杭州地鐵1號(hào)線穿越錢(qián)塘江地層沼氣釋放技術(shù)探討

徐國(guó)慶，岳豐田，王弘琦，張榮輝

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽合肥 230088;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州 221116;3.上海隧道工程股份有限公司，上海 200082)

0 引言

杭州地鐵1號(hào)線為杭州軌道交通建設(shè)的首條地鐵線，是連接中心城核心區(qū)與江南、臨平、下沙副城中心區(qū)的骨干線。1號(hào)線在主城區(qū)段和江南段之間要穿越錢(qián)塘江，而錢(qián)塘江地層中富含大量的有害氣體(主要為沼氣)，這就為區(qū)間隧道穿越錢(qián)塘江帶來(lái)很大的施工困難和工程風(fēng)險(xiǎn)，淺層沼氣是地下空間開(kāi)發(fā)可能遇到的地質(zhì)災(zāi)害之一，井噴是含淺層氣土體的滲透比降超過(guò)其氣壓臨界比降條件下的非飽和滲流破壞過(guò)程，對(duì)地層的影響表現(xiàn)為對(duì)土體的損傷和擾動(dòng)［1－2］。當(dāng)盾構(gòu)隧道推進(jìn)作業(yè)時(shí)，由于淺層沼氣釋放，危及人身安全，亦可能造成下伏土層失穩(wěn)，使己建好的隧道產(chǎn)生位移、斷裂，造成無(wú)可挽回的重大經(jīng)濟(jì)損失［3］。杭州灣地區(qū)淺層天然氣主要賦存于第四紀(jì)全新世和晚更新世地層中，氣樣組分分析表明，該區(qū)天然氣屬甲烷型生物成因氣［4］。過(guò)江段的地質(zhì)情況復(fù)雜，有害氣體的存在，加大了施工難度。若處理不好，會(huì)產(chǎn)生涌水、涌砂及爆炸事故［5］。杭州灣淺層沼氣多為生物成因的甲烷型天然氣，具有儲(chǔ)存分散、氣層薄、氣壓低、水氣同層的特點(diǎn)，沼氣埋藏深度較淺，儲(chǔ)量小，氣體不連貫［6］。目前國(guó)內(nèi)長(zhǎng)江中下游地區(qū)淺層沼氣釋放施工的工程較少，上海黃浦江地區(qū)有過(guò)對(duì)淺層沼氣的科研研究，但并未采取大范圍的釋放施工。在含沼氣軟土中，用盾構(gòu)法施工隧道，必須仔細(xì)研究已有的地質(zhì)勘察資料，詳細(xì)了解沼氣的成因、成分、分布及其氣量、氣壓等有關(guān)數(shù)據(jù)，然后提出處理方案和沼氣條件下安全施工對(duì)策［7］。代仁平等［8］提出控制沼氣溢出和提前釋放沼氣是控制沼氣爆炸的關(guān)鍵因素，從沼氣的釋放、隧道通風(fēng)、火源控制和沼氣監(jiān)測(cè)方面提出了控制措施。鑒于地層中沼氣的存在，首先要確定沼氣賦存的位置及條件，勘探方法不能簡(jiǎn)單的采用深層氣的勘探方法，文獻(xiàn)［9］提出了對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)區(qū)預(yù)探或已知?dú)馓飬^(qū)擴(kuò)邊可以采用打密集靜力觸探井的方法。由于施工區(qū)域場(chǎng)地內(nèi)賦存的沼氣具有連通性差、不均勻分布的特點(diǎn)，且淤泥質(zhì)土層中不斷產(chǎn)生沼氣補(bǔ)給含氣層，導(dǎo)致沼氣不能完全徹底地釋放，局部可能還存在囊狀氣團(tuán)［10］，因此，本文重點(diǎn)研究錢(qián)江段淺層沼氣釋放孔的布置、釋放施工的難點(diǎn)及處理措施、施工過(guò)程的監(jiān)測(cè)等，通過(guò)釋放施工減少地層中的沼氣含量，降低區(qū)間隧道施工的工程風(fēng)險(xiǎn)。

