，并在装有断电系统的气室中放置甲烷探测器。

1. 介绍

假设含有甲烷、二氧化硫和氡等不同气体的地质地层是隧道施工的困难地面条件，应根据当地法规采取特殊预防措施(Okten和Yazici,1986;Kissel,2006)。美国煤矿安全与健康管理局(MSHA)规定，煤矿工作面甲烷浓度应控制在1.0%以下，仅为爆炸下限的五分之一。Rodriguez和Lombardia(2010)在他们最近的出版物中表明，从地下煤矿开采中获得的经验可以用于石炭纪岩层隧道的开挖。表1显示了甲烷爆炸的后果可能是矿工的噩梦。因此，本研究的主要目的之一是对近年来隧道瓦斯爆炸的文献资料进行调查，为今后隧道安全施工提供借鉴。伊斯坦布尔发生的甲烷爆炸也揭示了这方面的一些新发现。

美国职业安全与健康管理局(OSHA)的安全与健康标准要求在使用TBMs时对地下施工的气体进行持续监测。职业安全与卫生条例的限制如下：当空气样本显示浓度为5%或以上时，应增加空气供应，并进行连续的气体控制；10%或以上的热工，如焊接或切割，应暂停；对于20% LEL或以上，应切断电源并撤出机组人员(Kissel, 2006)。

隧道承包商或矿工应注意火源。例如，由刀具撞击岩石产生的火花或刀具内部产生的热量通常有足够的能量点燃爆炸性气体混合物。Zang等(2001)的研究表明，圆盘刀具产生的热量难以超过250摄氏度，远低于甲烷的点火温度。然而，对于刮板或钢柄来说却不是这样，其温度很容易上升至甲烷的点火温度(Larson et al.，1983;汉森，1983)。

本文介绍了在未预见的断裂带内，EPB-TBM掘进硐室内发生瓦斯爆炸的原因和影响。阐述了瓦斯爆炸后为安全继续掘进所采取的预防措施，我们认为这是机械化掘进的新技术或新思路。

1. 隧道瓦斯的泄露与其爆炸的相关文献调查

有关隧道施工过程中甲烷气体和瓦斯爆炸的文献相当有限。本节总结十一例与隧道气体有关的事故，以及从中吸取的教训。

表1 某些土耳其煤矿甲烷爆炸的影响

2.1洛杉矶水渠

洛杉矶正在建造一条长8.85公里的水隧道，使用直径为6.8米的罗宾斯硬岩TBM。1971年6月24日隧道发生致命的瓦斯爆炸（Proctor，2002）。 17名工人死亡。 事故发生前，有几个因素和事件汇集在一起，为瓦斯爆炸提供了合适的环境。 例如，该地区正在生产油田。此外，在爆炸前几个月，从隧道面提取出具有“煤油或柴油气味”的钻芯。在致命事故发生前一天，发生轻微瓦斯爆炸，四名矿工受伤。 气体检测仪出现故障。 TBM缺乏防火花保护措施。 爆炸发生后，国家工业安全司（SDIS）和OSHA准备了更高的安全标准以防止类似的灾害。

2.2 日本东村山地区的隧道工程

1978年6月28日，在日本东村山区发生甲烷爆炸，该隧道由泥岩中的硬岩TBM进行挖掘，该岩石是秋田油田的乡村岩石（Kitajima，2010a）。甲烷包含在背斜中，地质不连续性很大。在爆炸当天的早上8点左右，设置为1％的甲烷检测器发出警报。然而，电源没有自动关闭，并且检测器的警报被判断为假并且在没有采取任何措施的情况下设置为4.5％。爆炸发生在下午5点，9名工人死亡，2名工人受伤。

2.3 在乔治亚Zhinvalskaya水力发电厂的一个水隧道

钻井和爆破方法的挖掘工作同时在三个水井中进行。在不同的项目中检测到甲烷排放。建议轴1和2在第一类气体危险模式下工作。这种模式采用防火装置替换所有动力设备。但是这没有实现。在挖掘过程中，1979年5月在井筒2中发生了通过裂缝或裂缝排放的甲烷和甲烷爆炸（Vlasov等，2001）。 爆炸导致整个工人团队死亡。 电力机车和空车被抛弃并损坏。

2.4 在英国Carsington的一条渡槽隧道

在英国的Carsington建造了直径为2.4米，总长度为8.5公里的一条渡槽隧道（Pearson等，1989）。隧道的开挖始于1981年的TBM，并于1985年完成。沿隧道对齐的主要岩层为上石炭统时代，在现场调查阶段获得的信息使设计人员怀疑在隧道掘进过程中可能遇到甲烷。招标文件要求隧道中使用的所有设备和设备必须是防火的。必须在每个面上进行连续监测和自动报警系统以防止爆炸和有毒气体，并且必须每班两次监测整个工作长度。施工期间发生了多起甲烷事故；然而，没有记录致命事故。1987年初，渡槽因液压试验而关闭。1987年9月进行的调查结果证实，隧道中的甲烷溶解在地下水中。 Pearson等（1989）在他们的研究中报告说，需要更多的研究来确定隧道中问题的严重程度，并了解岩体内甲烷产生的过程。

2.5 在美国纽约的Jay-Arnett废水隧道项目

Jay-Arnett项目是美国纽约罗切斯特34公里隧道综合下水道溢流减少计划的一部分（Peters等，1985）。 罗彻斯特地区的基岩地质由一系列古生代沉积岩层组成，包括白云岩，石灰岩，砂岩和页岩。 天然气沉积在该地区很常见。 测试钻孔的平均间距为225米。 几乎所有测试钻孔都检测到甲烷。 在一些情况下，遇到的气体的压力和数量足以迫使水从钻井套管中流出并导致钻井作业停止。使用硬岩TBM进行挖掘。 提供防爆电气设备（TBM除外）。 该隧道没有发生致命事故。

