高 健，粟玉英，丁淑平

(長(zhǎng)江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430010)

0 引言

地鐵是城市快速軌道交通的一部分，具有運(yùn)量大、快速、準(zhǔn)點(diǎn)、低能耗、少污染、乘坐舒適方便的優(yōu)點(diǎn)，常被稱為“綠色交通”。近年來(lái)，中國(guó)城市地鐵得到了較快發(fā)展，大中型城市均已建成或正在建設(shè)多條地鐵線路。在地鐵的建設(shè)與運(yùn)行中，也產(chǎn)生了不少環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，淺層有害氣體就是其中之一。比如在杭州、武漢及廣州的地鐵勘察與施工中，先后遇到如CH4、H2S等淺層有害氣體。2007年4月3日杭州地鐵1號(hào)線濱康路站—西興路站區(qū)間勘察時(shí)孔內(nèi)噴出高達(dá)6～8 m可燃?xì)怏w;2008年9月21日武漢地鐵2號(hào)線漢口火車站—范湖站區(qū)間盾構(gòu)施工時(shí)，洞口出現(xiàn)不明氣體燃燒，并導(dǎo)致施工人員輕度中毒;2009年5月15日，廣州地鐵3號(hào)線北延段地下盾構(gòu)施工時(shí)，3名作業(yè)人員因地下不明氣體中毒身亡。淺層有害氣體對(duì)地鐵施工、后期運(yùn)營(yíng)帶來(lái)不利影響。

目前，在城市地下工程建設(shè)中淺層有害氣體問(wèn)題較為突出，但研究成果較少，工程經(jīng)驗(yàn)不多。本文主要結(jié)合杭州與武漢地鐵勘察、檢測(cè)及施工等相關(guān)資料，闡述有害氣體特征，分析其對(duì)地鐵施工與運(yùn)行的不利影響，綜合提出了各種有效應(yīng)對(duì)措施。為在同類地區(qū)進(jìn)行地鐵或其它地下工程建設(shè)提供一定的參考經(jīng)驗(yàn)。

1 有害氣體特征

本文討論的有害氣體為分布于平原區(qū)覆蓋層，埋藏較淺(一般＜40 m)，對(duì)地下工程建設(shè)不利，對(duì)人體健康存在危害的天然氣體。淺層有害氣體(簡(jiǎn)稱有害氣體)實(shí)為一種生物氣，俗稱“沼氣”，在相對(duì)密閉的環(huán)境下，由厭氧菌對(duì)有機(jī)物分解經(jīng)還原作用形成，與礦山煤層產(chǎn)生的瓦斯、人為活動(dòng)在地下空間留下的有害氣體不同，有其明顯的特征。

1.1 成分與含量

在杭州與武漢分布有害氣體的地鐵區(qū)間，大多進(jìn)行了有害氣體專項(xiàng)勘察或現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，其中杭州地鐵1號(hào)線濱康路站—西興路站區(qū)間[1]、武漢地鐵2號(hào)線漢口火車站一范湖站區(qū)間[2]及武漢地鐵3號(hào)線興業(yè)路站—后湖大道站(不含)—市民中心站區(qū)間[3]檢測(cè)出有害氣體的成分與含量見(jiàn)表1。

表1 有害氣體成分及其含量一覽表Table 1 Composition and content of noxious gases

由上表可知有害氣體成分以CH4(甲烷)為主，體積比約占55.2% ～94.6%;其次為 CO2，體積比約占2.6% ～40.7%;其它氣體如 NO2、H2S、SO2及 CO 等，含量一般＜5%。一般而言，CH4(甲烷)含量與土體中有機(jī)物含量相關(guān)，氣源層有機(jī)質(zhì)含量一般＞0.5%，而H2S、SO2含量則與土體中動(dòng)物糞便相關(guān)。

1.2 分布特征

有害氣體分布區(qū)多位于東南沿海和長(zhǎng)江、珠江、閩江水系的江河兩岸、河口及部分湖區(qū)，為河、湖相或海相沉積平原。杭州地鐵1號(hào)線濱康路站—西興路站區(qū)間與武漢地鐵2號(hào)線漢口火車站一范湖站區(qū)間[4]有害氣體分布區(qū)的地貌、地層、巖性及埋深等特征見(jiàn)表2，分布的地層結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1、圖2。

