地铁勘察中对地下不明气体的勘察与分析

李成军

(哈尔滨市勘察测绘研究院，黑龙江 哈尔滨 150010)

1 工程概况

在哈尔滨市轨道交通2号线一期工程项目文化宫站-衡山路站之间的3个工点的部分地段详勘过程中，发现了浅层不明气体。共计有7个详勘钻孔发现地下不明气体，该气体埋深约 23 m～28 m，赋存于砂层中，当钻孔将砂层上覆的粉质黏土层(厚约 22 m～23 m)揭穿时，该气体即从地下喷出，最大喷射高度可达 10 m，持续时间最长达 4 h～5 h。喷射时，初带干砂，之后仅有气体喷出，气体无色，大部分无味，个别孔气体略带异味，不可燃。因上述两区间及车站均采用暗挖法施工，地下不明气体极易对施工人员和拟建工程造成巨大危害，轻则影响工程进度、增加投资，重则可能酿成重大安全事故，因此有必要对这3个工点的地下不明气体进行专项勘察。

不明气体的存在不仅加大了工程建设的难度而且严重阻滞了地铁工程的进展。因车站属开挖施工，当上部土层卸荷后，不明气体通过压差向基坑内释放，坑底土扰动后则大大降低被动区土体的剪切强度。而在隧道施工过程中，泄漏至隧道内是不明气体唯一流动的途径，若不明气体属于易燃易爆气体，一旦遇见明火则引起工程事故的危害性极大。考虑到后果的严重性并做到对地下不明气体的提前预判，采取专项的不明气体勘探是十分必要的。

2 工程地质和水文地质条件

2.1 地形地貌

哈尔滨市位于松嫩平原东南部，地处松花江中游，平原波状起伏，河谷地貌发育、阶地清晰，漫滩开阔，地势总的趋势为由东南向西北倾斜。本区域沿线地貌单元属岗阜状平原，地势平缓，起伏不大。

2.2 工程地质条件

本场区地层呈现典型的二元结构，其中地表至地下约 23 m～24 m，为可塑～硬塑的粉质黏土，其下为厚约 40 m的中粗砂层。文省区间地层简图如图1所示。

图1 文省区间地层简图

2.3 水文地质条件

孔隙承压水主要赋存于第四系中更新统下荒山组冲积层中的中砂、粗砂层中，相对隔水顶板为粉质黏土层，底板为粉质黏土层，该含水层厚约 20.0 m，厚度较大，该含水层富水性好、透水性强。孔隙承压水主要接受侧向径流补给，以侧向径流排泄为主。

3 不明气体勘察测试方法及测试结果

3.1 不明气体勘察方案

根据不明气体的埋藏深度、详勘时揭露气体钻孔的分布范围、区间的工程地质纵断面图，从工程安全角度出发，以区间开挖过程中将揭露砂层的区域，作为勘察范围，发现气体孔位及时采取气样装袋。

(1)布孔原则

为了利用原有初详勘察钻孔，不明气体勘探孔尽可能靠近在原有纵断面上，与原钻孔错开。为避免钻孔回填不严，造成地表水沿钻孔下渗对主体结构不利，及钻孔揭穿隔水层后导致承压地下水上升，对施工不利等原因，将区间不明气体勘探孔布置在地铁结构线外侧 3 m～5 m，交叉布置，平均孔间距 25 m。若探测到的不明气体压力大于 50 kPa，则加密勘察孔，勘探范围扩展直至气体压力小于 50 kPa为止。

(2)布孔深度

根据对含气层的初步分析，及既有的不明气体勘察的经验，本次专项勘察勘探孔需揭穿粉质黏土层，进入中砂、粗砂层一定深度，以查明是否存在不明气体，因此确定勘探孔深度平均按 30 m左右考虑。

(3)布孔孔数

根据上述布孔原则以及现场实际勘探情况，共布置气体测试孔12个。

3.2 不明气体测量

(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(如图2所示)，将阀门1关闭，阀门2打开，然后逐渐上拔，待喷气口匀速喷出气体时再将阀门2关闭，打开阀门1，气体首先通过沉淀池将泥砂沉淀，然后可直接从压力表读取压力值。当压力较小时可直接将压力表连接于阀门2处进行读取。

图2 气压测试示意图

由于喷出的气体要克服土体间阻力，造成气压损失，因此直接测定法测出的压力值往往小于真实气压值。由于含气层位于6层砂层中，富含承压水，当测试气压最终维持平衡时，此时探杆内留有一定高度的水头压力P2(如图3所示)，而地下气体的真实压力P1应该等于上部沉淀池腔内气体压力P3加上P2。由于每个孔的P2值各不相同且无法测定，因此只能估算修正。根据收集的资料以及以往工程的经验，实际喷出的气压愈大，沿程的气压损失愈大。因此，对气压=0.05 MPa的实测值加以 0.05 MPa的修正，对气压=0.15 MPa的实测值加以0.1 MPa的修正，对气压=0.25 MPa的实测值加以 0.15 MPa的修正，中间值采用内插法计算；对气压>0.25 MPa的实测值均加以 0.15 MPa的修正，不再内插。

