武漢地鐵二號線漢口火車站—范湖站區間地下有害氣體特征分析

徐貴來，樊永生，劉紅衛

(1．湖北省地質環境總站，湖北 武漢 430034;2．武漢地質工程勘察院，湖北 武漢 430051)

0 引言

隨著武漢市經濟發展和現代化進程的加快，地鐵建設和地下空間開發項目越來越多，在這些項目實施過程中，地下有害氣體的問題突顯出來，對工程建設施工、后期運營帶來極大的影響。中國目前對礦山瓦斯、天然氣勘探、監測、防范治理等經驗較多，對淺層地下有害氣體的勘探和研究不多，武漢地鐵二號線漢口火車站—范湖站間盾構開工時，洞口發生不明氣體燃燒、施工人員輕度中毒現象，嚴重影響工程進度。

本文結合有害氣體勘查、抽排治理、監測結果，對漢范區間淺層地下有害氣體的成因、性質、成分、埋藏特征、逸出特征與規律，以及危害的防治等進行了分析。該區段經專項勘查后，制訂了完善的施工治理方案，目前左右雙向隧道于2008年12月6日全線貫通。為今后同類地區淺層有害氣體勘查、分析與評價提供了寶貴的經驗。

1 地質環境

武漢市位于江漢平原東部，處于長江與漢江交匯處，漢口地區地貌成因形態屬沖湖積平原，其形態特征可分為長江一級階地沖積區和一級階地湖積區。第四紀全新世以來，該區隨江漢盆地一直處于緩慢下降過程之中，堆積了厚40余米的長江沖湖積物，形成了河湖相的砂土層、粘土層以及近代人工填土層的沉積層序，具明顯的二元結構特征，其間經歷了局部的變動旋回形成砂土交互的過渡層，近地表處則為近代人工填土、湖塘淤泥層所覆蓋，區域有害氣體形成的地質環境剖面圖如圖1。

2 有害氣體形成與分布特征［1］

2．1 有害氣體形成條件

地下淺層有害氣體是一種生物氣，其形成必須具備三個必要條件:一是豐富的有機物;二是相對密封的地質環境;三是地層具有一定的儲藏空間。

該區域在全新世江漢湖群由興盛到衰退演變的環境條件下，經歷了初、早、中期古河谷充填，晚期階地形成、萎縮和湖沼發育等過程。在這一過程中，大量的生物、有機質經過近萬年的地質歷史過程，沉淀堆積，隨后被水和泥砂覆蓋起來并與空氣隔絕，在厭氧菌的作用下分解發酵，伴隨著一定的溫度和壓力，使這些生物的殘骸變成泥炭，同時產生氣態產物，逐漸形成有害氣體，其形成過程可用下式表示:

有機物 +厭氧細菌一定的溫度、壓力CH4+CO2+H2O+H2S+CO+NO2等

2．2 有害氣體主要成分、性質

根據現場勘查、監測，區段淺層地下有害氣體成分比較復雜，經長期監測、取樣室內分析顯示，有害氣體成分主要有 CH4、H2S、SO2、CO 等，其中以甲烷(CH4)氣體為主，占總體積的55% ～70%，是可供燃燒的主要氣體，其次是CO2氣體，約占總體積的30% ～40%，其他幾種氣體含量較少，一般不超過總體積的2%。甲烷氣體CH4(Mathane)產生量與土中有機物的含量密切相關:C6H10O5+H2O=3CO2+3CH4。H2S、SO2與土中動物糞便相關。

區段所處的地質環境、巖土特征為H2S、SO2、CH4等有害氣體的形成提供了必要的有利條件。

圖1 地質環境剖面圖Fig．1 Profile of geological environment1．雜填土;2．第四系全新統粘土;3．第四系全新統淤泥質粉質粘土;4．第四系全新統粉質粘土夾粉土、粉砂;5．第四系全新統粉砂、粉土、粉質粘土互層;6．第四系全新統粉砂。

實測有害氣體的噴出速度分別一般為0．1～0．3 m/s，少數區段達0．4～1．1 m/s，流量比較均衡，氣體壓力0．10～0．30 MPa，一般情況下氣體壓力高于孔隙水壓力，成孔后可以自然逸出地表。

通過監測，氣體中甲烷濃度一般在1% ～5%之間，局部富集超過5%，嚴重超標;H2S濃度在10×10－6～15×10－6之間，超過國家規定限值;SO2濃度檢測濃度為0．1 ×10－6～0．8 ×10－6，低于國家標準限定值(不得高于10×10－6);NO2濃度為0．1×10－6～2×10－6，低于國家標準限定值(不得高于10×10－6);CO濃度為15 ×10－6～24 ×10－6，局部超過 30 ×10－6，基本均達到或超過了國家規定的危險報警值。

2．3 有害氣體溶存與擴散

有害氣體生成后，主要以溶存于地下水中的溶存氣體及存在于土顆粒空隙中的游離氣體兩種形式存在于土層中。

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

當生成的過飽和游離氣體不可能向大氣中擴散時，便不時向周圍地層孔隙中運移、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。土中氣體一般以兩種形式存在:

(1)溶存氣體:氣體在有機質土中產生后，溶存于上面存在不透氣粘土層的砂層地下水中(液相)，這種液相氣體稱為溶存氣體。

(2)游離氣體:當氣體量超過溶于地下水的飽和濃度時，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。

2．4 有害氣體賦存狀態與分布

現場測試發現，不同地段的勘探孔，鉆至同一層位的土層時，其出氣量與持續時間存在著明顯不同，有的勘探孔噴氣強烈，氣量大，持續噴發時間長，有的勘探孔則沒有氣體逸出。說明淺層有害氣體在平面和縱向上其氣壓、儲存以及連通性差異較大，分布不均。

根據現場實測數據、試驗、監測等結果綜合分析，該區段淤泥質粉質粘土中含有豐富的有機質，具備產生有害氣體的物質條件，但其孔隙比小，結構封閉，滲透性差，儲氣量小，在該層位進行監測時，基本無氣體逸出，判定為氣源層;而其上部的粘性土層具備封閉功能，阻止游離氣體逸出進入大氣層，致使氣體游離于大孔隙的土顆粒之中。

淤泥質粉質粘土之下的粉質粘土、粉土、粉砂互夾層(粘性土與砂土的過渡層)，層間既夾有含有機質的淤泥質土，亦有孔隙比較大、滲透性較強的砂土，兩者交互沉積，單層厚約0．20～1．00 m之間;該組合結構淤泥質土產生有害氣體，砂土儲存氣體，當監測管進入該層位后，氣體濃度急劇上升，壓力也隨之增加，有的甚至在管口可點燃，充分說明過渡層既為氣源層，亦為主要儲氣層。

圖2 有害氣體平面分布示意圖Fig．2 Schematic diagram of horizontal distribution of harmful gas

過渡層以下的砂土層結構較均勻，砂質較純，孔隙比較大，滲透性較強，其中產生的有害氣體易擴散，向上運移后存于砂、砂礫層上方的滲水、透氣性能差的粘性土層的凹部;經過現場實測、分析認為砂土層除頂部存在薄層的游離氣體積聚區外，總體儲存氣體量較小，不具備形成儲氣層的條件。

依據有害氣體形成的基本條件和現場監測資料，綜合分析該區段淺層有害氣體主要生成于粘性土層之下淤泥質土層之中，而主要儲藏于砂土過渡帶的粉質粘土、粉土、粉砂互夾層之中，即氣源層為淤泥質土層，主要儲氣層為粉質粘土、粉土、粉砂互夾層，且有害氣體濃度、壓力變化大小不一，一般呈不連續狀態儲存于土顆粒空隙間。依據測試壓力大小，在平面上可劃分為兩個壓力區段(圖2)，即大于孔隙氣壓力區段(Ⅰ區)和小于孔隙氣壓力區段(Ⅱ區)。

3 有害氣體儲藏與逸出特征［2］

3．1 有害氣體儲藏特征

區段淺層有害氣體主要成分為甲烷，具有可溶性，相對比較輕，一般成兩種狀態(液相、氣相)儲存于砂土過渡帶層位，氣相的游離氣體多成獨立的雞窩狀分布，而液相的溶存氣體層間聯系比較密切，受外界環境影響發生變化的特征明顯。在環境不發生任何改變情況下，不會自然逸出，不易監測，當受到外力擾動，氣體的溶存飽和度下降，部分溶存氣體從地下水中游離出來，與土顆粒間游離氣體(氣相狀態)共同成為逸出氣體，對地下工程施工形成不利影響。

3．2 有害氣體逸出特征與規律

根據沿線有害氣體勘查、監測資料分析，砂土過渡層為淺層有害氣體主要儲氣層，淺層有害氣體呈交互狀的扁豆體以及透鏡體狀出現，且各孔位周邊地層的氣壓、儲量以及相連通的氣層范圍差異較大，分布極不均勻。其主要原因是氣相在土體中的賦存狀態不同所致，一般勘查孔中氣體濃度在自然條件下多數呈逐漸降低的趨勢(圖3)，單孔氣體濃度初期異常高、隨著氣體的不斷逸出而逐漸趨于穩定，甚至難以檢測，說明儲氣層總體聯通比較差，在土、水壓力自然平衡狀態下能維持相對平衡，一般不易自由逸出。

圖3 靜力觸探孔甲烷濃度檢測曲線圖Fig．3 Curve of methane concentration of static sounding hole

自然狀態下，淺層有害氣體維持相對平衡，不會自由逸出。當人類工程活動對儲氣層予以擾動，打破了原有的自然平衡狀態，孔隙水壓力降低時，會使部分溶存氣體、游離氣體逐漸逸出而影響地下工程的順利進行;特別是大量抽降地下水，將會導致局部聚集，壓力急劇上升、濃度超標，如圖3監測所示。

