地鐵勘察中對(duì)地下不明氣體的勘察與分析

李成軍

(哈爾濱市勘察測(cè)繪研究院，黑龍江 哈爾濱 150010)

1 工程概況

在哈爾濱市軌道交通2號(hào)線一期工程項(xiàng)目文化宮站-衡山路站之間的3個(gè)工點(diǎn)的部分地段詳勘過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了淺層不明氣體。共計(jì)有7個(gè)詳勘鉆孔發(fā)現(xiàn)地下不明氣體，該氣體埋深約 23 m～28 m，賦存于砂層中，當(dāng)鉆孔將砂層上覆的粉質(zhì)黏土層(厚約 22 m～23 m)揭穿時(shí)，該氣體即從地下噴出，最大噴射高度可達(dá) 10 m，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)達(dá) 4 h～5 h。噴射時(shí)，初帶干砂，之后僅有氣體噴出，氣體無(wú)色，大部分無(wú)味，個(gè)別孔氣體略帶異味，不可燃。因上述兩區(qū)間及車站均采用暗挖法施工，地下不明氣體極易對(duì)施工人員和擬建工程造成巨大危害，輕則影響工程進(jìn)度、增加投資，重則可能釀成重大安全事故，因此有必要對(duì)這3個(gè)工點(diǎn)的地下不明氣體進(jìn)行專項(xiàng)勘察。

不明氣體的存在不僅加大了工程建設(shè)的難度而且嚴(yán)重阻滯了地鐵工程的進(jìn)展。因車站屬開挖施工，當(dāng)上部土層卸荷后，不明氣體通過(guò)壓差向基坑內(nèi)釋放，坑底土擾動(dòng)后則大大降低被動(dòng)區(qū)土體的剪切強(qiáng)度。而在隧道施工過(guò)程中，泄漏至隧道內(nèi)是不明氣體唯一流動(dòng)的途徑，若不明氣體屬于易燃易爆氣體，一旦遇見明火則引起工程事故的危害性極大。考慮到后果的嚴(yán)重性并做到對(duì)地下不明氣體的提前預(yù)判，采取專項(xiàng)的不明氣體勘探是十分必要的。

2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

哈爾濱市位于松嫩平原東南部，地處松花江中游，平原波狀起伏，河谷地貌發(fā)育、階地清晰，漫灘開闊，地勢(shì)總的趨勢(shì)為由東南向西北傾斜。本區(qū)域沿線地貌單元屬崗阜狀平原，地勢(shì)平緩，起伏不大。

2.2 工程地質(zhì)條件

本場(chǎng)區(qū)地層呈現(xiàn)典型的二元結(jié)構(gòu)，其中地表至地下約 23 m～24 m，為可塑～硬塑的粉質(zhì)黏土，其下為厚約 40 m的中粗砂層。文省區(qū)間地層簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 文省區(qū)間地層簡(jiǎn)圖

2.3 水文地質(zhì)條件

孔隙承壓水主要賦存于第四系中更新統(tǒng)下荒山組沖積層中的中砂、粗砂層中，相對(duì)隔水頂板為粉質(zhì)黏土層，底板為粉質(zhì)黏土層，該含水層厚約 20.0 m，厚度較大，該含水層富水性好、透水性強(qiáng)?？紫冻袎核饕邮軅?cè)向徑流補(bǔ)給，以側(cè)向徑流排泄為主。

3 不明氣體勘察測(cè)試方法及測(cè)試結(jié)果

3.1 不明氣體勘察方案

根據(jù)不明氣體的埋藏深度、詳勘時(shí)揭露氣體鉆孔的分布范圍、區(qū)間的工程地質(zhì)縱斷面圖，從工程安全角度出發(fā)，以區(qū)間開挖過(guò)程中將揭露砂層的區(qū)域，作為勘察范圍，發(fā)現(xiàn)氣體孔位及時(shí)采取氣樣裝袋。

(1)布孔原則

為了利用原有初詳勘察鉆孔，不明氣體勘探孔盡可能靠近在原有縱斷面上，與原鉆孔錯(cuò)開。為避免鉆孔回填不嚴(yán)，造成地表水沿鉆孔下滲對(duì)主體結(jié)構(gòu)不利，及鉆孔揭穿隔水層后導(dǎo)致承壓地下水上升，對(duì)施工不利等原因，將區(qū)間不明氣體勘探孔布置在地鐵結(jié)構(gòu)線外側(cè) 3 m～5 m，交叉布置，平均孔間距 25 m。若探測(cè)到的不明氣體壓力大于 50 kPa，則加密勘察孔，勘探范圍擴(kuò)展直至氣體壓力小于 50 kPa為止。

(2)布孔深度

根據(jù)對(duì)含氣層的初步分析，及既有的不明氣體勘察的經(jīng)驗(yàn)，本次專項(xiàng)勘察勘探孔需揭穿粉質(zhì)黏土層，進(jìn)入中砂、粗砂層一定深度，以查明是否存在不明氣體，因此確定勘探孔深度平均按 30 m左右考慮。