1 工程概況

濱江站—富春路站區(qū)間(現(xiàn)已改名為江陵路站—近江站)為杭州地鐵1號(hào)線工程，穿越錢(qián)塘江全地下區(qū)間，里程范圍為 K5+880.274 ～ K8+835.859，區(qū)間左線總長(zhǎng)為2.946 km，右線總長(zhǎng)為2.956 km。在里程K6+750和K8+351.9處設(shè)風(fēng)井2座，在K7+220和K7+810處設(shè)2座聯(lián)絡(luò)通道，其中K7+220處聯(lián)絡(luò)通道兼排水泵站。盾構(gòu)從里程K6+913.3～K8+255.0將穿越錢(qián)塘江，穿越長(zhǎng)度約為1 340 m。區(qū)間隧道示意如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧道示意圖(單位:m)Fig.1 Sketch of running tunnel(m)

隧道掘進(jìn)區(qū)域主要穿越的地層有:③5層粉砂夾砂質(zhì)粉土、③7層砂質(zhì)粉土、④3層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑥2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑥3層粉細(xì)砂、⑨1a層粉質(zhì)黏土、⑨1b層含砂粉質(zhì)黏土、○122層細(xì)砂、○124層圓礫。其中沼氣主要賦存于⑥3層粉細(xì)砂層和○122層細(xì)砂中。

2 沼氣賦存特點(diǎn)

杭州地鐵1號(hào)線濱江站—富春路站區(qū)間地層30 m范圍內(nèi)上部為粉土層，中間部分為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，下部為粉砂層。石油天然氣部門(mén)的研究表明，生氣土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)必須具備封閉能力;儲(chǔ)氣層必須是空隙比較大、滲透性較強(qiáng)的土層?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)探桿從⑥2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層進(jìn)入⑥3層粉細(xì)砂層時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)烈井噴，泥沙水噴出孔口近7～8 m，有些孔能持續(xù)噴發(fā)十幾小時(shí)。探桿上拔氣體噴發(fā)就逐漸減小，當(dāng)氣體不噴發(fā)時(shí)，深度仍在⑥2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中。可見(jiàn)，⑥2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層即為生氣層又為蓋層，⑥3層粉細(xì)砂層為儲(chǔ)氣層。在測(cè)試過(guò)程中，有的地方?jīng)]有氣體溢出，而有的地方出現(xiàn)不同程度的井噴現(xiàn)象，這說(shuō)明淺層氣呈交互狀的扁豆體以及透鏡體的囊狀結(jié)構(gòu)存在于土層中，且各囊狀體周邊地層的氣壓、儲(chǔ)量以及相連通的氣層范圍差異較大，分布不均勻。

因此，沿著過(guò)江隧道地鐵盾構(gòu)線自江南岸至主航道均存在沼氣，主航道至江北岸部分區(qū)域存在沼氣;過(guò)江隧道地下氣體以囊狀形式存在，主要賦存于圓礫層上部的○122層粉細(xì)砂層，含氣層頂板埋深在地面以下21～23 m處;含氣層底板埋深在地面以下24～28 m處，主要含氣層沿隧道結(jié)構(gòu)線長(zhǎng)度為420 m。

3 沼氣釋放施工

3.1 釋放孔位置確定

根據(jù)之前在江南岸進(jìn)行的沼氣釋放試驗(yàn)，自江南岸至主航道計(jì)劃共布置210個(gè)沼氣釋放孔，分5排布置，左右側(cè)各2排孔，隧道推進(jìn)中線1排孔，左右側(cè)第1排孔距離隧道推進(jìn)線5 m，孔間距10 m，第2排與第1排釋放孔排距離為8.65 m左右，與第1排孔間距10 m，形成梅花型布置方式?？紤]到施工時(shí)間和工期的因素，先進(jìn)行中間3排釋放孔(共132個(gè))的施工，然后根據(jù)實(shí)際施工情況再確定另外2排孔的施工。釋放孔示意圖如圖2所示。

