昆明地鐵5號線有害氣體勘察與治理措施研究*

楊 超，蔣飛軍，張良平，鞏書華，許 培

（1.湖南省煤炭地質勘查院，湖南 長沙 410014；2.湖南省地質新能源勘探開發(fā)工程技術研究中心，湖南 長沙 410014；3.河南理工大學資源與環(huán)境學院，河南 焦作 454003）

近年來，在淺地層的地下空間的開發(fā)中，就出現(xiàn)過由淺層有害氣體引起施工事故帶來重大經(jīng)濟損失［1-3］的案列，例如廣州市地鐵6 號線在掘進過程中，沼氣意外涌出引起爆燃事故造成2 人死亡；昆明市地鐵2 號線施工中遇到富甲烷等有害氣體，造成1 人死亡，2 人受傷。昆明軌道交通工程在巖土工程詳勘施工鉆探工程中，在怡心橋站—廣福路站段（簡稱怡廣段）的鉆孔內發(fā)現(xiàn)有害氣體噴出的現(xiàn)象，噴氣深度約在地面以下28 m處，噴氣持續(xù)時間約20 h。該有害氣體可能會對地鐵施工和運營產(chǎn)生巨大的影響和危害，因此查明有害氣體的賦存和狀態(tài)參數(shù)就變得尤為重要。

1 有害氣體的形成

1.1 地質環(huán)境

昆明地鐵5 號線的工作區(qū)位于昆明盆地內，滇池Ⅱ級階地，屬河流三角洲及湖湘沉積［4］。地形較平坦，起伏不大，總體上西北和東南較高，東北、中部盆地及西南較低。勘察深度范圍內自上而下可分為第四系素填土(Q4ml)及第四系全新統(tǒng)沖河湖積層(Q4al+l)二個地層單元。其成巖程度極低、膠結疏松、粒間孔隙發(fā)育、孔滲性差異大，形成了良好的生儲蓋組合見圖1。

圖1 怡—廣區(qū)間地質綜合柱狀圖

1.2 有害氣體的形成條件及成分

淺層有害氣體的形成需要三個必要條件：豐富的有機物、相對密閉的地質環(huán)境以及地層具有一定的儲藏空間［5］。松散沉積物中的有機質在厭氧菌的生物化學作用下分解發(fā)酵，伴隨著一定的溫度和壓力等合適條件，生成了氣態(tài)產(chǎn)物，當生成的有害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，儲集在周邊土層中，或自身孔隙中，形成了淺層氣藏，見式（1）。

這些淺層有害氣體主要為甲烷型，甲烷含量較多，并含少量氮氣、一氧化碳、硫化氫、二氧化碳等其他成分。一般來說，泥炭質生氣層越厚，頂板密實黏土覆蓋層越厚，氣量越多，氣壓越大。比較有代表性的區(qū)域含氣地層有江漢平原湖相沉積土層、長江下游沖積土層以及云貴川地區(qū)湖相沉積土層。

2 勘查施工布置

本次有害氣體勘察采用“鉆孔—監(jiān)測—靜力探觸車壓置監(jiān)測專用管—連續(xù)監(jiān)測”法進行有害氣體濃度測試、含氣層頂?shù)装迓裆顪y定、氣體壓力及流量大小測定等。LYLC大型履帶式靜力觸探設備最大壓力可達28 MPa，見圖2。最大探測深度可達150 m，探管內直徑為26 mm［6］。鉆孔采集樣品在實驗室內精確測定有害氣體成分與含量。

圖2 LYLC 大型履帶式靜力觸探車

2.1 勘探點布置及孔深的確定

怡—廣福路站隧道區(qū)間結構底板深度20～30 m。對車站工程，勘探孔進入結構底板以下15～25 m；對區(qū)間工程，勘探孔進入結構底板以下2～3 倍隧道洞徑［7-8］，本次有害氣體專項勘察勘探孔深度設計為40 m。

