武汉地区城市地下工程施工有害气体勘察技术与方法

余泰敏，刘红卫，喻理传

(武汉地质工程勘察院，湖北武汉 430051)

0 引言

近年来城市地下工程(主要指盾构隧道工程、沉井、沉箱、深基坑工程等)根据多样化的需求，目前正朝着大规模、大深度的方向发展。土中可能存在的可燃性气体(主要是甲烷气体)、缺氧空气、毒气(硫化氢、二氧化碳)等土中有害气体对这些地下工程的施工和作业人员的生命直接构成威胁。

武汉地区以前限于经济的发展条件，对地下有害气体没有专门的有害气体勘察。2008年6月武汉地铁2号线开工，在汉口火车站站—范湖站地铁盾构施工区间始发井破除洞门时，发现有不明气体泄漏，在进行电焊作业时不明气体发生燃烧，随后造成地铁盾构施工停工达3月之久;期间武汉地铁公司委托本院进行了地下有害气体专项勘察，并根据勘察结果指导有害气体抽排，最终保障了盾构施工的顺利进行。

1 有害气体

1．1 有害气体形成条件及成分、性质［1］

有害气体是指第四系沉积物中有机质在还原环境下经厌氧微生物作用所形成的富甲烷气体，亦称浅层生物气，约占全世界天然气资源量的20%。地铁等地下工程施工所遇到的地下有害气体形成必须具备三个必要条件:一是丰富的有机物，二是相对密封的地质环境，三是地层具有一定的储藏空间。

武汉地区全新世以来地壳缓慢下降，长江经历了初、早、中期古河谷充填，晚期阶地形成、萎缩和湖沼发育等过程。在这一过程中，大量的生物、有机质经过近万年的地质历史过程，沉淀堆积，随后被泥砂覆盖起来并与空气隔绝，在厌氧菌的作用下分解发酵，伴随着一定的温度和压力，使这些生物的残骸变成泥炭，同时产生气态产物储藏于地下。

根据对汉口地铁有害气体勘察钻孔、静力触探孔及盾构机洞门、降水井等处的监测结果，地下有害气体成分主要为甲烷，一般占总体积的55% ～70%，是可供燃烧的主要气体;其次是二氧化碳气体，占总体积的30% ～40%，是不可燃气体;其他几种气体含量一般不超过总体积的2%。

1．2 有害气体生成后的溶存与气相扩散

有害气体生成后，以溶存于地下水中的溶存气体及存在于土颗粒空隙中的游离气体两种形式存在于土层中。

图1 有害气体生成与扩散示意图Fig.1 Schematic diagram of formation and diffusion of harmful gas

气体溶解于地下水的量，随气体所承受的压力的增大而增大，随温度的上升而减小，其扩散与地层的渗水特性有关。

当生成的过饱和游离气体不可能向大气中扩散时，便不时向周围地层孔隙中运移、积聚，最终在地层的孔隙中不断积聚成扁豆体状和透镜体状大小不等的气囊，被压缩后存于砂、砂砾层上方的渗水、透气性能差的粘性土层的凹部(见图1)。

土中气体:土中溶存气体与游离气体之和。

溶存气体:气体在有机质土中产生后，溶存于上面存在不透气粘性土层的砂层的地下水中(液相)，这种液相气体称为溶存气体。

游离气体:当气体量超过溶于地下水的饱和浓度时，多出的气体存在于土颗粒的空隙中(气相)，这种土隙间气体称为游离气体。

逸出气体:当压力降低、温度升高，或受外力扰动时，气体的溶存饱和度下降，故会有部分溶存气体从地下水中分离出来，存于土颗粒空隙中，这部分分离开来的气体称为逸出气体，成为游离气体的增加部分。

释放气体:游离气体和逸出气体在一定的条件下释放到大气中，则称为释放气体。

1．3 气源层及储气层

气源层必须具备的条件是含有较多的有机质含量，且上层土层(或自身土层)必须具有封闭功能;储气层必须是孔隙比较大，渗透性较强的土层，且上部有盖层，气体不易释放。

根据勘探资料显示，武汉地铁2号线汉口火车站站—范湖站区间地层结构见表1。

根据现场试验、监测等结果综合分析认为:

