杭州地铁1号线穿越钱塘江地层沼气释放技术探讨

徐国庆，岳丰田，王弘琦，张荣辉

(1.安徽省交通规划设计研究院，安徽合肥 230088;2.中国矿业大学，江苏徐州 221116;3.上海隧道工程股份有限公司，上海 200082)

0 引言

杭州地铁1号线为杭州轨道交通建设的首条地铁线，是连接中心城核心区与江南、临平、下沙副城中心区的骨干线。1号线在主城区段和江南段之间要穿越钱塘江，而钱塘江地层中富含大量的有害气体(主要为沼气)，这就为区间隧道穿越钱塘江带来很大的施工困难和工程风险，浅层沼气是地下空间开发可能遇到的地质灾害之一，井喷是含浅层气土体的渗透比降超过其气压临界比降条件下的非饱和渗流破坏过程，对地层的影响表现为对土体的损伤和扰动［1－2］。当盾构隧道推进作业时，由于浅层沼气释放，危及人身安全，亦可能造成下伏土层失稳，使己建好的隧道产生位移、断裂，造成无可挽回的重大经济损失［3］。杭州湾地区浅层天然气主要赋存于第四纪全新世和晚更新世地层中，气样组分分析表明，该区天然气属甲烷型生物成因气［4］。过江段的地质情况复杂，有害气体的存在，加大了施工难度。若处理不好，会产生涌水、涌砂及爆炸事故［5］。杭州湾浅层沼气多为生物成因的甲烷型天然气，具有储存分散、气层薄、气压低、水气同层的特点，沼气埋藏深度较浅，储量小，气体不连贯［6］。目前国内长江中下游地区浅层沼气释放施工的工程较少，上海黄浦江地区有过对浅层沼气的科研研究，但并未采取大范围的释放施工。在含沼气软土中，用盾构法施工隧道，必须仔细研究已有的地质勘察资料，详细了解沼气的成因、成分、分布及其气量、气压等有关数据，然后提出处理方案和沼气条件下安全施工对策［7］。代仁平等［8］提出控制沼气溢出和提前释放沼气是控制沼气爆炸的关键因素，从沼气的释放、隧道通风、火源控制和沼气监测方面提出了控制措施。鉴于地层中沼气的存在，首先要确定沼气赋存的位置及条件，勘探方法不能简单的采用深层气的勘探方法，文献［9］提出了对重点目标区预探或已知气田区扩边可以采用打密集静力触探井的方法。由于施工区域场地内赋存的沼气具有连通性差、不均匀分布的特点，且淤泥质土层中不断产生沼气补给含气层，导致沼气不能完全彻底地释放，局部可能还存在囊状气团［10］，因此，本文重点研究钱江段浅层沼气释放孔的布置、释放施工的难点及处理措施、施工过程的监测等，通过释放施工减少地层中的沼气含量，降低区间隧道施工的工程风险。

1 工程概况

滨江站—富春路站区间(现已改名为江陵路站—近江站)为杭州地铁1号线工程，穿越钱塘江全地下区间，里程范围为 K5+880.274 ～ K8+835.859，区间左线总长为2.946 km，右线总长为2.956 km。在里程K6+750和K8+351.9处设风井2座，在K7+220和K7+810处设2座联络通道，其中K7+220处联络通道兼排水泵站。盾构从里程K6+913.3～K8+255.0将穿越钱塘江，穿越长度约为1 340 m。区间隧道示意如图1所示。

图1 区间隧道示意图(单位:m)Fig.1 Sketch of running tunnel(m)

隧道掘进区域主要穿越的地层有:③5层粉砂夹砂质粉土、③7层砂质粉土、④3层淤泥质粉质黏土、⑥2层淤泥质粉质黏土、⑥3层粉细砂、⑨1a层粉质黏土、⑨1b层含砂粉质黏土、○122层细砂、○124层圆砾。其中沼气主要赋存于⑥3层粉细砂层和○122层细砂中。

2 沼气赋存特点

杭州地铁1号线滨江站—富春路站区间地层30 m范围内上部为粉土层，中间部分为淤泥质粉质黏土层，下部为粉砂层。石油天然气部门的研究表明，生气土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)必须具备封闭能力;储气层必须是空隙比较大、渗透性较强的土层。现场测试发现探杆从⑥2层淤泥质粉质黏土层进入⑥3层粉细砂层时出现强烈井喷，泥沙水喷出孔口近7～8 m，有些孔能持续喷发十几小时。探杆上拔气体喷发就逐渐减小，当气体不喷发时，深度仍在⑥2层淤泥质粉质黏土层中。可见，⑥2层淤泥质粉质黏土层即为生气层又为盖层，⑥3层粉细砂层为储气层。在测试过程中，有的地方没有气体溢出，而有的地方出现不同程度的井喷现象，这说明浅层气呈交互状的扁豆体以及透镜体的囊状结构存在于土层中，且各囊状体周边地层的气压、储量以及相连通的气层范围差异较大，分布不均匀。

因此，沿着过江隧道地铁盾构线自江南岸至主航道均存在沼气，主航道至江北岸部分区域存在沼气;过江隧道地下气体以囊状形式存在，主要赋存于圆砾层上部的○122层粉细砂层，含气层顶板埋深在地面以下21～23 m处;含气层底板埋深在地面以下24～28 m处，主要含气层沿隧道结构线长度为420 m。

3 沼气释放施工

3.1 释放孔位置确定

根据之前在江南岸进行的沼气释放试验，自江南岸至主航道计划共布置210个沼气释放孔，分5排布置，左右侧各2排孔，隧道推进中线1排孔，左右侧第1排孔距离隧道推进线5 m，孔间距10 m，第2排与第1排释放孔排距离为8.65 m左右，与第1排孔间距10 m，形成梅花型布置方式。考虑到施工时间和工期的因素，先进行中间3排释放孔(共132个)的施工，然后根据实际施工情况再确定另外2排孔的施工。释放孔示意图如图2所示。