勘探點間距：以Jz-Ⅲ16- 怡廣15 號孔為中點，分別向大里程和小里程方向延伸40 m，在左線、右線及左右線中間布置孔壓靜力觸探孔，并按照10 m的間距平行線位布置。

2.2 勘探孔施工及監(jiān)測

利用其對地層擾動小的特性，能較精確獲取氣體壓力、濃度等參數(shù)，靜力觸探孔直徑32 mm，中部空心通氣，下部為花管，外包不銹鋼絲濾網(wǎng)。在預先設置的孔位加壓靜力觸探探頭，每壓入2 m綜合檢測一次甲烷、一氧化碳、硫化氫氣壓等參數(shù)，直到壓入40 m。提取鉆桿時，每2 m檢測一次各種有害氣體濃度數(shù)據(jù)及壓力數(shù)據(jù)。此時全孔再壓入監(jiān)測用32 mm鍍鋅花管，將32 mm管裝配閥門及壓力表，形成監(jiān)測系統(tǒng)，以便每日24 小時監(jiān)測。

3 勘查結果與分析

3.1 有害氣體的運移規(guī)律

通過現(xiàn)場勘查對各個孔的有害氣體賦存及噴發(fā)情況進行統(tǒng)計，以前10 個孔為代表分析為例，見表1。

表1 怡—廣勘察區(qū)部分有害氣體埋深及噴發(fā)情況

Y2 先于Y4 孔施工，Y2 孔噴出過程中，始終以噴出純氣為主，未攜帶水、泥沙，故其方程擬合較好，離散點數(shù)據(jù)少，見圖3。Y4 孔在施工中，攜帶出水及泥沙，泥沙運移過程中堵塞孔隙，故其曲線呈波狀起伏，見圖4。

圖3 Y2 孔有害氣體現(xiàn)場監(jiān)測流量隨時間變化

圖4 Y4 孔有害氣體現(xiàn)場監(jiān)測流量隨時間變化

在實際勘查過程中，氣體涌出宏觀特征上一般氣、水同產(chǎn)，而噴出干氣較少，這說明水、氣并非均勻遍布于整個儲集層。剖面上，一個有害氣體聚集區(qū)從上至下可以分為三個帶見圖5，分別為富集帶（干氣區(qū)）、水氣過渡帶以及承壓飽和水帶。其中富集帶（干氣區(qū)）為一個含水少、氣相連通并且壓力較高的區(qū)域，此處土層孔隙大部分為壓力氣體所充填，氣相相互連通。由于蓋層厚度薄、突破壓力低，氣體不能大規(guī)模聚集，干氣區(qū)的厚度通常極薄或者缺失；水氣過渡帶內孔隙氣相和水相均相互連通，且水、氣滲透性均較好，氣體在涌出過程中攜帶大量泥沙及泥漿；承壓飽水帶中孔隙氣相不再連通，賦存形態(tài)由孤立的小氣泡逐步過渡到以完全溶解的形式存在于孔隙地下水中，其滲透運移方式逐步過渡為擴散方式。

圖5 昆明盆地有害氣體聚集區(qū)原始賦存分帶特征

在怡—廣區(qū)Y1～Y9 的施工過程，初期噴出孔Y2 以噴出純干氣為主，由于干氣區(qū)內連通性好，在排氣監(jiān)測過程中，該區(qū)內氣體被排放完畢。后期Y4、Y6、Y7、Y8 均在勘察過程攜帶泥沙、泥漿涌出，說明其處于水氣過渡帶中。Y2 與Y4 之間的Y3孔受Y2 孔排氣影響，施工中未發(fā)現(xiàn)有害氣體聚集，表明此處含氣層連通性較好，同時表明地下水在氣囊周圍起水封閉作用。

