淺層有害氣體對地鐵的影響及應對措施

高 健，粟玉英，丁淑平

(長江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430010)

0 引言

地鐵是城市快速軌道交通的一部分，具有運量大、快速、準點、低能耗、少污染、乘坐舒適方便的優(yōu)點，常被稱為“綠色交通”。近年來，中國城市地鐵得到了較快發(fā)展，大中型城市均已建成或正在建設多條地鐵線路。在地鐵的建設與運行中，也產(chǎn)生了不少環(huán)境地質(zhì)問題，淺層有害氣體就是其中之一。比如在杭州、武漢及廣州的地鐵勘察與施工中，先后遇到如CH4、H2S等淺層有害氣體。2007年4月3日杭州地鐵1號線濱康路站—西興路站區(qū)間勘察時孔內(nèi)噴出高達6～8 m可燃氣體;2008年9月21日武漢地鐵2號線漢口火車站—范湖站區(qū)間盾構(gòu)施工時，洞口出現(xiàn)不明氣體燃燒，并導致施工人員輕度中毒;2009年5月15日，廣州地鐵3號線北延段地下盾構(gòu)施工時，3名作業(yè)人員因地下不明氣體中毒身亡。淺層有害氣體對地鐵施工、后期運營帶來不利影響。

目前，在城市地下工程建設中淺層有害氣體問題較為突出，但研究成果較少，工程經(jīng)驗不多。本文主要結(jié)合杭州與武漢地鐵勘察、檢測及施工等相關資料，闡述有害氣體特征，分析其對地鐵施工與運行的不利影響，綜合提出了各種有效應對措施。為在同類地區(qū)進行地鐵或其它地下工程建設提供一定的參考經(jīng)驗。

1 有害氣體特征

本文討論的有害氣體為分布于平原區(qū)覆蓋層，埋藏較淺(一般＜40 m)，對地下工程建設不利，對人體健康存在危害的天然氣體。淺層有害氣體(簡稱有害氣體)實為一種生物氣，俗稱“沼氣”，在相對密閉的環(huán)境下，由厭氧菌對有機物分解經(jīng)還原作用形成，與礦山煤層產(chǎn)生的瓦斯、人為活動在地下空間留下的有害氣體不同，有其明顯的特征。

1.1 成分與含量

在杭州與武漢分布有害氣體的地鐵區(qū)間，大多進行了有害氣體專項勘察或現(xiàn)場監(jiān)測，其中杭州地鐵1號線濱康路站—西興路站區(qū)間[1]、武漢地鐵2號線漢口火車站一范湖站區(qū)間[2]及武漢地鐵3號線興業(yè)路站—后湖大道站(不含)—市民中心站區(qū)間[3]檢測出有害氣體的成分與含量見表1。

表1 有害氣體成分及其含量一覽表Table 1 Composition and content of noxious gases

由上表可知有害氣體成分以CH4(甲烷)為主，體積比約占55.2% ～94.6%;其次為 CO2，體積比約占2.6% ～40.7%;其它氣體如 NO2、H2S、SO2及 CO 等，含量一般＜5%。一般而言，CH4(甲烷)含量與土體中有機物含量相關，氣源層有機質(zhì)含量一般＞0.5%，而H2S、SO2含量則與土體中動物糞便相關。

1.2 分布特征

有害氣體分布區(qū)多位于東南沿海和長江、珠江、閩江水系的江河兩岸、河口及部分湖區(qū)，為河、湖相或海相沉積平原。杭州地鐵1號線濱康路站—西興路站區(qū)間與武漢地鐵2號線漢口火車站一范湖站區(qū)間[4]有害氣體分布區(qū)的地貌、地層、巖性及埋深等特征見表2，分布的地層結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。

表2 有害氣體分布區(qū)特征表Table 2 Features of noxious gases in distribution region

圖1 杭州地鐵1號線濱西區(qū)間地層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of stratum on Binxi section of Hangzhou metro line 1

圖2 武漢地鐵2號線漢范區(qū)間地層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of stratum on Hanfan section of Wuhan metro line 2

由表2、圖1與圖2可知，有害氣體主要分布于第四系全新統(tǒng)沖積、沖湖積及濱海、淺海及溺谷相沉積層，少量上更新統(tǒng)湖沼相沉積層;地層結(jié)構(gòu)上，具二元結(jié)構(gòu)特征，上細下粗;上部為粘性土，下部為砂土或粘性土夾砂土，中部為含有有機質(zhì)的淤泥質(zhì)土。由于有害氣體是在地下相對封閉條件下形成，在地層結(jié)構(gòu)中分為封閉層、氣源層及儲氣層。一般而言，表層的粘性土如粘土、粉土等孔隙比相對較小，滲透性較差，為封閉層;淤泥質(zhì)土含有機質(zhì)，為氣源層;氣源層上、下部的粉(細)砂與少量的粉土(或兩者為互層或夾層)孔隙比相對較大，為儲氣層。

