軟土地區深基坑沼氣預防與處理施工技術研究

方 華

上海市機械施工集團有限公司 上海 200070

淺層沼氣是城市地下空間開發建設中可能遇到的地質災害之一，施工過程中淺層沼氣的釋放會對工程建設造成影響：一方面，沼氣易與承壓水形成綜合影響，導致地下工程施工存在突涌、流砂、結構開裂或結構破壞等安全風險；另一方面，沼氣易燃，與空氣接觸達到一定濃度時易造成爆炸事故，沼氣對人體有害，輕者致人惡心嘔吐，重則致人中毒或死亡，安全風險極大。

上海天然氣主干管道越江隧道工程的崇明島工作井鄰近長江邊，地下水豐富，初勘顯示工作井范圍內分布有未探明的淺層沼氣，因此在崇明島工作井深基坑施工前和施工中需要采取必要的沼氣處理措施以保證深基坑工程的安全順利實施。本文以崇明島工作井深基坑工程施工為例，從放氣降壓、隔氣施工、注漿和通風等方面敘述了軟土地區深基坑沼氣預防與處理施工技術，最終確保深基坑的安全順利實施。

1 工程概況

上海天然氣主干管道越江隧道為穿越長江的天然氣主干管道越江隧道工程，其盾構接收工作井位于崇明島，在崇明島大堤南側、上海長江大橋東側。

該工作井基坑采用明挖順作法施工，基坑外包尺寸22.6 m×15.6 m，基坑面積266.64 m2，開挖深度為28.385 m。圍護結構為深62 m、厚1 200 mm地下連續墻，采用十字鋼板接頭。基坑設置8道支撐，2道混凝土支撐＋6道鋼支撐，其中第1、6道為混凝土支撐，其余為φ800 mm鋼支撐。

2 地層和沼氣情況

根據巖土工程勘察報告，崇明島工作井基坑坑底位于⑤1-1黏土層。根據勘探施工過程中勘探孔揭示的沼氣溢出情況，結合區域淺層沼氣分布特征，初步判定本工程沿線⑤1-1層下部、⑤2層、⑤3-1層和⑤3-2層為可能的淺層沼氣儲氣層。為了詳細查明崇明島工作井沼氣分布情況，在工作井基坑施工前進行了沼氣專項補探。

補探結果顯示，崇明島工作井區域沼氣位于⑤3-1層和⑤3-2層，實測壓力介于15～50 kPa，修正壓力介于55～100 kPa。一方面，沼氣壓力會對圍護結構穩定和基坑開挖施工帶來不利影響，另一方面，崇明島工作井的沼氣儲氣層⑤3-1層距離基坑底部僅2 m，施工風險高，一旦施工過程中發生沼氣釋放，處理難度大，因此應采取相應的沼氣防治措施。

3 沼氣預防與處理技術

3.1 勘察階段沼氣探查與釋放措施

3.1.1 沼氣氣壓量測原理

沼氣氣壓量測原理如圖1所示。

圖1 量測原理

考慮到常規單獨鉆孔無法測得沼氣壓力，現場采用鉆孔和靜壓滑管式探桿相結合的手段，靜壓滑管式探桿主要由錐形導頭、密封圈、多孔濾管和滑動式護管等4部分組成。沼氣氣壓可按下式估算：

式中：P1—土層儲氣氣囊內的沼氣氣壓；

P2—儲氣罐的壓力表讀數；

P3—探桿內水頭壓力。

3.1.2 探查及釋放工藝流程

分段量測工作井底板上下儲氣層的沼氣氣壓，根據壓力大小（是否達到需排氣標準）決定是否開展沼氣釋放工作。沼氣探查釋放流程：探查釋放孔測量定位→下套管，回轉鉆進至設計孔深→敲入靜壓滑管式探桿，連接氣壓裝置→記錄氣壓表讀數，移至下一試驗段→沼氣釋放→沼氣壓力達到停止釋放標準→拔套管，封孔。

