武漢地區城市地下工程施工有害氣體勘察技術與方法

余泰敏，劉紅衛，喻理傳

(武漢地質工程勘察院，湖北武漢 430051)

0 引言

近年來城市地下工程(主要指盾構隧道工程、沉井、沉箱、深基坑工程等)根據多樣化的需求，目前正朝著大規模、大深度的方向發展。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)等土中有害氣體對這些地下工程的施工和作業人員的生命直接構成威脅。

武漢地區以前限于經濟的發展條件，對地下有害氣體沒有專門的有害氣體勘察。2008年6月武漢地鐵2號線開工，在漢口火車站站—范湖站地鐵盾構施工區間始發井破除洞門時，發現有不明氣體泄漏，在進行電焊作業時不明氣體發生燃燒，隨后造成地鐵盾構施工停工達3月之久;期間武漢地鐵公司委托本院進行了地下有害氣體專項勘察，并根據勘察結果指導有害氣體抽排，最終保障了盾構施工的順利進行。

1 有害氣體

1．1 有害氣體形成條件及成分、性質［1］

有害氣體是指第四系沉積物中有機質在還原環境下經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。

武漢地區全新世以來地殼緩慢下降，長江經歷了初、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，同時產生氣態產物儲藏于地下。

根據對漢口地鐵有害氣體勘察鉆孔、靜力觸探孔及盾構機洞門、降水井等處的監測結果，地下有害氣體成分主要為甲烷，一般占總體積的55% ～70%，是可供燃燒的主要氣體;其次是二氧化碳氣體，占總體積的30% ～40%，是不可燃氣體;其他幾種氣體含量一般不超過總體積的2%。

1．2 有害氣體生成后的溶存與氣相擴散

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粒空隙中的游離氣體兩種形式存在于土層中。

圖1 有害氣體生成與擴散示意圖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(見圖1)。

土中氣體:土中溶存氣體與游離氣體之和。

溶存氣體:氣體在有機質土中產生后，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。

逸出氣體:當壓力降低、溫度升高，或受外力擾動時，氣體的溶存飽和度下降，故會有部分溶存氣體從地下水中分離出來，存于土顆粒空隙中，這部分分離開來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 氣源層及儲氣層

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

根據勘探資料顯示，武漢地鐵2號線漢口火車站站—范湖站區間地層結構見表1。

根據現場試驗、監測等結果綜合分析認為:

(3-3)層淤泥質粉質粘土中含有有機質，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，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入大氣中。

(3-4)層含砂粉質粘土以及(3-5)層砂土互層，其中即有含有機質的淤泥質土，亦有孔隙大、滲透性較強的砂土，兩者交互沉積，單層厚約在0．20～1．00 m之間;該組合結構淤泥質土產生有害氣體，砂土儲存氣體，故(3-4)、(3-5)層既為氣源層，亦為主要儲氣層。當受地鐵施工時外力擾動，氣體的溶存飽和度下降，會有部分溶存氣體從地下水中分離出來，與土隙間游離氣體共同成為逸出氣體，對地鐵施工形成威脅。

(3-5)層以下的(4)層組砂土層結構較均勻，砂質較純，孔隙大，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外總體儲存氣體量較小，不具備形成儲氣層的條件。

2 土中氣體濃度的勘察方法

2．1 已有的勘察方法簡述［2］

目前國內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外類似城市地下工程經驗，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)采礦工程多以開發利用為目的，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年代礦產部門曾經對長江、珠江沿岸及濱海地區進行過全國性淺層生物氣體普查，初步查明了其分布及儲量等，但因開采成本較大，故目前開發利用較少。

(2)采礦工程針對的氣田氣體濃度、壓力及流量均較大，對測量值的誤差要求相對而言不高，氣體濃度、壓力及流量較小的氣田一般認為不具開采價值或對采礦施工影響小;而城市地下工程作為公共工程對其要求則高得多，少量有害氣體的逸出便可影響工程的進度及引起公眾的恐慌，故對測量值的誤差要求更高。

表1 武漢地鐵2號線漢口火車站站—范湖站區間地層結構表Table 1 Structure table of strata of Hankou railway station-Fanhu station section

因此城市地下工程從災害防治的目的出發，有害氣體體對工程施工的危害將無法避免，對地下有害氣體的勘察與量測的要求更高，需采取更加可靠及精度更高的勘察方法量測氣體的濃度、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孔口測量孔內氣體濃度;②孔內水取樣法;③氣液分離法;④泥水探層法;⑤BAT系統法。

以上5種方法均來源于采礦工程的相關實踐經驗，國外采用精度較高的BAT系統法測定，但該儀器結構復雜，操作困難，而且國內沒有廠家生產該設備。

2．2 配合工民建工程勘察的土中氣體濃度監測方法

針對城市地下工程的特點，綜合以上5種土中氣體的勘察方法，同時最大限度的利用現有工民建勘察設備、工序，我們采用巖芯鉆探和靜力觸探(見圖2、圖3)，輔以地面調查、天然氣管道泄漏檢測、土體污染調查、沿線檢測點檢測等手段進行城市地下有害氣體勘察。

圖2 鉆孔結構示意圖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，以作為檢測或導氣孔使用，其中鉆探孔還要作為有害氣體長期監測孔使用。