(3)布孔孔數(shù)

根據(jù)上述布孔原則以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際勘探情況，共布置氣體測(cè)試孔12個(gè)。

3.2 不明氣體測(cè)量

(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(如圖2所示)，將閥門1關(guān)閉，閥門2打開，然后逐漸上拔，待噴氣口勻速噴出氣體時(shí)再將閥門2關(guān)閉，打開閥門1，氣體首先通過(guò)沉淀池將泥砂沉淀，然后可直接從壓力表讀取壓力值。當(dāng)壓力較小時(shí)可直接將壓力表連接于閥門2處進(jìn)行讀取。

圖2 氣壓測(cè)試示意圖

由于噴出的氣體要克服土體間阻力，造成氣壓損失，因此直接測(cè)定法測(cè)出的壓力值往往小于真實(shí)氣壓值。由于含氣層位于6層砂層中，富含承壓水，當(dāng)測(cè)試氣壓最終維持平衡時(shí)，此時(shí)探桿內(nèi)留有一定高度的水頭壓力P2(如圖3所示)，而地下氣體的真實(shí)壓力P1應(yīng)該等于上部沉淀池腔內(nèi)氣體壓力P3加上P2。由于每個(gè)孔的P2值各不相同且無(wú)法測(cè)定，因此只能估算修正。根據(jù)收集的資料以及以往工程的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際噴出的氣壓愈大，沿程的氣壓損失愈大。因此，對(duì)氣壓=0.05 MPa的實(shí)測(cè)值加以 0.05 MPa的修正，對(duì)氣壓=0.15 MPa的實(shí)測(cè)值加以0.1 MPa的修正，對(duì)氣壓=0.25 MPa的實(shí)測(cè)值加以 0.15 MPa的修正，中間值采用內(nèi)插法計(jì)算；對(duì)氣壓>0.25 MPa的實(shí)測(cè)值均加以 0.15 MPa的修正，不再內(nèi)插。

圖3 氣壓實(shí)際值示意圖

在本工點(diǎn)的勘察過(guò)程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)氣體后，分別對(duì)各個(gè)勘探孔的峰值壓力值進(jìn)行了記錄，探孔的氣體壓力實(shí)測(cè)峰值以及修正值如表1所示。

各勘探孔氣壓實(shí)測(cè)峰值及修正值 表1

(2)等效換算法

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4所示)。

圖4 等效換算法示意圖

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。根據(jù)國(guó)內(nèi)非飽和土的研究表明，對(duì)于一般的非飽和土層，其S一般只有幾十至 100 kPa，按最不利條件計(jì)算，取S=100 kPa。

根據(jù)詳勘時(shí)的承壓水觀測(cè)結(jié)果，SK20+822～SK21+440間的承壓水最高水頭為 7.1 m，故取承壓水水頭高 7.1 m，Ua=Uw+S=10.0×(7.1)×10-3+0.1=0.171 MPa。

綜合分析壓力測(cè)試結(jié)果可以得出：

文化宮站～省政府站區(qū)間檢測(cè)到的不明氣體，中心氣壓位于QT2號(hào)孔(隧道左線里程SK21+395處)，實(shí)測(cè)中心峰值壓力為 0.065 MPa，理論峰值壓力 0.122 5 MPa。其余孔實(shí)測(cè)氣壓均小于 0.05 MPa。

(3)氣體流量的計(jì)算

式中：PN，TN，ρN—空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對(duì)壓力，絕對(duì)溫度和密度；

PS，TS，ρSN—被測(cè)氣體在測(cè)量時(shí)的絕對(duì)壓力、絕對(duì)溫度和密度；

QN—流量計(jì)讀數(shù)；

ZSN—被測(cè)氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓縮系數(shù)；

ZS—被測(cè)氣體在PS，TS時(shí)的壓縮系數(shù)。

以QT2號(hào)勘探孔為例，按氮?dú)獬煞挚紤]，測(cè)試 20 min內(nèi)實(shí)測(cè)流量計(jì)平均流量為 40.0 L/min，流量計(jì)入口處實(shí)測(cè)溫度為15℃，絕對(duì)壓力Ps=0.1225 MPa，則實(shí)際流量：

=36.95 L/min

3.3 不明氣體特征

本次不明氣體勘察外業(yè)結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)存在不明氣體勘探孔，其中勘探孔(QT2)有氣體和砂粒噴出現(xiàn)象，其余勘探孔發(fā)現(xiàn)不明氣體作用不明顯。噴出氣體勘探孔的氣體特征如表2所示。

不明氣體噴發(fā)特征 表2

4 不明氣體形成的原因分析

4.1 不明氣體成分

為了充分了解本工程的淺層不明氣體成分，需要采集淺層氣樣品進(jìn)行氣體組分分析試驗(yàn)。氣體采樣采用氣體采樣袋和封裝，采樣選擇在查氣過(guò)程中噴發(fā)較大的鉆孔進(jìn)行，氣樣采集在噴出純凈氣體時(shí)快速進(jìn)行。最終在QT2號(hào)孔中取得氣樣4袋并封裝，每袋容積2L。

