地鐵勘察中對地下不明氣體的勘察與分析

李成軍

(哈爾濱市勘察測繪研究院，黑龍江 哈爾濱 150010)

1 工程概況

在哈爾濱市軌道交通2號線一期工程項目文化宮站-衡山路站之間的3個工點的部分地段詳勘過程中，發現了淺層不明氣體。共計有7個詳勘鉆孔發現地下不明氣體，該氣體埋深約 23 m～28 m，賦存于砂層中，當鉆孔將砂層上覆的粉質黏土層(厚約 22 m～23 m)揭穿時，該氣體即從地下噴出，最大噴射高度可達 10 m，持續時間最長達 4 h～5 h。噴射時，初帶干砂，之后僅有氣體噴出，氣體無色，大部分無味，個別孔氣體略帶異味，不可燃。因上述兩區間及車站均采用暗挖法施工，地下不明氣體極易對施工人員和擬建工程造成巨大危害，輕則影響工程進度、增加投資，重則可能釀成重大安全事故，因此有必要對這3個工點的地下不明氣體進行專項勘察。

不明氣體的存在不僅加大了工程建設的難度而且嚴重阻滯了地鐵工程的進展。因車站屬開挖施工，當上部土層卸荷后，不明氣體通過壓差向基坑內釋放，坑底土擾動后則大大降低被動區土體的剪切強度。而在隧道施工過程中，泄漏至隧道內是不明氣體唯一流動的途徑，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。考慮到后果的嚴重性并做到對地下不明氣體的提前預判，采取專項的不明氣體勘探是十分必要的。

2 工程地質和水文地質條件

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，河谷地貌發育、階地清晰，漫灘開闊，地勢總的趨勢為由東南向西北傾斜。本區域沿線地貌單元屬崗阜狀平原，地勢平緩，起伏不大。

2.2 工程地質條件

本場區地層呈現典型的二元結構，其中地表至地下約 23 m～24 m，為可塑～硬塑的粉質黏土，其下為厚約 40 m的中粗砂層。文省區間地層簡圖如圖1所示。

圖1 文省區間地層簡圖

2.3 水文地質條件

孔隙承壓水主要賦存于第四系中更新統下荒山組沖積層中的中砂、粗砂層中，相對隔水頂板為粉質黏土層，底板為粉質黏土層，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。孔隙承壓水主要接受側向徑流補給，以側向徑流排泄為主。

3 不明氣體勘察測試方法及測試結果

3.1 不明氣體勘察方案

根據不明氣體的埋藏深度、詳勘時揭露氣體鉆孔的分布范圍、區間的工程地質縱斷面圖，從工程安全角度出發，以區間開挖過程中將揭露砂層的區域，作為勘察范圍，發現氣體孔位及時采取氣樣裝袋。

(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，與原鉆孔錯開。為避免鉆孔回填不嚴，造成地表水沿鉆孔下滲對主體結構不利，及鉆孔揭穿隔水層后導致承壓地下水上升，對施工不利等原因，將區間不明氣體勘探孔布置在地鐵結構線外側 3 m～5 m，交叉布置，平均孔間距 25 m。若探測到的不明氣體壓力大于 50 kPa，則加密勘察孔，勘探范圍擴展直至氣體壓力小于 50 kPa為止。

(2)布孔深度

根據對含氣層的初步分析，及既有的不明氣體勘察的經驗，本次專項勘察勘探孔需揭穿粉質黏土層，進入中砂、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

根據上述布孔原則以及現場實際勘探情況，共布置氣體測試孔12個。

3.2 不明氣體測量

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

圖2 氣壓測試示意圖

由于噴出的氣體要克服土體間阻力，造成氣壓損失，因此直接測定法測出的壓力值往往小于真實氣壓值。由于含氣層位于6層砂層中，富含承壓水，當測試氣壓最終維持平衡時，此時探桿內留有一定高度的水頭壓力P2(如圖3所示)，而地下氣體的真實壓力P1應該等于上部沉淀池腔內氣體壓力P3加上P2。由于每個孔的P2值各不相同且無法測定，因此只能估算修正。根據收集的資料以及以往工程的經驗，實際噴出的氣壓愈大，沿程的氣壓損失愈大。因此，對氣壓=0.05 MPa的實測值加以 0.05 MPa的修正，對氣壓=0.15 MPa的實測值加以0.1 MPa的修正，對氣壓=0.25 MPa的實測值加以 0.15 MPa的修正，中間值采用內插法計算；對氣壓>0.25 MPa的實測值均加以 0.15 MPa的修正，不再內插。

