武漢地區(qū)城市地下工程施工有害氣體勘察技術(shù)與方法

余泰敏，劉紅衛(wèi)，喻理傳

(武漢地質(zhì)工程勘察院，湖北武漢 430051)

0 引言

近年來(lái)城市地下工程(主要指盾構(gòu)隧道工程、沉井、沉箱、深基坑工程等)根據(jù)多樣化的需求，目前正朝著大規(guī)模、大深度的方向發(fā)展。土中可能存在的可燃性氣體(主要是甲烷氣體)、缺氧空氣、毒氣(硫化氫、二氧化碳)等土中有害氣體對(duì)這些地下工程的施工和作業(yè)人員的生命直接構(gòu)成威脅。

武漢地區(qū)以前限于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展條件，對(duì)地下有害氣體沒(méi)有專門的有害氣體勘察。2008年6月武漢地鐵2號(hào)線開(kāi)工，在漢口火車站站—范湖站地鐵盾構(gòu)施工區(qū)間始發(fā)井破除洞門時(shí)，發(fā)現(xiàn)有不明氣體泄漏，在進(jìn)行電焊作業(yè)時(shí)不明氣體發(fā)生燃燒，隨后造成地鐵盾構(gòu)施工停工達(dá)3月之久;期間武漢地鐵公司委托本院進(jìn)行了地下有害氣體專項(xiàng)勘察，并根據(jù)勘察結(jié)果指導(dǎo)有害氣體抽排，最終保障了盾構(gòu)施工的順利進(jìn)行。

1 有害氣體

1．1 有害氣體形成條件及成分、性質(zhì)［1］

有害氣體是指第四系沉積物中有機(jī)質(zhì)在還原環(huán)境下經(jīng)厭氧微生物作用所形成的富甲烷氣體，亦稱淺層生物氣，約占全世界天然氣資源量的20%。地鐵等地下工程施工所遇到的地下有害氣體形成必須具備三個(gè)必要條件:一是豐富的有機(jī)物，二是相對(duì)密封的地質(zhì)環(huán)境，三是地層具有一定的儲(chǔ)藏空間。

武漢地區(qū)全新世以來(lái)地殼緩慢下降，長(zhǎng)江經(jīng)歷了初、早、中期古河谷充填，晚期階地形成、萎縮和湖沼發(fā)育等過(guò)程。在這一過(guò)程中，大量的生物、有機(jī)質(zhì)經(jīng)過(guò)近萬(wàn)年的地質(zhì)歷史過(guò)程，沉淀堆積，隨后被泥砂覆蓋起來(lái)并與空氣隔絕，在厭氧菌的作用下分解發(fā)酵，伴隨著一定的溫度和壓力，使這些生物的殘骸變成泥炭，同時(shí)產(chǎn)生氣態(tài)產(chǎn)物儲(chǔ)藏于地下。

根據(jù)對(duì)漢口地鐵有害氣體勘察鉆孔、靜力觸探孔及盾構(gòu)機(jī)洞門、降水井等處的監(jiān)測(cè)結(jié)果，地下有害氣體成分主要為甲烷，一般占總體積的55% ～70%，是可供燃燒的主要?dú)怏w;其次是二氧化碳?xì)怏w，占總體積的30% ～40%，是不可燃?xì)怏w;其他幾種氣體含量一般不超過(guò)總體積的2%。

1．2 有害氣體生成后的溶存與氣相擴(kuò)散

有害氣體生成后，以溶存于地下水中的溶存氣體及存在于土顆?？障吨械挠坞x氣體兩種形式存在于土層中。

圖1 有害氣體生成與擴(kuò)散示意圖Fig.1 Schematic diagram of formation and diffusion of harmful gas

氣體溶解于地下水的量，隨氣體所承受的壓力的增大而增大，隨溫度的上升而減小，其擴(kuò)散與地層的滲水特性有關(guān)。

當(dāng)生成的過(guò)飽和游離氣體不可能向大氣中擴(kuò)散時(shí)，便不時(shí)向周圍地層孔隙中運(yùn)移、積聚，最終在地層的孔隙中不斷積聚成扁豆體狀和透鏡體狀大小不等的氣囊，被壓縮后存于砂、砂礫層上方的滲水、透氣性能差的粘性土層的凹部(見(jiàn)圖1)。