3.2 有害氣體的賦存規(guī)律

根據(jù)對勘測點的有害氣體勘查、監(jiān)測資料統(tǒng)計分析，掌握各個觀測點之間的含氣層的連通性。通過勘查發(fā)現(xiàn)勘察區(qū)存在3 個獨立的透鏡狀氣囊Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，均位于結構線下方，見表2、圖6。其中透鏡狀氣囊Ⅰ測得峰值氣壓0.4 MPa，且距結構線最近距離僅1.1 m，勘察孔中瞬時氣體涌出量最大可達1.83 m3/min，涌出量較大，故對未來工程建設影響較大。其他兩個氣囊離地鐵結構線相對較遠，對工程施工影響相對較小。

表2 有害氣體儲存空間特征

圖6 聚集游離態(tài)有害氣體分布平面

區(qū)內粉質粘土層富含有機質，其中（4）2-3、（4）1-3、（3）2-3 三套地層有機質含量平均可達15.4%、13.9%、8.8%。測試顯示區(qū)內含氣地層土粒之間的孔隙微小，滲透性弱，滲透系數(shù)約為0.02 m/d，從而導致含氣層中的氣體不能迅速向外排放，只能通過土粒間微小的孔隙逐步滲透向外排放。但由于地層同時含粉砂質，故局部區(qū)域的含氣層內粗顆粒（＞0.075 mm）含量較高，在該類土體中土粒之間的孔隙度與滲透率均較大，從而導致砂質含氣層中的氣體能較迅速向外排放，有利于沼氣的運移、補給、聚集。本處（4）2-3、（3）2-3土層相對較厚，可達10 m，內部巖性存在差異，致使其中氣體自封閉于土層中，見圖7、圖8。本身巖性差異的自封閉作用，使其賦存特點是含氣層連通性差、貯氣空間較小，富氣性與氣壓差異均較大。

圖7 聚集游離態(tài)有害氣體與結構線關系

圖8 1-1＇ 剖面揭露有害氣體分布

4 有害氣體的治理措施

超前排氣降低有害氣體含量和濃度、使含氣土層提前固結是工程中遇見淺層有害氣體時最有效的施工措施［9］。本次盾構推進施工前建議在有害氣體范圍內布置鉆孔進行超前可控預放氣，從連通性考慮，左線宜在原專項勘察中間處按10 m間距布置，右線則宜使用5 m間距。孔深上，小型高壓氣囊儲存于（3）2-3、（4）1-3、（4）2-3 中，鉆孔宜鉆穿（4）2-3，同時為防止（4）2-3 補給（3）2-3，故孔深以40 m為宜。

此外，需在施工過程中加強監(jiān)測，改善通風條件。設計安裝專用有害氣體實時監(jiān)測報警系統(tǒng)，對地鐵隧道施工全過程進行安全監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)有害氣體濃度超標立即啟動應急通風系統(tǒng)，撤離人員，強化通風換氣以確保施工安全。盾構機上必須裝載瓦斯報警斷電儀，當瓦斯?jié)舛冗_到0.5%時必須自動報警，并切斷電源，停止工作，進行處理。

5 結論

1）勘察區(qū)間有害氣體是以瓦斯（甲烷）為主要成分的小型低、中壓淺層生物氣，伴生有CO與H2S等有毒有害氣體。有害氣體廣泛分布于土層孔隙中，以分散的游離態(tài)存在。擬建工程隧道區(qū)間盾構施工時將在含有害氣體土層中進行，未來隧道工程須按瓦斯隧道管理。

2）區(qū)內有害氣體為巖性圈閉成藏，其來源既有淺部含有機質土層的生成，亦有深部散逸運移至淺部聚集。怡-廣區(qū)段具壓力含氣層三層，其中Ⅰ、Ⅱ塊氣囊離地鐵結構線下方較近，對工程建設影響較大。

3）建議在該區(qū)施工中采用超前排氣措施，并加強監(jiān)測，改善通風條件；盾構機上必須裝載瓦斯報警斷電儀，保障施工安全。