圖3 氣壓實際值示意圖

在本工點的勘察過程中，當發現氣體后，分別對各個勘探孔的峰值壓力值進行了記錄，探孔的氣體壓力實測峰值以及修正值如表1所示。

各勘探孔氣壓實測峰值及修正值 表1

(2)等效換算法

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。根據國內非飽和土的研究表明，對于一般的非飽和土層，其S一般只有幾十至 100 kPa，按最不利條件計算，取S=100 kPa。

根據詳勘時的承壓水觀測結果，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。

綜合分析壓力測試結果可以得出：

文化宮站～省政府站區間檢測到的不明氣體，中心氣壓位于QT2號孔(隧道左線里程SK21+395處)，實測中心峰值壓力為 0.065 MPa，理論峰值壓力 0.122 5 MPa。其余孔實測氣壓均小于 0.05 MPa。

(3)氣體流量的計算

式中：PN，TN，ρN—空氣在標準狀態下的絕對壓力，絕對溫度和密度；

PS，TS，ρSN—被測氣體在測量時的絕對壓力、絕對溫度和密度；

QN—流量計讀數；

ZSN—被測氣體在標準狀態下的壓縮系數；

ZS—被測氣體在PS，TS時的壓縮系數。

以QT2號勘探孔為例，按氮氣成分考慮，測試 20 min內實測流量計平均流量為 40.0 L/min，流量計入口處實測溫度為15℃，絕對壓力Ps=0.1225 MPa，則實際流量：

=36.95 L/min

3.3 不明氣體特征

本次不明氣體勘察外業結束后，發現存在不明氣體勘探孔，其中勘探孔(QT2)有氣體和砂粒噴出現象，其余勘探孔發現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行氣體組分分析試驗。氣體采樣采用氣體采樣袋和封裝，采樣選擇在查氣過程中噴發較大的鉆孔進行，氣樣采集在噴出純凈氣體時快速進行。最終在QT2號孔中取得氣樣4袋并封裝，每袋容積2L。

對于所采集的氣樣品，委托中國科學院地質與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心進行了氣體組分測定分析試驗，對不明氣體組分進行了分析，氣體組分如表3所示。

本工程不明氣體組分檢測表 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，地下水位的反復升降使得氣體成分有所變化。根據收集的區域水文資料，哈爾濱市自20世紀60年代末期開始開采地下水，地下水位逐年下降；至80年代，因工業發展需要，地下水開采達到高峰，開采量迅速增加，開采范圍不斷擴大，開采強度增強，地下水位不斷下降，淺部承壓水曾一度變成無壓的潛水。由于過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，通過調整企業經濟結構，采取行政、法制、科技、工程、經濟等多項管理措施嚴格限制地下水資源開采，同時在全市范圍內布置地下水位監測點實施動態水位監測。根據監測點統計數據分析，地下水位逐年回升，平均每年回升幅度約 0.5 m。可以說哈爾濱市地下水位經歷了長期下降和不斷回升的一個過程。當地下承壓水位長期下降時，使地層產生“負壓”抽吸，使得地下氣體中混有一定量的空氣；當地下水位上升時，一部分氣體向上排出，另一部分氣體在地層孔隙中被壓縮，存儲在適宜的地層結構中形成一定壓力的氣囊。根據氣體成分檢測報告，氮氣含量占氣體總體積的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，最終形成氮氣含量較高的氣體。

其形成式可以表示如下：

5 結 語

通過本次專項勘察對工點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，構成本次專勘不明氣體主要生氣源，灰黑色粉質黏土層為含有機質和提供厭氧微生物存在的場所，為次要微弱生氣層，但因致密為良好的隔氣層。中砂層為主要儲氣層。

根據此次勘察外業資料分析，不明氣體會嚴重影響隧道施工以及結構建成后的投入使用。因此，建議做好以下幾點：

(1)提前有控放氣

建議施工單位重點對不明氣體壓力較大的區段進行有控放氣。

(2)對于不明氣體恰好位于隧道結構范圍內，隧道開挖時揭露含氣層頂板，施工時易產生冒氣涌沙現象，對穩定性不利。建議施工前可進行有控排放，必要時可采取加大隧道結構的整體剛度、隧道結構外側預留長期的氣體排放管道(管道底部插入儲氣層中)、隧道底注漿加固等措施。同時加強不明氣體監測力度，密切做好預警工作，加強洞內通風。

(3)采用高抗滲性材料

對于分布有氣體的區段，不明氣體滲入結構的可能性較大。建議分布不明氣體范圍內的結構混凝土(襯砌或管片)采用高抗滲等級標準。

(4)加強監測、改善通風條件

設立專職不明氣體監測人員，安裝自動報警儀并配備便攜式氣體檢測報警儀。動態測定隧道施工過程中的不明氣體濃度。此外，隧道內應采用高功率的通風設備，保持隧道內空氣流暢。

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