2.6 英国的兰开夏郡隧道

1984年5月23日在位于输水计划排污口的Abbeystead Valve House发生了甲烷爆炸，在那里有44位客人参加集会（Pearson等，1989; Lockyer和Howcroft，1997）。 溶解在地下水中的甲烷进入隧道并积聚在空隙中，产生爆炸范围内的甲烷浓度。客人访问期间发生爆炸，造成16人死亡，其他人受伤。

2.7 在日本东京Huyiki镇的隧道

1993年2月1日，东京Huyiki镇（Ettchu岛）的一条隧道发生甲烷爆炸，该隧道由距离物流井1300米的EPB-TBM进行挖掘（Kitajima，2010b）。 四名工人死亡，一人受伤。 地质报告没有证实甲烷的存在。甲烷气体传感器安装在表冠下方90厘米处，因此在爆炸前无法正确检测到气体排放。隧道中没有自动报警装置。爆炸发生当天，气体传感器在隧道外的办公室发出警报，但是，工作人员不在现场。 爆炸后，其修改了通风系统，使用了防火电气设备，并安装了自动报警系统。

2.8在美国的Mill Creek隧道

Millon隧道长4.65公里，由Devonian Chagrin页岩地层直径7.8米的屏蔽TBM挖掘，平均深度为87米。 天然气由浅层气井产生，用于沿隧道对齐的国内消耗。2004年8月9日发现了第一次隧道内的瓦斯涌出事件（Schafer等，2007）。此后，在挖掘过程中，隧道内排出了几股异常大的甲烷气体。 由于后续天然气发生的频率和数量，作业所有者暂停隧道作业约8个月，直到显然已采取所有预防措施来应对可能的瓦斯爆炸。 扩大通风能力，打开脱气井，升级气体监测系统。

2.9 香港红磡电缆隧道

直径为4.5米的TBM被用于挖掘隧道，以通过填海填料和海洋沉积物和冲积层的预季地层安装电缆。2004年3月19日，气体浓度超过100％LEL（Wightman和Mackay，2008）。 通过将连接到每个钻孔中的燃气表的管下降到水面来进行原位测试程序。 测量甲烷，二氧化碳，硫化氢，氧气和一氧化碳的浓度并采取必要的预防措施。 但是，这条隧道没有发生致命事故。

2.10 在伊朗的扎格罗斯隧道

在伊朗扎格罗斯，一条26公里长的隧道正在用直径为6.73米的双盾TBM挖掘。除了隧道某些路段的现有硫化物矿物之外，Pabdeh和Gurpi等地质构造是伊朗西部的主要含油气盆地。同时其中存在包括硫化氢和甲烷等有毒和爆炸性气体。隧道工人和TBM部件出现严重的气体渗漏问题，而在极端条件下，由于发现了H₂S导致隧道掘进作业停工4个月（Shahriar等，2009）。该项目实施的最重要的缓解措施包括在TBM刀盘内安装精确的气体监测系统、屏蔽和分段安装以及自动TBM停机系统；预防性技术如灌浆、预排水、泡沫注入和密封衬里用于抵抗高瓦斯污染的水流入，随着进水速率的增加，气体排放量直接增加，从而建立了快速脱水系统。该隧道未发生致命事故。

2.11 在西班牙的Variante de Pajares隧道

在该隧道的挖掘中，两个单屏蔽硬岩TBM用于第1节的挖掘，双屏蔽硬岩TBM在第2节工作；另外两个单屏蔽TBM在第3节和第4节工作。地质报告中注意到第3节4人将要经过石炭纪地层。 从这个案例中吸取的一个重要教训是，通过石炭系岩石开采的隧道中的甲烷排放与煤矿中的气体排放具有非常相似的行为。 Rodriguez和Lombardia（2010）强调，在规划TBM的最高提前率时必须考虑天然气排放率。

2.12 从过去的经验中吸取的教训

岩土基线报告应包括有关沿隧道路线排放气体的可能性的信息。应进行适当的表面钻孔以识别和量化碳氢化合物。在隧道面之前可能需要探针钻孔。

打破世界纪录的提前率应该永远不会像在上面提到的洛杉矶隧道那样在高瓦斯地区进行尝试。如Rodriguez和Lombardia（2010）所解释的那样，高气体排放限制了隧道推进率和采矿经验可用于预测通过高压地层挖掘的隧道中的甲烷流入量。应聘请经验丰富的采矿工程师作为隧道安全工程师，因为他们比在困难地面条件下的任何工程师拥有更多经验

气体测量装置应在可接受的时间内进行校准。安全工程师必须确保气体测量的读数。在日本东村山地区发生的爆炸是这次事件的一个典型例子（Kitajima，2010a）。

在检测到连续气体排放后，所有电气设备应更换为防火设备。这不是在佐治亚州Zhinvalskaya水力发电厂的水隧道中造成爆炸导致所有船员死亡。遥感探测器也应安装在隧道内（Vlasov等，2001）。

甲烷可以在水中溶解，并且它可能积聚在与隧道相关的不同空隙中，从而导致严重爆炸，如Abbeystead阀门房屋中发生的那样。如果在高压隧道中进水是连续的，则应检查甲烷排放，直到实现完全防水隧道（Pearson等，1989;

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