土中氣體:土中溶存氣體與游離氣體之和。

溶存氣體:氣體在有機(jī)質(zhì)土中產(chǎn)生后，溶存于上面存在不透氣粘性土層的砂層的地下水中(液相)，這種液相氣體稱為溶存氣體。

游離氣體:當(dāng)氣體量超過(guò)溶于地下水的飽和濃度時(shí)，多出的氣體存在于土顆粒的空隙中(氣相)，這種土隙間氣體稱為游離氣體。

逸出氣體:當(dāng)壓力降低、溫度升高，或受外力擾動(dòng)時(shí)，氣體的溶存飽和度下降，故會(huì)有部分溶存氣體從地下水中分離出來(lái)，存于土顆?？障吨?，這部分分離開(kāi)來(lái)的氣體稱為逸出氣體，成為游離氣體的增加部分。

釋放氣體:游離氣體和逸出氣體在一定的條件下釋放到大氣中，則稱為釋放氣體。

1．3 氣源層及儲(chǔ)氣層

氣源層必須具備的條件是含有較多的有機(jī)質(zhì)含量，且上層土層(或自身土層)必須具有封閉功能;儲(chǔ)氣層必須是孔隙比較大，滲透性較強(qiáng)的土層，且上部有蓋層，氣體不易釋放。

根據(jù)勘探資料顯示，武漢地鐵2號(hào)線漢口火車站站—范湖站區(qū)間地層結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)等結(jié)果綜合分析認(rèn)為:

(3-3)層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土中含有有機(jī)質(zhì)，具備產(chǎn)生有害氣體的物質(zhì)條件，但其孔隙比小，結(jié)構(gòu)封閉，滲透性差，儲(chǔ)氣量小，故僅為氣源層;其上的粘性土層具備封閉功能，阻止游離氣體逸出進(jìn)入大氣中。

(3-4)層含砂粉質(zhì)粘土以及(3-5)層砂土互層，其中即有含有機(jī)質(zhì)的淤泥質(zhì)土，亦有孔隙大、滲透性較強(qiáng)的砂土，兩者交互沉積，單層厚約在0．20～1．00 m之間;該組合結(jié)構(gòu)淤泥質(zhì)土產(chǎn)生有害氣體，砂土儲(chǔ)存氣體，故(3-4)、(3-5)層既為氣源層，亦為主要儲(chǔ)氣層。當(dāng)受地鐵施工時(shí)外力擾動(dòng)，氣體的溶存飽和度下降，會(huì)有部分溶存氣體從地下水中分離出來(lái)，與土隙間游離氣體共同成為逸出氣體，對(duì)地鐵施工形成威脅。

(3-5)層以下的(4)層組砂土層結(jié)構(gòu)較均勻，砂質(zhì)較純，孔隙大，滲透性較強(qiáng)，其中產(chǎn)生的有害氣體易擴(kuò)散，向上運(yùn)移后存于砂、砂礫石層上方的滲水、透氣性能差的粘性土層的凹部;故(4)層組砂性土層除頂部存在薄層的游離氣體積聚區(qū)外總體儲(chǔ)存氣體量較小，不具備形成儲(chǔ)氣層的條件。

2 土中氣體濃度的勘察方法

2．1 已有的勘察方法簡(jiǎn)述［2］

目前國(guó)內(nèi)的地下有害氣體勘察方法主要是參考礦山、石油、天然氣等采礦工程及國(guó)外類似城市地下工程經(jīng)驗(yàn)，礦山、石油、天然氣的勘察與城市地下工程有害氣體勘察存在諸多的不同:

(1)采礦工程多以開(kāi)發(fā)利用為目的，主要面臨的是深層氣體，其深度多在100 m以上，而城市地下工程主要是有害氣體體，一般含量較小，且以危害防治為目的。70—80年代礦產(chǎn)部門曾經(jīng)對(duì)長(zhǎng)江、珠江沿岸及濱海地區(qū)進(jìn)行過(guò)全國(guó)性淺層生物氣體普查，初步查明了其分布及儲(chǔ)量等，但因開(kāi)采成本較大，故目前開(kāi)發(fā)利用較少。

(2)采礦工程針對(duì)的氣田氣體濃度、壓力及流量均較大，對(duì)測(cè)量值的誤差要求相對(duì)而言不高，氣體濃度、壓力及流量較小的氣田一般認(rèn)為不具開(kāi)采價(jià)值或?qū)Σ傻V施工影響小;而城市地下工程作為公共工程對(duì)其要求則高得多，少量有害氣體的逸出便可影響工程的進(jìn)度及引起公眾的恐慌，故對(duì)測(cè)量值的誤差要求更高。