表2 有害氣體分布區(qū)特征表Table 2 Features of noxious gases in distribution region

圖1 杭州地鐵1號(hào)線濱西區(qū)間地層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of stratum on Binxi section of Hangzhou metro line 1

圖2 武漢地鐵2號(hào)線漢范區(qū)間地層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of stratum on Hanfan section of Wuhan metro line 2

由表2、圖1與圖2可知，有害氣體主要分布于第四系全新統(tǒng)沖積、沖湖積及濱海、淺海及溺谷相沉積層，少量上更新統(tǒng)湖沼相沉積層;地層結(jié)構(gòu)上，具二元結(jié)構(gòu)特征，上細(xì)下粗;上部為粘性土，下部為砂土或粘性土夾砂土，中部為含有有機(jī)質(zhì)的淤泥質(zhì)土。由于有害氣體是在地下相對(duì)封閉條件下形成，在地層結(jié)構(gòu)中分為封閉層、氣源層及儲(chǔ)氣層。一般而言，表層的粘性土如粘土、粉土等孔隙比相對(duì)較小，滲透性較差，為封閉層;淤泥質(zhì)土含有機(jī)質(zhì)，為氣源層;氣源層上、下部的粉(細(xì))砂與少量的粉土(或兩者為互層或夾層)孔隙比相對(duì)較大，為儲(chǔ)氣層。

由于分布有害氣體的地層主要為河湖相或?yàn)I海相沉積，沉積時(shí)多經(jīng)過(guò)了局部的變動(dòng)旋回形成砂土交互，各土層多呈透鏡狀或扁豆?fàn)?，部分具“千層餅”結(jié)構(gòu)，厚度變化大，均一性差;另外，淤泥質(zhì)土中的有機(jī)質(zhì)含量一般為0.3% ～2.6%，差異大;因此有害氣體多呈透鏡狀、囊狀分布，不同囊間氣體濃度差異大，且連通性差。

根據(jù)杭州與武漢兩地地鐵有害氣體專項(xiàng)勘察與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明，有害氣體主要分布于粘性土與砂土的交互層，如粉質(zhì)粘土、粉土或粉砂互層、砂質(zhì)粘土夾粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉砂，部分分布于粉細(xì)砂層，淤泥質(zhì)土中含量較少或基本不存在;檢測(cè)孔間氣體濃度差異大，分布不連續(xù)，部分孔內(nèi)無(wú)氣體。

1.3 穩(wěn)定性與逸出規(guī)律

在淤泥質(zhì)土層中產(chǎn)生的有害氣體不斷向土體中的孔隙中運(yùn)移并溶于地下水，當(dāng)水中的氣體達(dá)到飽和后，部分會(huì)游離于土體顆粒孔隙中。由于氣體以液相與氣相儲(chǔ)存在相對(duì)封閉的囊狀空間內(nèi)，天然狀態(tài)下，地下水、氣體與土體間壓力維持相對(duì)平衡，氣體一般不易逸出，穩(wěn)定性較好，對(duì)周邊的環(huán)境不會(huì)造成影響;當(dāng)受到外力擾動(dòng)，封閉空間受到破壞，氣體在水中的飽和度下降，部分氣體從地下水中游離出來(lái)，與土顆粒間游離氣體共同成為逸出的不穩(wěn)定氣體，對(duì)周邊環(huán)境及地下工程的施工形成不利影響。

一般情況下，有害氣體壓力大于孔隙水壓力與大氣壓，可自然逸出。氣體逸出速度的快慢和氣體濃度、封閉空間破壞程度、大氣溫度及地下土體溫度等相關(guān)，排氣孔噴出速度一般為0.1～0.3 m/s，局部達(dá)0.4～1.1 m/s。一般而言，氣體濃度越大，封閉空間破壞越嚴(yán)重;氣溫越低與地溫越高，氣體逸出時(shí)間越短。根據(jù)杭州、武漢地鐵對(duì)有害氣體的長(zhǎng)期觀測(cè)與監(jiān)測(cè)情況，有害氣體逸出時(shí)間差異極大，全部逸出需幾個(gè)小時(shí)至幾天，甚至幾年時(shí)間。