從后來(lái)中間3排孔施工情況來(lái)看，右線氣量相對(duì)較多，主要在大堤附近以及從大堤沿盾構(gòu)推進(jìn)線(大堤護(hù)坡下平臺(tái)處為起始0 m)20～70 m和190 m至主航道范圍內(nèi)，中線和左線相對(duì)氣量小，但在部分范圍內(nèi)氣量還是比較大的。因此，釋放孔的布置是比較合理的，沼氣釋放效果也比較明顯。

圖2 釋放孔施工情況示意圖Fig.2 Layout of methane releasing holes

3.2 釋放孔結(jié)構(gòu)及施工工藝

考慮到地下沼氣的最大壓力0.4 MPa，最大流量48.85 m3/h，選取抽放管的直徑為89 mm鋼管，深度根據(jù)沼氣所在地層深度布置，下部設(shè)置2 m花管，花管外壁包上砂網(wǎng)。

根據(jù)之前陸上進(jìn)行試驗(yàn)釋放情況，結(jié)合江上段釋放的環(huán)境特點(diǎn)，江中段沼氣釋放采用鉆孔和靜力觸探相結(jié)合的施工方式。具體的工藝流程如圖3所示，在施工過(guò)程中可根據(jù)實(shí)際情況做局部調(diào)整或者改善。

由圖3可知:工序下放的大套管為φ146鋼管，下放位置一般為進(jìn)入江底土層2 m左右，主要起隔絕江水作用;工序中含氣層主要指淤泥類(lèi)粉質(zhì)黏土層，主要作用是防止上部粉土坍塌和形成部分放氣通道;工序下放的大套管為φ89鋼管;按照最大化的放氣原則，對(duì)氣量減小或無(wú)氣的孔進(jìn)行充分洗孔，疏通放氣通道，直至達(dá)到安全要求;工序中先從孔位底部開(kāi)始填黏土球直到小套管位置，然后用水泥漿注滿全孔，保證封孔的密實(shí)效果。

3.3 施工要求

1)釋放孔位放樣定位準(zhǔn)確、成孔垂直度控制，釋放孔不得侵入隧道斷面。

2)每個(gè)釋放孔施工都必須達(dá)到含氣層深度甚至更多。

3)釋放應(yīng)盡量徹底，至不能測(cè)出壓力為止。對(duì)氣壓大的井噴釋放孔采用軟管引到江水中釋放，一方面減少氣體對(duì)周?chē)h(huán)境的影響，另一方面可以控制井噴的程度，避免過(guò)大的井噴給地層帶來(lái)更大的擾動(dòng)和對(duì)以后盾構(gòu)推進(jìn)可能產(chǎn)生的影響。

圖3 施工流程圖Fig.3 Flowchart of methane releasing

4)均衡釋放原則:沼氣釋放的速率應(yīng)不產(chǎn)生對(duì)釋放孔周?chē)貙拥娘@著攏動(dòng)，進(jìn)行緩慢均衡釋放。

5)釋放施工受錢(qián)塘江潮水影響較大，對(duì)大潮來(lái)臨而未完成釋放施工被迫封孔的釋放孔進(jìn)行詳細(xì)資料記錄，為以后進(jìn)行補(bǔ)孔提供依據(jù)。

6)釋放孔最終拔管進(jìn)行注漿封孔，盡量減小釋放孔施工對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)地層的擾動(dòng)影響。

7)沼氣釋放應(yīng)在盾構(gòu)穿越前完成。

8)安全措施:注重防火、落實(shí)防噴措施，確保人員、設(shè)備、航道等安全。

3.4 施工監(jiān)測(cè)

在沼氣釋放過(guò)程中，根據(jù)各釋放孔的氣體量的壓力大小和現(xiàn)場(chǎng)氣體釋放情況進(jìn)行氣體的監(jiān)測(cè)工作。

1)對(duì)于微弱氣體溢出或無(wú)氣體溢出釋放孔，用甲烷檢測(cè)儀器在孔口位置監(jiān)測(cè)其氣體濃度，但都不會(huì)超過(guò)瓦斯?jié)舛葓?bào)警值。