以試驗段深度20～25 m為例，操作程序如下。

1）通過三葉鉆回轉鉆進至20 m深度。

2）提鉆換靜壓滑管式探桿，連接鉆桿，自20 m深度錘擊至25 m深度。

3）上拔鉆桿，滑管式探桿底端不動，滑動式護管上移，濾管段外露，與地下水及沼氣形成連通通道。

4）沼氣通過濾管進入管內，在地表鉆桿連接處接三通設備，沼氣進入壓力罐，通過上方壓力表測得P2讀數，考慮管內水壓力的數據P3，換算沼氣壓力。

5）可通過壓力儲氣罐閘筏噴口量測沼氣濃度。

6）揭示沼氣噴出或套管內水面翻騰、冒泡現象，及時拍照并拍攝視頻。

3.2 設計階段沼氣預防措施

3.2.1 地下連續墻墻縫隔氣

地下連續墻十字鋼板接頭具有較好的隔水效果，但隔氣效果有所欠缺，為此，采用MJS工法樁單樁作為墻縫加固措施，深度至沼氣儲氣層底，以達到良好的隔氣效果（圖2）。隔氣加固深度和高度應隔斷儲氣層和⑦層承壓水，并進入⑧層土不小于2 m。MJS工法樁采用φ2 200 mm半圓加固，水泥摻量為45%，深度－57.3～－15.3 m（上部已有槽壁加固）。

圖2 墻縫止水MJS加固平面示意

3.2.2 基坑底部隔氣

崇明島工作井潛在沼氣儲氣層位于基坑底以下2～12 m，沼氣易突破坑底土層形成釋放通道，并串通微承壓水，造成突涌危害，危及作業人員安全和基坑安全。為此，在基坑底部采用MJS滿堂加固，替代裙邊、抽條加固，以達到良好的基坑底部隔氣效果（圖3）。MJS加固為φ2 200 mm@1 800 mm，水泥摻量為45%，樁長5 m，深度－29.185～－24.185 m，基坑底MJS滿堂加固在鉆孔樁施工后實施。

圖3 基坑底MJS滿堂加固平面示意

3.3 圍護結構施工階段沼氣防治措施

3.3.1 地下連續墻施工槽段內增設降水井與放氣孔

為減少沼氣對地下連續墻成槽質量的影響，在地下連續墻槽段間增設4口降水井與6口放氣孔，深度45 m，用于成槽期間放氣。降水井與放氣孔均采用PVC管，方便成槽時挖出，降水井采用φ200 mm的PVC管，放氣孔采用φ20 mm的PVC管，并采用中粗砂回填。

設置降水井和放氣孔后，成槽槽段內后續地下連續墻施工中基本無沼氣溢出。地下連續墻槽壁穩定，超聲波檢測結果良好，垂直度達到1/500。

3.3.2 采用氣舉反循環清底

地下連續墻成槽深度62 m，存在厚14 m的砂層，施工中槽底沉渣較厚，現場實測成槽后沉渣約50～100 cm，鋼筋籠下放到底后沉渣約100～200 cm。為此，現場采用大容量空壓機進行氣舉反循環清底，并減小砂層沼氣串通的可能。清底施工中出漿量有所增加，清底效果明顯，清底后沉渣僅0.3～0.5 m。

3.3.3 在墻縫處增加注漿管

墻縫是地下連續墻的主要滲漏點，為此，在十字鋼板兩側增設2根長35 m的注漿管，通長開孔，在墻趾注漿同時劈通通長開孔的注漿管，同時采用隔氣效果更好的水泥＋膨潤土漿液作為墻縫與墻趾注漿材料。

