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、乘坐舒適方便的優點，常被稱為“綠色交通”。近年來，中國城市地鐵得到了較快發展，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，也產生了不少環境地質問題，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—西興路站區間勘察時孔內噴出高達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—范湖站區間盾構施工時，洞口出現不明氣體燃燒，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施工時，3名作業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，工程經驗不多。本文主要結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。為在同類地區進行地鐵或其它地下工程建設提供一定的參考經驗。

1 有害氣體特征

本文討論的有害氣體為分布于平原區覆蓋層，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”，在相對密閉的環境下，由厭氧菌對有機物分解經還原作用形成，與礦山煤層產生的瓦斯、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間，大多進行了有害氣體專項勘察或現場監測，其中杭州地鐵1號線濱康路站—西興路站區間[1]、武漢地鐵2號線漢口火車站一范湖站區間[2]及武漢地鐵3號線興業路站—后湖大道站(不含)—市民中心站區間[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，為河、湖相或海相沉積平原。杭州地鐵1號線濱康路站—西興路站區間與武漢地鐵2號線漢口火車站一范湖站區間[4]有害氣體分布區的地貌、地層、巖性及埋深等特征見表2，分布的地層結構見圖1、圖2。

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

圖1 杭州地鐵1號線濱西區間地層結構示意圖Fig.1 Structure of stratum on Binxi section of Hangzhou metro line 1

圖2 武漢地鐵2號線漢范區間地層結構示意圖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沖積、沖湖積及濱海、淺海及溺谷相沉積層，少量上更新統湖沼相沉積層;地層結構上，具二元結構特征，上細下粗;上部為粘性土，下部為砂土或粘性土夾砂土，中部為含有有機質的淤泥質土。由于有害氣體是在地下相對封閉條件下形成，在地層結構中分為封閉層、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;淤泥質土含有機質，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”結構，厚度變化大，均一性差;另外，淤泥質土中的有機質含量一般為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。

根據杭州與武漢兩地地鐵有害氣體專項勘察與現場檢測結果表明，有害氣體主要分布于粘性土與砂土的交互層，如粉質粘土、粉土或粉砂互層、砂質粘土夾粉砂、淤泥質粉質粘土夾粉砂，部分分布于粉細砂層，淤泥質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，部分孔內無氣體。

1.3 穩定性與逸出規律

在淤泥質土層中產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粒孔隙中。由于氣體以液相與氣相儲存在相對封閉的囊狀空間內，天然狀態下，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，穩定性較好，對周邊的環境不會造成影響;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定氣體，對周邊環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。根據杭州、武漢地鐵對有害氣體的長期觀測與監測情況，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

根據武漢地鐵2號線漢口火車站—范湖站區間對有害氣體現場檢測及武漢地鐵3號線興業路站—后湖大道站(不含)—市民中心站區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，其還會從高壓區向低壓區運移。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生不均勻變形，可能引起地面變形、隧道壁失穩，還可能因地基的不均勻變形，影響盾構運行姿態。盾構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生流動，易在逸出口產生較大坡降，產生管涌或流土[6]，引起坑壁失穩或坡壞。

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甲烷濃度不斷升高，如因人為或機械原因產生火源時，極易引發燃燒或爆炸，產生火災事故。

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，表現為中樞神經系統癥狀和窒息癥狀;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合，阻止紅蛋白與氧氣的結合，引起組織缺氧;CO中毒起病急、潛伏期短、死亡率極高。地鐵隧道內若排風不暢，有害氣體對在該空間的施工人員身體健康產生危害，若濃度過高還可能出現中毒身亡事故。

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，防止其續繼逸出，污染地下空間環境。由于有害氣體分布不均勻、不連續，具隨機性，無法完全杜絕其對工程的不利影響，還需建立監測系統，加強變形監測與氣體濃度檢測，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。盾構施工時，應對地面、隧道壁進行變形監測，對排氣孔進行壓力測試，對隧道內有害氣體進行檢測，如在螺旋機出口、盾尾上部及第1節車架前端設置有害氣體自動監測報警裝置，并在隧道施工面、成形隧道內及第二和第三車架間再各配置1臺手持有害氣體監測儀器，加強有害氣體監測。

若地面或洞壁變形過大，應根據監測情況，及時采取隧道內二次注漿、地表插管注漿等有針對性的地層加固措施，并根據監測數據反饋，適當調整注漿參數。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，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境。

在對車站基坑或盾構端頭進行降水施工時，應布置一定數量的抽排井，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掘進。氣體抽排時開始時應緩慢勻速進行，防止產生流土或管涌。

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控系統，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，對在該類地區進行地下工程建設提供了有益的參考經驗。淺層有害氣體問題是近期才突顯的環境地質問題，如穿越含有害氣體地層的盾構機密閉性、盾構施工中爆炸防護措施等許多方面有待深入實踐，總結分析，為城市地下空間的合理利用提供更可靠的技術支撐。

[1] 陳周斌.杭州地鐵1號線過江隧道特殊地質施工方法[J].都市快軌交通，2011(6):86－88.

[2] 徐貴來，樊永生，劉紅衛.武漢地鐵二號線漢口火車站一范湖站區間地下有害氣體特征分析[J].資源環境與工程，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:中南財經政法大學信息與安全工程學院，2010.

[4] 高健，潘坤，顧少娟，等.武漢市軌道交通三號線工程勘察第六標段后湖大道站——市民中心站區間巖土工程勘察報告[R].武漢:長江巖土工程總公司(武漢)，2010.

[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.

[6] 羅小杰，馬貴生.長江中下游堤防工程地質研究[M].武漢:中國地質大學出版社，2010.

[7] 趙培，趙云勝，葉彬.城市中有毒有害氣體對公共安全的影響研究[J].安全與環境工程，2011(3):98 －101.