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

2．3 漢口地鐵土中氣體濃度監測

在孔口監測有害氣體濃度采用甲烷檢測報警儀及復合氣體檢測儀，壓力采用數字式微壓儀測定。

根據漢口地鐵沿線有害氣體檢測結果(見圖4)，(3-4)、(3-5)層砂土互層為主要儲氣層，有害氣體呈交互狀的扁豆體以及透鏡體出現，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，沿地鐵結構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不同所致，沿線勘察孔中氣體濃度在自然條件下大多數呈逐漸降低的趨勢，證明沿線儲氣層總體聯通性較差，在土、水壓力自然平衡狀態下能維持相對平衡。

圖3 靜力觸探孔結構示意圖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 土中氣體壓力性質分析與勘察方法［3］

目前國內對于地下有害氣體壓力測定還沒有現成的方法，杭州地鐵施工中浙江省地礦勘察院結合國內外經驗研制了一套測定氣體壓力、流量的方法:

3．1．1 直接測定法

用靜壓設備把探桿(探桿中部通氣)壓入土層預定深度后，接三通設備，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

根據各勘探孔孔口因氣壓噴水的高度進行估算。

3．1．3 等效換算法

根據土層中氣、水平衡的原理，通過計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0．39 MPa，這點與武漢遇到的情況有明顯的不同，故勘察方法亦應與上海、杭州地區有區別。

武漢地區地下儲氣層多屬于低壓氣場，氣層壓力偏低，氣體在監測孔中均以低壓力逸出，勘察時基本未見高壓力的噴出現象，估算最大氣體壓力在0．10～0．25 MPa之間。用孔口直接測定法(孔口采用數字式微壓儀測量值僅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

等效換算法即根據土層中氣、水平衡的原理，通過計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為基質吸力，即因毛細作用存在于氣水分界面收縮膜上的表面張力。國內外非飽和土的研究表明，對于類似長江沿岸以粉、細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系

漢口地鐵有害氣體勘察時監測的氣壓值均為地表孔口所測，且實測值遠低于大氣壓力及根據氣體埋藏深度計算出的孔隙氣壓力Ua，故不能代表地下實際的氣體壓力值P1，需采用間接的方法反映地下氣體壓力。

監測孔鉆入地下含氣層后，其原有的平衡狀態被破壞，周邊土層中游離氣體以垂直、水平兩種方向通過鉆孔進入大氣。根據土層中氣、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時孔內游離氣體可大量、迅速地逸出地表;而P1＜Ua=Uw+S時，游離氣體無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，但因鉆孔中垂直通道面積小，且土顆粒亦對游離氣體有一定的阻力，故其揮發過程極為緩慢，一般僅在監測孔放置一段時間后，方有氣體揮發至地表(見圖6)。

圖6 監測孔周邊氣體逸出示意圖Fig.6 Schematic diagram of amibent gas escape of monitor holes

3．4 土中氣體壓力區段的劃分

以間接反映地下氣體壓力的方法，結合實際檢測結果，可將漢口火車站—范湖站地鐵施工區間場地劃分為兩個有害氣體壓力區段，即大于孔隙氣壓力區段(Ⅰ區)和小于孔隙氣壓力區段(Ⅱ區)，兩者對地鐵施工的影響程度有一定區別(見圖7)。

Ⅰ區:氣體壓力大于孔隙氣壓力區段(P1≥Ua=Uw+S)。根據實際檢測結果，在鉆探孔鉆進及靜力觸探孔探桿上拔的施工過程中，部分孔在一定深度范圍內有氣體逸出，故氣體實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、鉆孔護壁阻力可忽略不計，則 P1=Ua=Uw+S=0．01 h+0．1 MPa。該部分孔所屬區段可劃分為Ⅰ區，地鐵在Ⅰ區施工時因氣體壓力值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面，氣體濃度短時間內迅速升高，若抽排不及時則將造成嚴重后果。

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

Ⅱ區:氣體壓力小于孔隙氣壓力區段(P1＜Ua=Uw+S)。部分孔地段在鉆探孔鉆進及靜力觸探孔探桿上拔的施工過程中沒有氣體逸出，孔口未檢測出有害氣體，故0．1 MPa＜P1＜Ua;但該類孔在放置1－2天后，孔內逐漸有氣體產生，且濃度呈上升趨勢，證明氣體在成孔后逐漸揮發至孔內，并慢慢逸出地表。該部分孔所屬區段可劃分為Ⅱ區，地鐵在Ⅱ區施工時因氣體壓力值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面，氣體濃度短時間內不會升高，若抽排及時將不會造成嚴重后果。

4 結語

目前利用巖芯鉆探和靜力觸探的方法進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。

(2)鉆孔采用普通的巖芯鉆探，鉆進砂層時為防止垮孔、縮徑需用泥漿護壁;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，尚需克服鉆孔護壁泥漿阻力。本次在(3-4)、(3-5)層砂土互層儲氣層鉆進時將泥漿濃度降低，鉆進結束后洗孔、下入PVC管再抽水以力求將護壁泥漿阻力影響降至最低;但實際監測過程中，仍發現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出的氣體很少。

經過分析，認為靜力觸探孔較鉆孔檢測有害氣體效果要好，但鉆孔若采用對土體基本無擾動的雙管鉆進(無需泥漿)其檢測效果應更佳。

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

［2］ 浙江省地礦勘察院．杭州地鐵1號線錢塘江過江隧道、江南風井段有害氣體勘察技術與方法［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號東延伸段8B標盾構穿越沼氣地層施工案例［R］．杭州:浙江省地礦勘察院，2008．