崇明島工作井基坑開挖后，墻縫僅有輕微滲漏與濕跡。在進行墻縫注漿后，所有墻縫均無滲漏，墻縫止水效果較好。

3.4 基坑開挖階段沼氣防治措施

3.4.1 基坑通風

沼氣易燃，與空氣接觸達到一定濃度時會造成爆炸事故，沼氣對人體也有害，輕者致人惡心嘔吐，重則致人中毒或死亡，安全風險極大。

崇明島工作井基坑平面尺寸不大，采用強制送風的方式將新鮮空氣送至基坑底對可能泄漏的沼氣進行強排。風機風量237～345 m3/min，基坑底部5 m深度的基坑體積1 333 m3，通風5 min內即可對基坑底部換氣一次，滿足施工安全要求。

在整個基坑開挖過程中，加強對地下連續墻墻縫、樁頭、井管周圍易漏水漏氣點的監測，預防沼氣泄漏。

3.4.2 基坑降水

為保證崇明島工作井基坑施工安全，施工中采取了輔助降水措施。由于崇明島工作井地下連續墻已隔斷承壓含水層，所以在工作井內設置2口深31 m的疏干井，2口深52 m的降壓井，坑外設置3口承壓水觀測兼備用降壓井，通過有效的降水減少沼氣與承壓水對基坑的綜合作用。

3.4.3 倒濾層施工

本工程基坑墊層下增設倒濾層，用于將潛在的沼氣引至釋放孔集中釋放，避免沼氣分散釋放造成結構底板的大面積破壞。倒濾層包括2層結構，分別為厚20 cm碎石和厚20 cm粗砂，在砂碎石倒濾層上鋪設土工織物，均采用人工攤鋪一次到底（圖4）。

圖4 倒濾層示意

倒濾層與土工織物施工完成后，預留放氣注漿管，注漿管頂部設置球閥，可根據實際情況進行放氣，底部進入粗砂層10 cm，并采用3層密布網包裹，確保泥砂無法進入。注漿管分2段安裝，墊層澆筑時，設置第1段；底板澆筑時，將注漿管接長至底板頂面10 cm。

結構底板澆筑完成，混凝土強度達到設計強度后，對倒濾層采用超細膨潤土漿液注漿，封閉倒濾層水汽通道，確保后期工作井的整體安全。考慮到氣體通道的復雜性，采用延緩凝固時間的注漿漿液，使漿液充分流淌并填充倒濾層中的孔隙或水汽通道。

1）底板與墊層施工時，根據基坑面積，平均布置6根φ20 mm的鍍鋅鋼管，鋼管頭部設置球閥，鋼管底部接觸部位采用200目以上（孔徑不大于0.075 mm）的紗布封閉，使氣體從鋼管中漏出。

2）注漿管穿越防水層時，四周采用遇水膨脹止水膠封閉，穿越底板時，管身焊接2道φ10 cm的止水片，并且在焊縫處設置遇水膨脹止水膠。

3）結構強度達到要求后在球閥上安裝1個變徑管，用于連接注漿管。

4）配制水泥漿＋膨潤土漿液，采用注漿泵將漿液注入。

5）注漿壓力不高于0.2 MPa，注漿壓力突然快速上升時關閉球閥，停止注漿。

3.5 沼氣影響下結構后續處理技術

沼氣與承壓水的綜合影響，會造成基坑圍護結構滲漏、地下水汽突涌等問題。在沼氣未被完全封堵、結構混凝土未達到設計要求、抗滲性能未滿足的情況下，會破壞結構，產生結構裂縫、滲漏甚至大面積龜裂等情況。

3.5.1 結構底板地質雷達檢測

對受損底板，可采用地質雷達進行普測。地質雷達的高頻電磁脈沖在混凝土內部傳播時，如被測混凝土內存在空洞、裂縫、蜂窩麻面、澆筑不密實等缺陷，會導致雷達剖面相位和幅度發生變化，由此可確定缺陷位置、深度和其他參數。