从后来中间3排孔施工情况来看，右线气量相对较多，主要在大堤附近以及从大堤沿盾构推进线(大堤护坡下平台处为起始0 m)20～70 m和190 m至主航道范围内，中线和左线相对气量小，但在部分范围内气量还是比较大的。因此，释放孔的布置是比较合理的，沼气释放效果也比较明显。

图2 释放孔施工情况示意图Fig.2 Layout of methane releasing holes

3.2 释放孔结构及施工工艺

考虑到地下沼气的最大压力0.4 MPa，最大流量48.85 m3/h，选取抽放管的直径为89 mm钢管，深度根据沼气所在地层深度布置，下部设置2 m花管，花管外壁包上砂网。

根据之前陆上进行试验释放情况，结合江上段释放的环境特点，江中段沼气释放采用钻孔和静力触探相结合的施工方式。具体的工艺流程如图3所示，在施工过程中可根据实际情况做局部调整或者改善。

由图3可知:工序下放的大套管为φ146钢管，下放位置一般为进入江底土层2 m左右，主要起隔绝江水作用;工序中含气层主要指淤泥类粉质黏土层，主要作用是防止上部粉土坍塌和形成部分放气通道;工序下放的大套管为φ89钢管;按照最大化的放气原则，对气量减小或无气的孔进行充分洗孔，疏通放气通道，直至达到安全要求;工序中先从孔位底部开始填黏土球直到小套管位置，然后用水泥浆注满全孔，保证封孔的密实效果。

3.3 施工要求

1)释放孔位放样定位准确、成孔垂直度控制，释放孔不得侵入隧道断面。

2)每个释放孔施工都必须达到含气层深度甚至更多。

3)释放应尽量彻底，至不能测出压力为止。对气压大的井喷释放孔采用软管引到江水中释放，一方面减少气体对周围环境的影响，另一方面可以控制井喷的程度，避免过大的井喷给地层带来更大的扰动和对以后盾构推进可能产生的影响。

图3 施工流程图Fig.3 Flowchart of methane releasing

4)均衡释放原则:沼气释放的速率应不产生对释放孔周围地层的显著拢动，进行缓慢均衡释放。

5)释放施工受钱塘江潮水影响较大，对大潮来临而未完成释放施工被迫封孔的释放孔进行详细资料记录，为以后进行补孔提供依据。

6)释放孔最终拔管进行注浆封孔，尽量减小释放孔施工对盾构推进地层的扰动影响。

7)沼气释放应在盾构穿越前完成。

8)安全措施:注重防火、落实防喷措施，确保人员、设备、航道等安全。

3.4 施工监测

在沼气释放过程中，根据各释放孔的气体量的压力大小和现场气体释放情况进行气体的监测工作。

1)对于微弱气体溢出或无气体溢出释放孔，用甲烷检测仪器在孔口位置监测其气体浓度，但都不会超过瓦斯浓度报警值。

2)对于有明显气体的释放孔，采用相应的气压装置进行气压测量，测得气压后进行气体释放，并间隔1～2 h重复进行测压和释放工序。

3)对于出现井喷现象的释放孔，必须通过泥沙水分离器(见图4)加以控制，进行压力和流量的监测，之后进行安全释放，并间隔1～2 h重复进行气压和流量监测。

图4 泥沙水分离器Fig.4 Methane separator

3.5 施工难点及解决措施

沼气释放过程中，井喷、冒水带泥沙现象对大堤沉降影响比较严重，鉴于大堤要严格控制沉降以确保安全，故采取以下措施。

1)过江隧道段释放孔施工对大堤沉降产生影响，距离大堤越远影响越小，因此释放孔的位置尽量远离大堤。

2)在释放孔施工时尽量缩短沼气排放的时间和控制井喷孔的喷沙带泥现象，严格控制大堤沉降量。

3)沼气释放施工结束时要及时注浆封孔，以减少大堤的沉降。

4)沼气作为一种可燃可爆气体，具有危险性，大量沼气强烈喷出时会在局部范围内产生爆炸危险;另外，沼气中含有少量的有害有毒气体，对施工人员的健康有一定的危害，故在施工中必须高度重视安全操作。

5)施工受潮水的影响很大，钱塘江潮水在每个农历月的初一、十五很大，而且要持续4～5 d，有的气量大的孔在释放时遇到大潮来临而被迫封孔。遇到这种不可抗拒的非人为因素影响，采取的应对措施为详细记录该孔的施工资料和数据，以便于日后在其旁边补孔释放。

3.6 沼气释放施工效果

经过长达近9个月的施工，沼气释放取得了一定的效果，具体情况如表1所示。不同释放孔释放结果如图5所示。

表1 释放孔统计表Table 1 Statistics of methane releasing holes 个

图5 不同释放孔释放效果Fig.5 Methane releasing effect

4 结论与讨论

随着沼气释放施工的完成，释放孔附近地层中沼气含量显著降低，从盾构推进过程中未出现沼气突出现象来看，释放效果是明显的。由于地层中沼气赋存情况比较复杂，加上地层中沼气的再生成和积聚，难以全部释放。对此类地区的工程要着重研究地层中沼气的分布规律以及其在扰动后的重新积聚变化规律。建议此类地区的工程在施工前要详细勘察工程影响范围内地层中沼气的分布情况，要严格按照国家关于瓦斯安全规范进行施工，高度关注推进过程中任何存在安全隐患的薄弱环节，尤其是对隧道内沼气浓度的监测更不能掉以轻心，做到防患于未然。

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