表1 武漢地鐵2號(hào)線漢口火車站站—范湖站區(qū)間地層結(jié)構(gòu)表Table 1 Structure table of strata of Hankou railway station-Fanhu station section

因此城市地下工程從災(zāi)害防治的目的出發(fā)，有害氣體體對(duì)工程施工的危害將無(wú)法避免，對(duì)地下有害氣體的勘察與量測(cè)的要求更高，需采取更加可靠及精度更高的勘察方法量測(cè)氣體的濃度、壓力與流量等，以做到防范于未然。

目前土中氣體的勘察方法主要有5種:①孔口測(cè)量孔內(nèi)氣體濃度;②孔內(nèi)水取樣法;③氣液分離法;④泥水探層法;⑤BAT系統(tǒng)法。

以上5種方法均來(lái)源于采礦工程的相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，國(guó)外采用精度較高的BAT系統(tǒng)法測(cè)定，但該儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作困難，而且國(guó)內(nèi)沒(méi)有廠家生產(chǎn)該設(shè)備。

2．2 配合工民建工程勘察的土中氣體濃度監(jiān)測(cè)方法

針對(duì)城市地下工程的特點(diǎn)，綜合以上5種土中氣體的勘察方法，同時(shí)最大限度的利用現(xiàn)有工民建勘察設(shè)備、工序，我們采用巖芯鉆探和靜力觸探(見(jiàn)圖2、圖3)，輔以地面調(diào)查、天然氣管道泄漏檢測(cè)、土體污染調(diào)查、沿線檢測(cè)點(diǎn)檢測(cè)等手段進(jìn)行城市地下有害氣體勘察。

圖2 鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of hole structure

有害氣體勘察布置的鉆探孔和靜力觸探孔施工完成后均保留，并下入PVC或鍍鋅管作井管，以作為檢測(cè)或?qū)饪资褂?，其中鉆探孔還要作為有害氣體長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)孔使用。

靜力觸探孔直徑32 mm，中部空心通氣，下部為花管，外包濾網(wǎng)，探頭為椎型活動(dòng)探頭;探桿上拔時(shí)探頭摔入松軟地層中，有害氣體可從探桿下部和周圍進(jìn)入探桿噴出，即可測(cè)量其濃度及壓力。

2．3 漢口地鐵土中氣體濃度監(jiān)測(cè)

在孔口監(jiān)測(cè)有害氣體濃度采用甲烷檢測(cè)報(bào)警儀及復(fù)合氣體檢測(cè)儀，壓力采用數(shù)字式微壓儀測(cè)定。

根據(jù)漢口地鐵沿線有害氣體檢測(cè)結(jié)果(見(jiàn)圖4)，(3-4)、(3-5)層砂土互層為主要儲(chǔ)氣層，有害氣體呈交互狀的扁豆體以及透鏡體出現(xiàn)，且各孔位周邊地層的氣壓、儲(chǔ)量以及相連通的氣層范圍差異較大，沿地鐵結(jié)構(gòu)線的縱向分布是不均勻的。其主要原因是氣相在土體中的賦存狀態(tài)不同所致，沿線勘察孔中氣體濃度在自然條件下大多數(shù)呈逐漸降低的趨勢(shì)，證明沿線儲(chǔ)氣層總體聯(lián)通性較差，在土、水壓力自然平衡狀態(tài)下能維持相對(duì)平衡。

圖3 靜力觸探孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of structure of static sounding hole

圖4 靜力觸探孔甲烷濃度測(cè)試曲線Fig.4 Testing curve of methane concentration of static sounding hole

3 土中有害氣體壓力的勘察方法

3．1 土中氣體壓力性質(zhì)分析與勘察方法［3］

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于地下有害氣體壓力測(cè)定還沒(méi)有現(xiàn)成的方法，杭州地鐵施工中浙江省地礦勘察院結(jié)合國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)研制了一套測(cè)定氣體壓力、流量的方法:

3．1．1 直接測(cè)定法

用靜壓設(shè)備把探桿(探桿中部通氣)壓入土層預(yù)定深度后，接三通設(shè)備，然后可直接在孔口從壓力表讀取壓力值。

3．1．2 直觀估算法

根據(jù)各勘探孔孔口因氣壓噴水的高度進(jìn)行估算。

3．1．3 等效換算法

根據(jù)土層中氣、水平衡的原理，通過(guò)計(jì)算承壓水的壓力值換算成氣體壓力值。

上海、杭州地鐵施工中遇到的地下有害氣體多在地表以高壓力噴出，最大氣體壓力可達(dá)0．39 MPa，這點(diǎn)與武漢遇到的情況有明顯的不同，故勘察方法亦應(yīng)與上海、杭州地區(qū)有區(qū)別。

武漢地區(qū)地下儲(chǔ)氣層多屬于低壓氣場(chǎng)，氣層壓力偏低，氣體在監(jiān)測(cè)孔中均以低壓力逸出，勘察時(shí)基本未見(jiàn)高壓力的噴出現(xiàn)象，估算最大氣體壓力在0．10～0．25 MPa之間。用孔口直接測(cè)定法(孔口采用數(shù)字式微壓儀測(cè)量值僅100～600 Pa)及直觀估算法均不能反映地下有害氣體的真實(shí)壓力。

3．2 等效換算法估算土中氣體壓力

等效換算法即根據(jù)土層中氣、水平衡的原理，通過(guò)計(jì)算承壓水的壓力值換算成氣體壓力值(如圖5)，該法適宜于低壓氣場(chǎng)的壓力估算。

圖中Ua為孔隙氣壓力，Uw為孔隙水壓力，S為基質(zhì)吸力，即因毛細(xì)作用存在于氣水分界面收縮膜上的表面張力。國(guó)內(nèi)外非飽和土的研究表明，對(duì)于類似長(zhǎng)江沿岸以粉、細(xì)砂為主的非飽和土層，其S只有幾十至100 kPa，按最不利條件計(jì)算，取S=100 kPa;則孔隙氣壓力 Ua=Uw+S=0．01h+0．1 MPa，式中 h 為承壓水頭，單位為m。

圖5 淺層生物氣壓力等效換算示意ig.5 Schematic diagram of equivalent conversion of shallow biogas pressure

3．3 氣體沿鉆孔逸出與壓力的關(guān)系

漢口地鐵有害氣體勘察時(shí)監(jiān)測(cè)的氣壓值均為地表孔口所測(cè)，且實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)低于大氣壓力及根據(jù)氣體埋藏深度計(jì)算出的孔隙氣壓力Ua，故不能代表地下實(shí)際的氣體壓力值P1，需采用間接的方法反映地下氣體壓力。

監(jiān)測(cè)孔鉆入地下含氣層后，其原有的平衡狀態(tài)被破壞，周邊土層中游離氣體以垂直、水平兩種方向通過(guò)鉆孔進(jìn)入大氣。根據(jù)土層中氣、水平衡的原理，土層中游離氣體若沿水平向通道逸出地表必須克服孔隙水壓力Uw及氣水分界面收縮膜上的表面張力S(S=0．1 MPa)，故氣體壓力值P1≥Ua=Uw+S時(shí)孔內(nèi)游離氣體可大量、迅速地逸出地表;而P1＜Ua=Uw+S時(shí)，游離氣體無(wú)法沿水平向通道逸出，雖亦可沿垂直向通道以自身浮力揮發(fā)，但因鉆孔中垂直通道面積小，且土顆粒亦對(duì)游離氣體有一定的阻力，故其揮發(fā)過(guò)程極為緩慢，一般僅在監(jiān)測(cè)孔放置一段時(shí)間后，方有氣體揮發(fā)至地表(見(jiàn)圖6)。

圖6 監(jiān)測(cè)孔周邊氣體逸出示意圖Fig.6 Schematic diagram of amibent gas escape of monitor holes

3．4 土中氣體壓力區(qū)段的劃分

以間接反映地下氣體壓力的方法，結(jié)合實(shí)際檢測(cè)結(jié)果，可將漢口火車站—范湖站地鐵施工區(qū)間場(chǎng)地劃分為兩個(gè)有害氣體壓力區(qū)段，即大于孔隙氣壓力區(qū)段(Ⅰ區(qū))和小于孔隙氣壓力區(qū)段(Ⅱ區(qū))，兩者對(duì)地鐵施工的影響程度有一定區(qū)別(見(jiàn)圖7)。