2 對(duì)地鐵的影響

根據(jù)武漢地鐵2號(hào)線漢口火車站—范湖站區(qū)間對(duì)有害氣體現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及武漢地鐵3號(hào)線興業(yè)路站—后湖大道站(不含)—市民中心站區(qū)間有害氣體專項(xiàng)勘察成果，有害氣體危害性評(píng)價(jià)見(jiàn)表3。

表3 有害氣體危害性評(píng)價(jià)表Table 3 Hazard assessment of noxious gases

由上表可知，地下有害氣體中CH4、H2S及CO三種成分超標(biāo)。這種有壓有毒可燃?xì)怏w對(duì)地鐵工程的不利影響，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:①因有害氣體逸出或運(yùn)移，氣壓下降引起土體的變形，對(duì)地鐵隧道工程形成不利影響;②逸出的有害氣體，遇上火源時(shí)，易引發(fā)火災(zāi)或爆炸;③有害氣體影響人體健康，濃度過(guò)大，超過(guò)安全標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，易引起傷亡事故。

儲(chǔ)存于地下相對(duì)封閉空間內(nèi)的有害氣體，多為有壓氣體，氣體壓力一般在 0.1 ～0.4 MPa之間[5]。有壓氣體除封閉空間受到破壞可逸出外，在滲透壓力或其它因素引起地下水流動(dòng)時(shí)，其還會(huì)從高壓區(qū)向低壓區(qū)運(yùn)移。在地鐵隧道施工時(shí)，擾動(dòng)或破壞了氣體的封閉空間，有壓氣體逸出，氣囊中氣體壓力降低，周圍土體在自重壓力下產(chǎn)生不均勻變形，可能引起地面變形、隧道壁失穩(wěn)，還可能因地基的不均勻變形，影響盾構(gòu)運(yùn)行姿態(tài)。盾構(gòu)端頭采取降水施工時(shí)，將引起有害氣體聚集，導(dǎo)致洞門(mén)附近壓力劇增，影響盾構(gòu)順利掘進(jìn)。車站基坑降水施工時(shí)，在滲透壓力作用下，有害氣體因壓力差產(chǎn)生流動(dòng)，易在逸出口產(chǎn)生較大坡降，產(chǎn)生管涌或流土[6]，引起坑壁失穩(wěn)或坡壞。

地下有害氣體主要成分為CH4(甲烷)。CH4(甲烷)為一種可燃?xì)怏w，在地鐵隧道施工時(shí)，氣體不斷逸出引起隧道內(nèi)甲烷濃度不斷升高，如因人為或機(jī)械原因產(chǎn)生火源時(shí)，極易引發(fā)燃燒或爆炸，產(chǎn)生火災(zāi)事故。

地下有害氣體中，對(duì)人體存在危害的成分為H2S與CO。H2S毒性作用的特點(diǎn)是濃度越低，對(duì)人體呼吸道及眼的刺激作用越明顯;濃度越高，對(duì)人體全身作用越明顯，表現(xiàn)為中樞神經(jīng)系統(tǒng)癥狀和窒息癥狀;當(dāng)濃度超過(guò)600 mg/m3時(shí)，可能中毒身亡。CO中毒的機(jī)理為CO進(jìn)入人體之后會(huì)和血液中的血紅蛋白結(jié)合，阻止紅蛋白與氧氣的結(jié)合，引起組織缺氧;CO中毒起病急、潛伏期短、死亡率極高。地鐵隧道內(nèi)若排風(fēng)不暢，有害氣體對(duì)在該空間的施工人員身體健康產(chǎn)生危害，若濃度過(guò)高還可能出現(xiàn)中毒身亡事故。

3 應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)有害氣體對(duì)地鐵的不利影響，一般采取“釋放”與“封閉”兩種應(yīng)對(duì)措施，并輔以監(jiān)測(cè)手段。在施工前期，多采用“釋放”的方式，主動(dòng)破壞氣體的封閉空間，釋放出有害氣體，使其濃度低于國(guó)家限值，壓力低于相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，保證施工的安全。在施工中后期與工程運(yùn)行期，一般采用“封閉”的方式，對(duì)未排出的有害氣體，及時(shí)有效地封堵，防止其續(xù)繼逸出，污染地下空間環(huán)境。由于有害氣體分布不均勻、不連續(xù)，具隨機(jī)性，無(wú)法完全杜絕其對(duì)工程的不利影響，還需建立監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)與氣體濃度檢測(cè)，做到有針對(duì)性的防范。