由于分布有害氣體的地層主要為河湖相或濱海相沉積，沉積時多經(jīng)過了局部的變動旋回形成砂土交互，各土層多呈透鏡狀或扁豆狀，部分具“千層餅”結(jié)構(gòu)，厚度變化大，均一性差;另外，淤泥質(zhì)土中的有機質(zhì)含量一般為0.3% ～2.6%，差異大;因此有害氣體多呈透鏡狀、囊狀分布，不同囊間氣體濃度差異大，且連通性差。

根據(jù)杭州與武漢兩地地鐵有害氣體專項勘察與現(xiàn)場檢測結(jié)果表明，有害氣體主要分布于粘性土與砂土的交互層，如粉質(zhì)粘土、粉土或粉砂互層、砂質(zhì)粘土夾粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉砂，部分分布于粉細砂層，淤泥質(zhì)土中含量較少或基本不存在;檢測孔間氣體濃度差異大，分布不連續(xù)，部分孔內(nèi)無氣體。

1.3 穩(wěn)定性與逸出規(guī)律

在淤泥質(zhì)土層中產(chǎn)生的有害氣體不斷向土體中的孔隙中運移并溶于地下水，當水中的氣體達到飽和后，部分會游離于土體顆?？紫吨?。由于氣體以液相與氣相儲存在相對封閉的囊狀空間內(nèi)，天然狀態(tài)下，地下水、氣體與土體間壓力維持相對平衡，氣體一般不易逸出，穩(wěn)定性較好，對周邊的環(huán)境不會造成影響;當受到外力擾動，封閉空間受到破壞，氣體在水中的飽和度下降，部分氣體從地下水中游離出來，與土顆粒間游離氣體共同成為逸出的不穩(wěn)定氣體，對周邊環(huán)境及地下工程的施工形成不利影響。

一般情況下，有害氣體壓力大于孔隙水壓力與大氣壓，可自然逸出。氣體逸出速度的快慢和氣體濃度、封閉空間破壞程度、大氣溫度及地下土體溫度等相關，排氣孔噴出速度一般為0.1～0.3 m/s，局部達0.4～1.1 m/s。一般而言，氣體濃度越大，封閉空間破壞越嚴重;氣溫越低與地溫越高，氣體逸出時間越短。根據(jù)杭州、武漢地鐵對有害氣體的長期觀測與監(jiān)測情況，有害氣體逸出時間差異極大，全部逸出需幾個小時至幾天，甚至幾年時間。

2 對地鐵的影響

根據(jù)武漢地鐵2號線漢口火車站—范湖站區(qū)間對有害氣體現(xiàn)場檢測及武漢地鐵3號線興業(yè)路站—后湖大道站(不含)—市民中心站區(qū)間有害氣體專項勘察成果，有害氣體危害性評價見表3。

表3 有害氣體危害性評價表Table 3 Hazard assessment of noxious gases

由上表可知，地下有害氣體中CH4、H2S及CO三種成分超標。這種有壓有毒可燃氣體對地鐵工程的不利影響，主要體現(xiàn)在三個方面:①因有害氣體逸出或運移，氣壓下降引起土體的變形，對地鐵隧道工程形成不利影響;②逸出的有害氣體，遇上火源時，易引發(fā)火災或爆炸;③有害氣體影響人體健康，濃度過大，超過安全標準時，易引起傷亡事故。

儲存于地下相對封閉空間內(nèi)的有害氣體，多為有壓氣體，氣體壓力一般在 0.1 ～0.4 MPa之間[5]。有壓氣體除封閉空間受到破壞可逸出外，在滲透壓力或其它因素引起地下水流動時，其還會從高壓區(qū)向低壓區(qū)運移。在地鐵隧道施工時，擾動或破壞了氣體的封閉空間，有壓氣體逸出，氣囊中氣體壓力降低，周圍土體在自重壓力下產(chǎn)生不均勻變形，可能引起地面變形、隧道壁失穩(wěn)，還可能因地基的不均勻變形，影響盾構(gòu)運行姿態(tài)。盾構(gòu)端頭采取降水施工時，將引起有害氣體聚集，導致洞門附近壓力劇增，影響盾構(gòu)順利掘進。車站基坑降水施工時，在滲透壓力作用下，有害氣體因壓力差產(chǎn)生流動，易在逸出口產(chǎn)生較大坡降，產(chǎn)生管涌或流土[6]，引起坑壁失穩(wěn)或坡壞。

地下有害氣體主要成分為CH4(甲烷)。CH4(甲烷)為一種可燃氣體，在地鐵隧道施工時，氣體不斷逸出引起隧道內(nèi)甲烷濃度不斷升高，如因人為或機械原因產(chǎn)生火源時，極易引發(fā)燃燒或爆炸，產(chǎn)生火災事故。