Ⅰ區(qū):氣體壓力大于孔隙氣壓力區(qū)段(P1≥Ua=Uw+S)。根據(jù)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果，在鉆探孔鉆進(jìn)及靜力觸探孔探桿上拔的施工過(guò)程中，部分孔在一定深度范圍內(nèi)有氣體逸出，故氣體實(shí)際壓力值略大于孔隙氣壓力值，孔口氣壓及迅速消散的超孔隙水壓力、鉆孔護(hù)壁阻力可忽略不計(jì)，則 P1=Ua=Uw+S=0．01 h+0．1 MPa。該部分孔所屬區(qū)段可劃分為Ⅰ區(qū)，地鐵在Ⅰ區(qū)施工時(shí)因氣體壓力值P1大于孔隙氣壓力Ua，故周邊有害游離氣體將大量涌入施工作業(yè)面，氣體濃度短時(shí)間內(nèi)迅速升高，若抽排不及時(shí)則將造成嚴(yán)重后果。

圖7 漢口地鐵氣體壓力分布圖Fig.7 Distribution map of gas pressure

Ⅱ區(qū):氣體壓力小于孔隙氣壓力區(qū)段(P1＜Ua=Uw+S)。部分孔地段在鉆探孔鉆進(jìn)及靜力觸探孔探桿上拔的施工過(guò)程中沒(méi)有氣體逸出，孔口未檢測(cè)出有害氣體，故0．1 MPa＜P1＜Ua;但該類孔在放置1－2天后，孔內(nèi)逐漸有氣體產(chǎn)生，且濃度呈上升趨勢(shì)，證明氣體在成孔后逐漸揮發(fā)至孔內(nèi)，并慢慢逸出地表。該部分孔所屬區(qū)段可劃分為Ⅱ區(qū)，地鐵在Ⅱ區(qū)施工時(shí)因氣體壓力值P1小于孔隙氣壓力Ua，故周邊有害游離氣體將不易大量涌入施工作業(yè)面，氣體濃度短時(shí)間內(nèi)不會(huì)升高，若抽排及時(shí)將不會(huì)造成嚴(yán)重后果。

4 結(jié)語(yǔ)

目前利用巖芯鉆探和靜力觸探的方法進(jìn)行地下有害氣體勘察，尚存在一定的不足:

(1)靜力觸探采用壓入探桿的方法施工，可能會(huì)在土層中形成一定的超孔隙水壓力;游離氣體沿水平向通道逸出地表除必須克服孔隙水壓力Uw及氣水分界面收縮膜上的表面張力S外，尚需克服未消散的超孔隙水壓力;但考慮到游離氣體主要儲(chǔ)存在非觸變性的砂性土中，超孔隙水壓力消散快，故基本可忽略不計(jì)。

(2)鉆孔采用普通的巖芯鉆探，鉆進(jìn)砂層時(shí)為防止垮孔、縮徑需用泥漿護(hù)壁;游離氣體沿水平向通道逸出地表除必須克服孔隙水壓力Uw及氣水分界面收縮膜上的表面張力S外，尚需克服鉆孔護(hù)壁泥漿阻力。本次在(3-4)、(3-5)層砂土互層儲(chǔ)氣層鉆進(jìn)時(shí)將泥漿濃度降低，鉆進(jìn)結(jié)束后洗孔、下入PVC管再抽水以力求將護(hù)壁泥漿阻力影響降至最低;但實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，仍發(fā)現(xiàn)同一地段鉆孔與靜力觸探孔相距雖僅幾米，靜力觸探孔口有大量氣體逸出而鉆孔中檢測(cè)出的氣體很少。

經(jīng)過(guò)分析，認(rèn)為靜力觸探孔較鉆孔檢測(cè)有害氣體效果要好，但鉆孔若采用對(duì)土體基本無(wú)擾動(dòng)的雙管鉆進(jìn)(無(wú)需泥漿)其檢測(cè)效果應(yīng)更佳。

［1］ 林春明，卓弘春，等．杭州灣地區(qū)有害氣體資源量計(jì)算及其地質(zhì)意義［J］．石油與天然氣地質(zhì)，2005，26(6)．

［2］ 浙江省地礦勘察院．杭州地鐵1號(hào)線錢塘江過(guò)江隧道、江南風(fēng)井段有害氣體勘察技術(shù)與方法［R］．杭州:浙江省地礦勘探院，2008．

［3］ 浙江省地礦勘察院．上海地鐵2號(hào)東延伸段8B標(biāo)盾構(gòu)穿越沼氣地層施工案例［R］．杭州:浙江省地礦勘察院，2008．