(3-3)层淤泥质粉质粘土中含有有机质，具备产生有害气体的物质条件，但其孔隙比小，结构封闭，渗透性差，储气量小，故仅为气源层;其上的粘性土层具备封闭功能，阻止游离气体逸出进入大气中。

(3-4)层含砂粉质粘土以及(3-5)层砂土互层，其中即有含有机质的淤泥质土，亦有孔隙大、渗透性较强的砂土，两者交互沉积，单层厚约在0．20～1．00 m之间;该组合结构淤泥质土产生有害气体，砂土储存气体，故(3-4)、(3-5)层既为气源层，亦为主要储气层。当受地铁施工时外力扰动，气体的溶存饱和度下降，会有部分溶存气体从地下水中分离出来，与土隙间游离气体共同成为逸出气体，对地铁施工形成威胁。

(3-5)层以下的(4)层组砂土层结构较均匀，砂质较纯，孔隙大，渗透性较强，其中产生的有害气体易扩散，向上运移后存于砂、砂砾石层上方的渗水、透气性能差的粘性土层的凹部;故(4)层组砂性土层除顶部存在薄层的游离气体积聚区外总体储存气体量较小，不具备形成储气层的条件。

2 土中气体浓度的勘察方法

2．1 已有的勘察方法简述［2］

目前国内的地下有害气体勘察方法主要是参考矿山、石油、天然气等采矿工程及国外类似城市地下工程经验，矿山、石油、天然气的勘察与城市地下工程有害气体勘察存在诸多的不同:

(1)采矿工程多以开发利用为目的，主要面临的是深层气体，其深度多在100 m以上，而城市地下工程主要是有害气体体，一般含量较小，且以危害防治为目的。70—80年代矿产部门曾经对长江、珠江沿岸及滨海地区进行过全国性浅层生物气体普查，初步查明了其分布及储量等，但因开采成本较大，故目前开发利用较少。

(2)采矿工程针对的气田气体浓度、压力及流量均较大，对测量值的误差要求相对而言不高，气体浓度、压力及流量较小的气田一般认为不具开采价值或对采矿施工影响小;而城市地下工程作为公共工程对其要求则高得多，少量有害气体的逸出便可影响工程的进度及引起公众的恐慌，故对测量值的误差要求更高。

表1 武汉地铁2号线汉口火车站站—范湖站区间地层结构表Table 1 Structure table of strata of Hankou railway station-Fanhu station section

因此城市地下工程从灾害防治的目的出发，有害气体体对工程施工的危害将无法避免，对地下有害气体的勘察与量测的要求更高，需采取更加可靠及精度更高的勘察方法量测气体的浓度、压力与流量等，以做到防范于未然。

目前土中气体的勘察方法主要有5种:①孔口测量孔内气体浓度;②孔内水取样法;③气液分离法;④泥水探层法;⑤BAT系统法。

以上5种方法均来源于采矿工程的相关实践经验，国外采用精度较高的BAT系统法测定，但该仪器结构复杂，操作困难，而且国内没有厂家生产该设备。

2．2 配合工民建工程勘察的土中气体浓度监测方法

针对城市地下工程的特点，综合以上5种土中气体的勘察方法，同时最大限度的利用现有工民建勘察设备、工序，我们采用岩芯钻探和静力触探(见图2、图3)，辅以地面调查、天然气管道泄漏检测、土体污染调查、沿线检测点检测等手段进行城市地下有害气体勘察。

图2 钻孔结构示意图Fig.2 Schematic diagram of hole structure

有害气体勘察布置的钻探孔和静力触探孔施工完成后均保留，并下入PVC或镀锌管作井管，以作为检测或导气孔使用，其中钻探孔还要作为有害气体长期监测孔使用。

静力触探孔直径32 mm，中部空心通气，下部为花管，外包滤网，探头为椎型活动探头;探杆上拔时探头摔入松软地层中，有害气体可从探杆下部和周围进入探杆喷出，即可测量其浓度及压力。