2)對(duì)于有明顯氣體的釋放孔，采用相應(yīng)的氣壓裝置進(jìn)行氣壓測(cè)量，測(cè)得氣壓后進(jìn)行氣體釋放，并間隔1～2 h重復(fù)進(jìn)行測(cè)壓和釋放工序。

3)對(duì)于出現(xiàn)井噴現(xiàn)象的釋放孔，必須通過(guò)泥沙水分離器(見(jiàn)圖4)加以控制，進(jìn)行壓力和流量的監(jiān)測(cè)，之后進(jìn)行安全釋放，并間隔1～2 h重復(fù)進(jìn)行氣壓和流量監(jiān)測(cè)。

圖4 泥沙水分離器Fig.4 Methane separator

3.5 施工難點(diǎn)及解決措施

沼氣釋放過(guò)程中，井噴、冒水帶泥沙現(xiàn)象對(duì)大堤沉降影響比較嚴(yán)重，鑒于大堤要嚴(yán)格控制沉降以確保安全，故采取以下措施。

1)過(guò)江隧道段釋放孔施工對(duì)大堤沉降產(chǎn)生影響，距離大堤越遠(yuǎn)影響越小，因此釋放孔的位置盡量遠(yuǎn)離大堤。

2)在釋放孔施工時(shí)盡量縮短沼氣排放的時(shí)間和控制井噴孔的噴沙帶泥現(xiàn)象，嚴(yán)格控制大堤沉降量。

3)沼氣釋放施工結(jié)束時(shí)要及時(shí)注漿封孔，以減少大堤的沉降。

4)沼氣作為一種可燃可爆氣體，具有危險(xiǎn)性，大量沼氣強(qiáng)烈噴出時(shí)會(huì)在局部范圍內(nèi)產(chǎn)生爆炸危險(xiǎn);另外，沼氣中含有少量的有害有毒氣體，對(duì)施工人員的健康有一定的危害，故在施工中必須高度重視安全操作。

5)施工受潮水的影響很大，錢(qián)塘江潮水在每個(gè)農(nóng)歷月的初一、十五很大，而且要持續(xù)4～5 d，有的氣量大的孔在釋放時(shí)遇到大潮來(lái)臨而被迫封孔。遇到這種不可抗拒的非人為因素影響，采取的應(yīng)對(duì)措施為詳細(xì)記錄該孔的施工資料和數(shù)據(jù)，以便于日后在其旁邊補(bǔ)孔釋放。

3.6 沼氣釋放施工效果

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)近9個(gè)月的施工，沼氣釋放取得了一定的效果，具體情況如表1所示。不同釋放孔釋放結(jié)果如圖5所示。

表1 釋放孔統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of methane releasing holes 個(gè)

圖5 不同釋放孔釋放效果Fig.5 Methane releasing effect

4 結(jié)論與討論

隨著沼氣釋放施工的完成，釋放孔附近地層中沼氣含量顯著降低，從盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中未出現(xiàn)沼氣突出現(xiàn)象來(lái)看，釋放效果是明顯的。由于地層中沼氣賦存情況比較復(fù)雜，加上地層中沼氣的再生成和積聚，難以全部釋放。對(duì)此類(lèi)地區(qū)的工程要著重研究地層中沼氣的分布規(guī)律以及其在擾動(dòng)后的重新積聚變化規(guī)律。建議此類(lèi)地區(qū)的工程在施工前要詳細(xì)勘察工程影響范圍內(nèi)地層中沼氣的分布情況，要嚴(yán)格按照國(guó)家關(guān)于瓦斯安全規(guī)范進(jìn)行施工，高度關(guān)注推進(jìn)過(guò)程中任何存在安全隱患的薄弱環(huán)節(jié)，尤其是對(duì)隧道內(nèi)沼氣濃度的監(jiān)測(cè)更不能掉以輕心，做到防患于未然。

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