探測時，沿底板縱橫方向每間隔1 m設置1條測線，探測底板混凝土內部是否存在缺陷，并對疑似缺陷區域進行多次復測以確定缺陷位置、深度等參數。

3.5.2 注漿

如果結構施工后仍有大量沼氣溢出，考慮到氣體釋放通道的復雜性，可采用延緩凝固時間的注漿漿液，使漿液充分流淌并填充倒濾層中的孔隙或水汽通道，以達到封堵的目的。

注漿工藝如下。

1）找到漏氣點，鑿出深約30 cm的漏斗形缺口。

2）插入φ50 mm、長500 mm的鍍鋅鋼管，鋼管頭部采用球閥（打開狀態）連接，鋼管與漏斗形缺口接觸部位采用少量黏土或砂封閉，使氣體從鋼管中漏出。

3）采用雙快水泥快速封堵漏斗與鍍鋅鋼管邊緣。

4）完成全部漏氣點的鍍鋅鋼管預埋。

5）待雙快水泥達到一定強度后，在表面一圈設置堆載，然后在球閥上安裝變徑管用于連接注漿管。

6）配制水泥漿＋膨潤土漿液，采用注漿泵將漿液注入。

7）注漿壓力控制為0.5 MPa，注漿壓力突然快速上升時關閉球閥，停止注漿。

3.5.3 環氧樹脂堵漏修補

對于混凝土結構上較細（寬度小于0.2 mm）的裂縫，可采用毛刷或鋼絲刷等工具清掃混凝土表面塵土，清除裂縫周圍易脫落的浮皮、空鼓的抹灰等，然后用棉絲蘸乙醇沿裂縫方向兩側20～30 mm處擦洗干凈并保持干燥。

1）采用表面處理的裂縫，可用灌漿盒或灌漿嘴進行灌漿。鑿“V”形槽的裂縫宜用灌漿嘴，鉆孔內使用灌漿泵。

2）在裂縫交叉處、較寬處、端部以及裂縫貫穿處，當縫隙小于1 mm時，埋設的灌漿泵間距350～500 mm；當縫隙大于1 mm時，間距500～1 000 mm。

3）埋設時，可先在灌漿嘴（盒、泵）的底盤上抹1層厚約1 mm的環氧樹脂膠泥將灌漿的進漿口騎縫粘貼在預定位置上。

4）封縫采用環氧樹脂膠泥，先在裂縫兩側（寬20～30 mm）涂1層環氧樹脂基液，后抹1層厚1 mm左右、寬20～30 mm的環氧樹脂膠泥，抹膠泥時應防止產生小孔和氣泡，要掛平整，保證封閉可靠。

5）裂縫封閉后應進行壓氣試漏，檢查密閉效果。試漏需待封縫膠泥有一定強度時進行，試漏前沿裂縫涂1層肥皂水，從灌漿口通入壓縮空氣，凡漏氣處，應予以修補密封至不漏為止。

4 結語

淺層沼氣是城市地下空間開發建設中可能遇到的地質災害之一，施工過程中淺層沼氣的釋放會對工程建設帶來影響，安全風險極大。

本文以上海天然氣主干管道越江隧道工程的崇明島工作井深基坑工程施工為例，從放氣降壓、隔氣施工、注漿和通風等方面敘述了軟土地區深基坑沼氣預防與處理施工技術，最終確保深基坑的安全順利實施，并得出以下結論。

1）在深基坑施工前，可通過沼氣專項補探詳細查明淺層沼氣分布情況，以便采取針對性的沼氣防治措施。

2）針對地下連續墻墻縫、基坑底等沼氣易釋放通道，可采取地基加固措施隔氣。

3）在深基坑施工中，可采取增設放氣降水井、氣舉反循環清底、基坑降水、設置倒濾層、預留注漿管和通風等措施，釋放可能的沼氣、降低沼氣與承壓水的綜合影響、降低施工區域沼氣濃度。

4）在基坑施工后，可用地質雷達檢測底板是否存在缺陷及缺陷情況，并有針對性地采取注漿或環氧樹脂修補等措施。