3.1 地鐵施工期

地鐵隧道作為一個(gè)相對(duì)封閉的空間，在進(jìn)行盾構(gòu)施工前，應(yīng)對(duì)超標(biāo)氣體的重點(diǎn)段進(jìn)行提前排放降壓。排氣孔密度與數(shù)量應(yīng)滿足工期與安全的需要，排放時(shí)控制放氣流量，注意壓力的動(dòng)態(tài)平衡，降低對(duì)周圍地層的破壞。另外還應(yīng)進(jìn)行專門(mén)的通風(fēng)設(shè)計(jì)，可采用混合式通風(fēng)方式加強(qiáng)通風(fēng)。盾構(gòu)施工時(shí)，應(yīng)對(duì)地面、隧道壁進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，對(duì)排氣孔進(jìn)行壓力測(cè)試，對(duì)隧道內(nèi)有害氣體進(jìn)行檢測(cè)，如在螺旋機(jī)出口、盾尾上部及第1節(jié)車架前端設(shè)置有害氣體自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警裝置，并在隧道施工面、成形隧道內(nèi)及第二和第三車架間再各配置1臺(tái)手持有害氣體監(jiān)測(cè)儀器，加強(qiáng)有害氣體監(jiān)測(cè)。

若地面或洞壁變形過(guò)大，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)情況，及時(shí)采取隧道內(nèi)二次注漿、地表插管注漿等有針對(duì)性的地層加固措施，并根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋，適當(dāng)調(diào)整注漿參數(shù)。若氣體濃度過(guò)高，可采取臨時(shí)通風(fēng)的措施，降低有害氣體濃度。

應(yīng)控制隧道同步注漿量與漿液質(zhì)量，保證管片間的完全封閉，防止有害氣體滲入隧道空間;對(duì)于人流量大的繁華市區(qū)，儲(chǔ)氣量較大地層的明挖基坑，除一般的抽排措施外，應(yīng)及時(shí)開(kāi)挖，及時(shí)封閉處理，防止氣體大量逸出污染環(huán)境。

在對(duì)車站基坑或盾構(gòu)端頭進(jìn)行降水施工時(shí)，應(yīng)布置一定數(shù)量的抽排井，對(duì)有害氣體進(jìn)行提前排放降壓，待有害氣體濃度與強(qiáng)度達(dá)到國(guó)家安全范圍，再進(jìn)行基坑開(kāi)挖與盾構(gòu)掘進(jìn)。氣體抽排時(shí)開(kāi)始時(shí)應(yīng)緩慢勻速進(jìn)行，防止產(chǎn)生流土或管涌。

另外，在富含有害氣的隧道可設(shè)置減壓井和阻擋裝置，減小氣體爆炸的影響范圍，以免影響整條隧道。

3.2 地鐵運(yùn)行期

地鐵運(yùn)行期應(yīng)建立對(duì)有害氣體濃度進(jìn)行檢測(cè)的監(jiān)控系統(tǒng)，防止有壓游離有害氣體滲入隧道空間，對(duì)人體形成危害;同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)設(shè)備的檢測(cè)，制定完善的應(yīng)急救援預(yù)案，以保證隧道運(yùn)行的安全。

4 結(jié)語(yǔ)

本文僅以杭州地鐵1號(hào)線與武漢地鐵2號(hào)線、3號(hào)線存在有害氣體的三個(gè)區(qū)間段為例，闡述有害氣體的特征，分析其對(duì)地鐵的不利影響，并提出應(yīng)對(duì)措施。目前杭州地鐵1號(hào)線與武漢地鐵2號(hào)線均已正常運(yùn)行，對(duì)在該類地區(qū)進(jìn)行地下工程建設(shè)提供了有益的參考經(jīng)驗(yàn)。淺層有害氣體問(wèn)題是近期才突顯的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，如穿越含有害氣體地層的盾構(gòu)機(jī)密閉性、盾構(gòu)施工中爆炸防護(hù)措施等許多方面有待深入實(shí)踐，總結(jié)分析，為城市地下空間的合理利用提供更可靠的技術(shù)支撐。

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