從圖4濃度曲線分析可知:地下水基本處于同一標高線，主要儲氣層(砂土過渡層)處在水位線以上時，①抽排初期，有害氣體濃度、壓力高、曲線波動大，執行24 h不間斷抽排，有害氣體濃度、壓力急劇下降，逐漸處于穩定，說明降水降低了孔隙水壓力，導致有害氣體飽和度降低，從游離氣體、溶存氣體不斷逸出，一般抽排72 h后，氣體濃度、壓力降低，曲線又逐漸處于平緩，說明漢口地區有害氣體儲氣層總體聯通性較差，局部進行不間斷抽排，基本可降低區域段有害氣體濃度，達到國家安全范圍值;② 從降水井曲線直觀看出，地下有害氣體的運移與地下水的流動、孔隙水壓力關系密切，初期濃度高、曲線變化大，停止后井口及周邊各檢測點氣體濃度明顯下降，說明在降水井不斷抽水的作用下，周邊游離氣體隨地下水移動聚集于降水井附近，同時水中溶存氣體也因壓力和溫度的變化而逸出轉化為游離氣體，導致孔井附近氣體不斷聚集，濃度越來越高;降水井停抽后，此過程被終止，氣體濃度則因儲氣層本身的聯通性較差，周邊氣體補充較慢而逐漸揮發而降低。

圖4 降水井及抽排井甲烷濃度測試曲線圖Fig．4 Curve of methane concentration of dewatering well and pump drainage well

4 有害氣體對地鐵施工的危害及應控措施

中國屬淺層天然氣分布較廣的地區，其中東南沿海和長江、珠江、閩江水系的江河兩岸及河口共計近30萬km2的區域有淺層天然氣分布;淺層天然氣埋藏淺(通常＜100 m)，是一種典型的生物成因氣。近年來，隨著中國基礎設施建設的快速發展，特別是東南沿海和長江中下游經濟的迅猛增長，許多地區在非油氣開采的工程建設過程中，由于事先估計不足或采取的防治措施不當，都遇到過淺層沼氣引發的地質災害問題。

武漢漢口地區，長江一級階地沖湖積平原區，基本具備形成淺層有害氣體的自然環境，大量的勘測資料表明，砂土過渡層為本地區主要儲氣層，具備低壓淺層天然氣田的特點，而地鐵施工基本處在該層位帶。

地鐵盾構施工一般采取土水或土體平衡法施工，一般不宜擾動巖土層，但為保證盾構機能順利進、出洞口，在地鐵盾構端頭進洞段及出洞段，必須先人工破除洞門，對端頭采取降水措施，破壞了原有的土、水壓力的自然平衡狀態，根據有害氣體的溶存、賦存特征，抽降地下水，將引起端頭有害氣體的聚集，導致洞門附近區域有害氣體濃度、壓力劇增，嚴重影響盾構的順利掘進。依據工程實踐，結合有害氣體分布特征、逸出特征與規律以及其聯通性等，為減少其對地鐵施工的不利影響，可以在盾構端頭布置一定數量抽排井(降水排氣)，對盾構端頭區域段有害氣體予以人工抽排，初期濃度比較高，因氣體補給范圍有限，隨著時間推移，有害氣體濃度、壓力將逐漸降低，待達到國家安全范圍后，即可開始掘進，待盾構順利進入一定長度，基本達到水土或土體平衡后，終止抽排，加強監測即可。

盾構端頭區域對有害氣體實施了人工氣體釋放，地下土層不可避免會因氣體釋放而產生一定的空洞，進而引起地層沉降，對地表構(建)筑及隧道造成影響，針對此種情況，結合相關工程實踐經驗提出應對的控制措施。

(1)由于地層中氣體釋放后，可能會造成土層失陷，造成地面構(建)筑物沉降位移或者使已建好的隧道產生位移、斷裂等災害。所以在有害氣體釋放過程中，需加強地面沉降以及隧道位移、沉降、收斂監測，針對監測情況，及時采取隧道內二次注漿、地表插管注漿等針對性地層加固措施，并根據監測數據反饋，適當調整注漿參數。

(2)嚴格控制同步注漿量和漿液質量，通過同步注漿及時填充盾尾管片與土體間的建筑空隙，減少盾尾通過后隧道外周圍形成的建筑空隙，減小地層沉降。要合理控制注漿壓力，盡量做到填充而不是劈裂。注漿壓力過大，管片外的土層將被漿液擾動而造成較大的沉降，易造成跑漿;注漿壓力過小，填充速度慢，填充不足，也會使變形過大。注漿壓力應控制在1．1～1．2倍的靜止土壓力值。

5 結語

武漢地區淺層有害氣體的勘測、分析目前處于起步階段，有待進一步的深入實踐，不斷總結分析，為城市地下空間的合理利用提供更有力的技術支撐。

［1］ 樊永生，劉紅衛，等．武漢市軌道交通二號線一期工程漢口火車站—范湖站區間地下有害氣體勘察報告［R］．武漢:武漢地質工程勘察院，2008．

［2］ 樊永生，劉紅衛，等．武漢市軌道交通二號線一期工程范漢區間地下有害氣體范湖站地面抽排試驗段—抽排成果報告［R］．武漢:武漢地質工程勘察院，2008．