2．3 汉口地铁土中气体浓度监测

在孔口监测有害气体浓度采用甲烷检测报警仪及复合气体检测仪，压力采用数字式微压仪测定。

根据汉口地铁沿线有害气体检测结果(见图4)，(3-4)、(3-5)层砂土互层为主要储气层，有害气体呈交互状的扁豆体以及透镜体出现，且各孔位周边地层的气压、储量以及相连通的气层范围差异较大，沿地铁结构线的纵向分布是不均匀的。其主要原因是气相在土体中的赋存状态不同所致，沿线勘察孔中气体浓度在自然条件下大多数呈逐渐降低的趋势，证明沿线储气层总体联通性较差，在土、水压力自然平衡状态下能维持相对平衡。

图3 静力触探孔结构示意图Fig.3 Schematic diagram of structure of static sounding hole

图4 静力触探孔甲烷浓度测试曲线Fig.4 Testing curve of methane concentration of static sounding hole

3 土中有害气体压力的勘察方法

3．1 土中气体压力性质分析与勘察方法［3］

目前国内对于地下有害气体压力测定还没有现成的方法，杭州地铁施工中浙江省地矿勘察院结合国内外经验研制了一套测定气体压力、流量的方法:

3．1．1 直接测定法

用静压设备把探杆(探杆中部通气)压入土层预定深度后，接三通设备，然后可直接在孔口从压力表读取压力值。

3．1．2 直观估算法

根据各勘探孔孔口因气压喷水的高度进行估算。

3．1．3 等效换算法

根据土层中气、水平衡的原理，通过计算承压水的压力值换算成气体压力值。

上海、杭州地铁施工中遇到的地下有害气体多在地表以高压力喷出，最大气体压力可达0．39 MPa，这点与武汉遇到的情况有明显的不同，故勘察方法亦应与上海、杭州地区有区别。

武汉地区地下储气层多属于低压气场，气层压力偏低，气体在监测孔中均以低压力逸出，勘察时基本未见高压力的喷出现象，估算最大气体压力在0．10～0．25 MPa之间。用孔口直接测定法(孔口采用数字式微压仪测量值仅100～600 Pa)及直观估算法均不能反映地下有害气体的真实压力。

3．2 等效换算法估算土中气体压力

等效换算法即根据土层中气、水平衡的原理，通过计算承压水的压力值换算成气体压力值(如图5)，该法适宜于低压气场的压力估算。

图中Ua为孔隙气压力，Uw为孔隙水压力，S为基质吸力，即因毛细作用存在于气水分界面收缩膜上的表面张力。国内外非饱和土的研究表明，对于类似长江沿岸以粉、细砂为主的非饱和土层，其S只有几十至100 kPa，按最不利条件计算，取S=100 kPa;则孔隙气压力 Ua=Uw+S=0．01h+0．1 MPa，式中 h 为承压水头，单位为m。

图5 浅层生物气压力等效换算示意ig.5 Schematic diagram of equivalent conversion of shallow biogas pressure

3．3 气体沿钻孔逸出与压力的关系

汉口地铁有害气体勘察时监测的气压值均为地表孔口所测，且实测值远低于大气压力及根据气体埋藏深度计算出的孔隙气压力Ua，故不能代表地下实际的气体压力值P1，需采用间接的方法反映地下气体压力。

监测孔钻入地下含气层后，其原有的平衡状态被破坏，周边土层中游离气体以垂直、水平两种方向通过钻孔进入大气。根据土层中气、水平衡的原理，土层中游离气体若沿水平向通道逸出地表必须克服孔隙水压力Uw及气水分界面收缩膜上的表面张力S(S=0．1 MPa)，故气体压力值P1≥Ua=Uw+S时孔内游离气体可大量、迅速地逸出地表;而P1＜Ua=Uw+S时，游离气体无法沿水平向通道逸出，虽亦可沿垂直向通道以自身浮力挥发，但因钻孔中垂直通道面积小，且土颗粒亦对游离气体有一定的阻力，故其挥发过程极为缓慢，一般仅在监测孔放置一段时间后，方有气体挥发至地表(见图6)。