图3 气压实际值示意图

在本工点的勘察过程中，当发现气体后，分别对各个勘探孔的峰值压力值进行了记录，探孔的气体压力实测峰值以及修正值如表1所示。

各勘探孔气压实测峰值及修正值 表1

(2)等效换算法

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4所示)。

图4 等效换算法示意图

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。根据国内非饱和土的研究表明，对于一般的非饱和土层，其S一般只有几十至 100 kPa，按最不利条件计算，取S=100 kPa。

根据详勘时的承压水观测结果，SK20+822～SK21+440间的承压水最高水头为 7.1 m，故取承压水水头高 7.1 m，Ua=Uw+S=10.0×(7.1)×10-3+0.1=0.171 MPa。

综合分析压力测试结果可以得出：

文化宫站～省政府站区间检测到的不明气体，中心气压位于QT2号孔(隧道左线里程SK21+395处)，实测中心峰值压力为 0.065 MPa，理论峰值压力 0.122 5 MPa。其余孔实测气压均小于 0.05 MPa。

(3)气体流量的计算

式中：PN，TN，ρN—空气在标准状态下的绝对压力，绝对温度和密度；

PS，TS，ρSN—被测气体在测量时的绝对压力、绝对温度和密度；

QN—流量计读数；

ZSN—被测气体在标准状态下的压缩系数；

ZS—被测气体在PS，TS时的压缩系数。

以QT2号勘探孔为例，按氮气成分考虑，测试 20 min内实测流量计平均流量为 40.0 L/min，流量计入口处实测温度为15℃，绝对压力Ps=0.1225 MPa，则实际流量：

=36.95 L/min

3.3 不明气体特征

本次不明气体勘察外业结束后，发现存在不明气体勘探孔，其中勘探孔(QT2)有气体和砂粒喷出现象，其余勘探孔发现不明气体作用不明显。喷出气体勘探孔的气体特征如表2所示。

不明气体喷发特征 表2

4 不明气体形成的原因分析

4.1 不明气体成分

为了充分了解本工程的浅层不明气体成分，需要采集浅层气样品进行气体组分分析试验。气体采样采用气体采样袋和封装，采样选择在查气过程中喷发较大的钻孔进行，气样采集在喷出纯净气体时快速进行。最终在QT2号孔中取得气样4袋并封装，每袋容积2L。

对于所采集的气样品，委托中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心进行了气体组分测定分析试验，对不明气体组分进行了分析，气体组分如表3所示。

本工程不明气体组分检测表 表3

4.2 气体形成原因分析

由于地下水和气体共同赋存于地层中，地下水位的反复升降使得气体成分有所变化。根据收集的区域水文资料，哈尔滨市自20世纪60年代末期开始开采地下水，地下水位逐年下降；至80年代，因工业发展需要，地下水开采达到高峰，开采量迅速增加，开采范围不断扩大，开采强度增强，地下水位不断下降，浅部承压水曾一度变成无压的潜水。由于过度开采地下水而造成城市大面积沉降危害，哈尔滨市于2003年开始，通过调整企业经济结构，采取行政、法制、科技、工程、经济等多项管理措施严格限制地下水资源开采，同时在全市范围内布置地下水位监测点实施动态水位监测。根据监测点统计数据分析，地下水位逐年回升，平均每年回升幅度约 0.5 m。可以说哈尔滨市地下水位经历了长期下降和不断回升的一个过程。当地下承压水位长期下降时，使地层产生“负压”抽吸，使得地下气体中混有一定量的空气；当地下水位上升时，一部分气体向上排出，另一部分气体在地层孔隙中被压缩，存储在适宜的地层结构中形成一定压力的气囊。根据气体成分检测报告，氮气含量占气体总体积的96.48%～96.81%，含量极高，可以判定气体形成成因主要为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时存在，因此气囊气体成分中氧被微生物吸收形成烷类气体和二氧化碳，而空气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渐流逝，最终形成氮气含量较高的气体。

其形成式可以表示如下：

5 结 语

通过本次专项勘察对工点揭露的气体成因分析，该地下不明气体主要由地下水作用而次生的第四系超浅层气体，地下水位大幅上升使得地层中特别是砂土孔隙中气体向上被挤出二聚集于砂土顶部，构成本次专勘不明气体主要生气源，灰黑色粉质黏土层为含有机质和提供厌氧微生物存在的场所，为次要微弱生气层，但因致密为良好的隔气层。中砂层为主要储气层。

根据此次勘察外业资料分析，不明气体会严重影响隧道施工以及结构建成后的投入使用。因此，建议做好以下几点：

(1)提前有控放气

建议施工单位重点对不明气体压力较大的区段进行有控放气。

(2)对于不明气体恰好位于隧道结构范围内，隧道开挖时揭露含气层顶板，施工时易产生冒气涌沙现象，对稳定性不利。建议施工前可进行有控排放，必要时可采取加大隧道结构的整体刚度、隧道结构外侧预留长期的气体排放管道(管道底部插入储气层中)、隧道底注浆加固等措施。同时加强不明气体监测力度，密切做好预警工作，加强洞内通风。

(3)采用高抗渗性材料

对于分布有气体的区段，不明气体渗入结构的可能性较大。建议分布不明气体范围内的结构混凝土(衬砌或管片)采用高抗渗等级标准。

(4)加强监测、改善通风条件

设立专职不明气体监测人员，安装自动报警仪并配备便携式气体检测报警仪。动态测定隧道施工过程中的不明气体浓度。此外，隧道内应采用高功率的通风设备，保持隧道内空气流畅。

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