對(duì)于所采集的氣樣品，委托中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心進(jìn)行了氣體組分測(cè)定分析試驗(yàn)，對(duì)不明氣體組分進(jìn)行了分析，氣體組分如表3所示。

本工程不明氣體組分檢測(cè)表 表3

4.2 氣體形成原因分析

由于地下水和氣體共同賦存于地層中，地下水位的反復(fù)升降使得氣體成分有所變化。根據(jù)收集的區(qū)域水文資料，哈爾濱市自20世紀(jì)60年代末期開始開采地下水，地下水位逐年下降；至80年代，因工業(yè)發(fā)展需要，地下水開采達(dá)到高峰，開采量迅速增加，開采范圍不斷擴(kuò)大，開采強(qiáng)度增強(qiáng)，地下水位不斷下降，淺部承壓水曾一度變成無(wú)壓的潛水。由于過(guò)度開采地下水而造成城市大面積沉降危害，哈爾濱市于2003年開始，通過(guò)調(diào)整企業(yè)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，采取行政、法制、科技、工程、經(jīng)濟(jì)等多項(xiàng)管理措施嚴(yán)格限制地下水資源開采，同時(shí)在全市范圍內(nèi)布置地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)施動(dòng)態(tài)水位監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，地下水位逐年回升，平均每年回升幅度約 0.5 m?？梢哉f(shuō)哈爾濱市地下水位經(jīng)歷了長(zhǎng)期下降和不斷回升的一個(gè)過(guò)程。當(dāng)?shù)叵鲁袎核婚L(zhǎng)期下降時(shí)，使地層產(chǎn)生“負(fù)壓”抽吸，使得地下氣體中混有一定量的空氣；當(dāng)?shù)叵滤簧仙龝r(shí)，一部分氣體向上排出，另一部分氣體在地層孔隙中被壓縮，存儲(chǔ)在適宜的地層結(jié)構(gòu)中形成一定壓力的氣囊。根據(jù)氣體成分檢測(cè)報(bào)告，氮?dú)夂空細(xì)怏w總體積的96.48%～96.81%，含量極高，可以判定氣體形成成因主要為地下水升降的物理作用。

微生物作用和地下水的作用可能同時(shí)存在，因此氣囊氣體成分中氧被微生物吸收形成烷類氣體和二氧化碳，而空氣中的二氧化碳以及微生物形成的二氧化碳由于地下水的作用溶于水后逐漸流逝，最終形成氮?dú)夂枯^高的氣體。

其形成式可以表示如下：

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)本次專項(xiàng)勘察對(duì)工點(diǎn)揭露的氣體成因分析，該地下不明氣體主要由地下水作用而次生的第四系超淺層氣體，地下水位大幅上升使得地層中特別是砂土孔隙中氣體向上被擠出二聚集于砂土頂部，構(gòu)成本次?？辈幻鳉怏w主要生氣源，灰黑色粉質(zhì)黏土層為含有機(jī)質(zhì)和提供厭氧微生物存在的場(chǎng)所，為次要微弱生氣層，但因致密為良好的隔氣層。中砂層為主要儲(chǔ)氣層。

根據(jù)此次勘察外業(yè)資料分析，不明氣體會(huì)嚴(yán)重影響隧道施工以及結(jié)構(gòu)建成后的投入使用。因此，建議做好以下幾點(diǎn)：

(1)提前有控放氣

建議施工單位重點(diǎn)對(duì)不明氣體壓力較大的區(qū)段進(jìn)行有控放氣。

(2)對(duì)于不明氣體恰好位于隧道結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)，隧道開挖時(shí)揭露含氣層頂板，施工時(shí)易產(chǎn)生冒氣涌沙現(xiàn)象，對(duì)穩(wěn)定性不利。建議施工前可進(jìn)行有控排放，必要時(shí)可采取加大隧道結(jié)構(gòu)的整體剛度、隧道結(jié)構(gòu)外側(cè)預(yù)留長(zhǎng)期的氣體排放管道(管道底部插入儲(chǔ)氣層中)、隧道底注漿加固等措施。同時(shí)加強(qiáng)不明氣體監(jiān)測(cè)力度，密切做好預(yù)警工作，加強(qiáng)洞內(nèi)通風(fēng)。

(3)采用高抗?jié)B性材料

對(duì)于分布有氣體的區(qū)段，不明氣體滲入結(jié)構(gòu)的可能性較大。建議分布不明氣體范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)混凝土(襯砌或管片)采用高抗?jié)B等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

(4)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、改善通風(fēng)條件

設(shè)立專職不明氣體監(jiān)測(cè)人員，安裝自動(dòng)報(bào)警儀并配備便攜式氣體檢測(cè)報(bào)警儀。動(dòng)態(tài)測(cè)定隧道施工過(guò)程中的不明氣體濃度。此外，隧道內(nèi)應(yīng)采用高功率的通風(fēng)設(shè)備，保持隧道內(nèi)空氣流暢。

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