图6 监测孔周边气体逸出示意图Fig.6 Schematic diagram of amibent gas escape of monitor holes

3．4 土中气体压力区段的划分

以间接反映地下气体压力的方法，结合实际检测结果，可将汉口火车站—范湖站地铁施工区间场地划分为两个有害气体压力区段，即大于孔隙气压力区段(Ⅰ区)和小于孔隙气压力区段(Ⅱ区)，两者对地铁施工的影响程度有一定区别(见图7)。

Ⅰ区:气体压力大于孔隙气压力区段(P1≥Ua=Uw+S)。根据实际检测结果，在钻探孔钻进及静力触探孔探杆上拔的施工过程中，部分孔在一定深度范围内有气体逸出，故气体实际压力值略大于孔隙气压力值，孔口气压及迅速消散的超孔隙水压力、钻孔护壁阻力可忽略不计，则 P1=Ua=Uw+S=0．01 h+0．1 MPa。该部分孔所属区段可划分为Ⅰ区，地铁在Ⅰ区施工时因气体压力值P1大于孔隙气压力Ua，故周边有害游离气体将大量涌入施工作业面，气体浓度短时间内迅速升高，若抽排不及时则将造成严重后果。

图7 汉口地铁气体压力分布图Fig.7 Distribution map of gas pressure

Ⅱ区:气体压力小于孔隙气压力区段(P1＜Ua=Uw+S)。部分孔地段在钻探孔钻进及静力触探孔探杆上拔的施工过程中没有气体逸出，孔口未检测出有害气体，故0．1 MPa＜P1＜Ua;但该类孔在放置1－2天后，孔内逐渐有气体产生，且浓度呈上升趋势，证明气体在成孔后逐渐挥发至孔内，并慢慢逸出地表。该部分孔所属区段可划分为Ⅱ区，地铁在Ⅱ区施工时因气体压力值P1小于孔隙气压力Ua，故周边有害游离气体将不易大量涌入施工作业面，气体浓度短时间内不会升高，若抽排及时将不会造成严重后果。

4 结语

目前利用岩芯钻探和静力触探的方法进行地下有害气体勘察，尚存在一定的不足:

(1)静力触探采用压入探杆的方法施工，可能会在土层中形成一定的超孔隙水压力;游离气体沿水平向通道逸出地表除必须克服孔隙水压力Uw及气水分界面收缩膜上的表面张力S外，尚需克服未消散的超孔隙水压力;但考虑到游离气体主要储存在非触变性的砂性土中，超孔隙水压力消散快，故基本可忽略不计。

(2)钻孔采用普通的岩芯钻探，钻进砂层时为防止垮孔、缩径需用泥浆护壁;游离气体沿水平向通道逸出地表除必须克服孔隙水压力Uw及气水分界面收缩膜上的表面张力S外，尚需克服钻孔护壁泥浆阻力。本次在(3-4)、(3-5)层砂土互层储气层钻进时将泥浆浓度降低，钻进结束后洗孔、下入PVC管再抽水以力求将护壁泥浆阻力影响降至最低;但实际监测过程中，仍发现同一地段钻孔与静力触探孔相距虽仅几米，静力触探孔口有大量气体逸出而钻孔中检测出的气体很少。

经过分析，认为静力触探孔较钻孔检测有害气体效果要好，但钻孔若采用对土体基本无扰动的双管钻进(无需泥浆)其检测效果应更佳。

［1］ 林春明，卓弘春，等．杭州湾地区有害气体资源量计算及其地质意义［J］．石油与天然气地质，2005，26(6)．

［2］ 浙江省地矿勘察院．杭州地铁1号线钱塘江过江隧道、江南风井段有害气体勘察技术与方法［R］．杭州:浙江省地矿勘探院，2008．

［3］ 浙江省地矿勘察院．上海地铁2号东延伸段8B标盾构穿越沼气地层施工案例［R］．杭州:浙江省地矿勘察院，2008．