地下有害氣體中，對人體存在危害的成分為H2S與CO。H2S毒性作用的特點是濃度越低，對人體呼吸道及眼的刺激作用越明顯;濃度越高，對人體全身作用越明顯，表現(xiàn)為中樞神經(jīng)系統(tǒng)癥狀和窒息癥狀;當濃度超過600 mg/m3時，可能中毒身亡。CO中毒的機理為CO進入人體之后會和血液中的血紅蛋白結(jié)合，阻止紅蛋白與氧氣的結(jié)合，引起組織缺氧;CO中毒起病急、潛伏期短、死亡率極高。地鐵隧道內(nèi)若排風不暢，有害氣體對在該空間的施工人員身體健康產(chǎn)生危害，若濃度過高還可能出現(xiàn)中毒身亡事故。

3 應對措施

針對有害氣體對地鐵的不利影響，一般采取“釋放”與“封閉”兩種應對措施，并輔以監(jiān)測手段。在施工前期，多采用“釋放”的方式，主動破壞氣體的封閉空間，釋放出有害氣體，使其濃度低于國家限值，壓力低于相關技術標準，保證施工的安全。在施工中后期與工程運行期，一般采用“封閉”的方式，對未排出的有害氣體，及時有效地封堵，防止其續(xù)繼逸出，污染地下空間環(huán)境。由于有害氣體分布不均勻、不連續(xù)，具隨機性，無法完全杜絕其對工程的不利影響，還需建立監(jiān)測系統(tǒng)，加強變形監(jiān)測與氣體濃度檢測，做到有針對性的防范。

3.1 地鐵施工期

地鐵隧道作為一個相對封閉的空間，在進行盾構(gòu)施工前，應對超標氣體的重點段進行提前排放降壓。排氣孔密度與數(shù)量應滿足工期與安全的需要，排放時控制放氣流量，注意壓力的動態(tài)平衡，降低對周圍地層的破壞。另外還應進行專門的通風設計，可采用混合式通風方式加強通風。盾構(gòu)施工時，應對地面、隧道壁進行變形監(jiān)測，對排氣孔進行壓力測試，對隧道內(nèi)有害氣體進行檢測，如在螺旋機出口、盾尾上部及第1節(jié)車架前端設置有害氣體自動監(jiān)測報警裝置，并在隧道施工面、成形隧道內(nèi)及第二和第三車架間再各配置1臺手持有害氣體監(jiān)測儀器，加強有害氣體監(jiān)測。

若地面或洞壁變形過大，應根據(jù)監(jiān)測情況，及時采取隧道內(nèi)二次注漿、地表插管注漿等有針對性的地層加固措施，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋，適當調(diào)整注漿參數(shù)。若氣體濃度過高，可采取臨時通風的措施，降低有害氣體濃度。

應控制隧道同步注漿量與漿液質(zhì)量，保證管片間的完全封閉，防止有害氣體滲入隧道空間;對于人流量大的繁華市區(qū)，儲氣量較大地層的明挖基坑，除一般的抽排措施外，應及時開挖，及時封閉處理，防止氣體大量逸出污染環(huán)境。

在對車站基坑或盾構(gòu)端頭進行降水施工時，應布置一定數(shù)量的抽排井，對有害氣體進行提前排放降壓，待有害氣體濃度與強度達到國家安全范圍，再進行基坑開挖與盾構(gòu)掘進。氣體抽排時開始時應緩慢勻速進行，防止產(chǎn)生流土或管涌。

另外，在富含有害氣的隧道可設置減壓井和阻擋裝置，減小氣體爆炸的影響范圍，以免影響整條隧道。

3.2 地鐵運行期

地鐵運行期應建立對有害氣體濃度進行檢測的監(jiān)控系統(tǒng)，防止有壓游離有害氣體滲入隧道空間，對人體形成危害;同時應加強通風設備的檢測，制定完善的應急救援預案，以保證隧道運行的安全。

4 結(jié)語

本文僅以杭州地鐵1號線與武漢地鐵2號線、3號線存在有害氣體的三個區(qū)間段為例，闡述有害氣體的特征，分析其對地鐵的不利影響，并提出應對措施。目前杭州地鐵1號線與武漢地鐵2號線均已正常運行，對在該類地區(qū)進行地下工程建設提供了有益的參考經(jīng)驗。淺層有害氣體問題是近期才突顯的環(huán)境地質(zhì)問題，如穿越含有害氣體地層的盾構(gòu)機密閉性、盾構(gòu)施工中爆炸防護措施等許多方面有待深入實踐，總結(jié)分析，為城市地下空間的合理利用提供更可靠的技術支撐。

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[2] 徐貴來，樊永生，劉紅衛(wèi).武漢地鐵二號線漢口火車站一范湖站區(qū)間地下有害氣體特征分析[J].資源環(huán)境與工程，2012，26(6):612－616.

[3] 彭興文.武漢市地鐵三號線六標段地下有害氣體勘察及檢測報告[R].武漢:中南財經(jīng)政法大學信息與安全工程學院，2010.

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[5] 陳廣峰，陳惠芳，洪敏，等.淺議杭州地鐵隧道有害氣體的危害及防治對策[J].鐵道工程學報，2010(5):82－86.

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