杭州地鐵1號線穿越錢塘江地層沼氣釋放技術(shù)探討

徐國慶，岳豐田，王弘琦，張榮輝

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽合肥 230088;2.中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州 221116;3.上海隧道工程股份有限公司，上海 200082)

0 引言

杭州地鐵1號線為杭州軌道交通建設(shè)的首條地鐵線，是連接中心城核心區(qū)與江南、臨平、下沙副城中心區(qū)的骨干線。1號線在主城區(qū)段和江南段之間要穿越錢塘江，而錢塘江地層中富含大量的有害氣體(主要為沼氣)，這就為區(qū)間隧道穿越錢塘江帶來很大的施工困難和工程風(fēng)險(xiǎn)，淺層沼氣是地下空間開發(fā)可能遇到的地質(zhì)災(zāi)害之一，井噴是含淺層氣土體的滲透比降超過其氣壓臨界比降條件下的非飽和滲流破壞過程，對地層的影響表現(xiàn)為對土體的損傷和擾動［1－2］。當(dāng)盾構(gòu)隧道推進(jìn)作業(yè)時，由于淺層沼氣釋放，危及人身安全，亦可能造成下伏土層失穩(wěn)，使己建好的隧道產(chǎn)生位移、斷裂，造成無可挽回的重大經(jīng)濟(jì)損失［3］。杭州灣地區(qū)淺層天然氣主要賦存于第四紀(jì)全新世和晚更新世地層中，氣樣組分分析表明，該區(qū)天然氣屬甲烷型生物成因氣［4］。過江段的地質(zhì)情況復(fù)雜，有害氣體的存在，加大了施工難度。若處理不好，會產(chǎn)生涌水、涌砂及爆炸事故［5］。杭州灣淺層沼氣多為生物成因的甲烷型天然氣，具有儲存分散、氣層薄、氣壓低、水氣同層的特點(diǎn)，沼氣埋藏深度較淺，儲量小，氣體不連貫［6］。目前國內(nèi)長江中下游地區(qū)淺層沼氣釋放施工的工程較少，上海黃浦江地區(qū)有過對淺層沼氣的科研研究，但并未采取大范圍的釋放施工。在含沼氣軟土中，用盾構(gòu)法施工隧道，必須仔細(xì)研究已有的地質(zhì)勘察資料，詳細(xì)了解沼氣的成因、成分、分布及其氣量、氣壓等有關(guān)數(shù)據(jù)，然后提出處理方案和沼氣條件下安全施工對策［7］。代仁平等［8］提出控制沼氣溢出和提前釋放沼氣是控制沼氣爆炸的關(guān)鍵因素，從沼氣的釋放、隧道通風(fēng)、火源控制和沼氣監(jiān)測方面提出了控制措施。鑒于地層中沼氣的存在，首先要確定沼氣賦存的位置及條件，勘探方法不能簡單的采用深層氣的勘探方法，文獻(xiàn)［9］提出了對重點(diǎn)目標(biāo)區(qū)預(yù)探或已知?dú)馓飬^(qū)擴(kuò)邊可以采用打密集靜力觸探井的方法。由于施工區(qū)域場地內(nèi)賦存的沼氣具有連通性差、不均勻分布的特點(diǎn)，且淤泥質(zhì)土層中不斷產(chǎn)生沼氣補(bǔ)給含氣層，導(dǎo)致沼氣不能完全徹底地釋放，局部可能還存在囊狀氣團(tuán)［10］，因此，本文重點(diǎn)研究錢江段淺層沼氣釋放孔的布置、釋放施工的難點(diǎn)及處理措施、施工過程的監(jiān)測等，通過釋放施工減少地層中的沼氣含量，降低區(qū)間隧道施工的工程風(fēng)險(xiǎn)。

1 工程概況

濱江站—富春路站區(qū)間(現(xiàn)已改名為江陵路站—近江站)為杭州地鐵1號線工程，穿越錢塘江全地下區(qū)間，里程范圍為 K5+880.274 ～ K8+835.859，區(qū)間左線總長為2.946 km，右線總長為2.956 km。在里程K6+750和K8+351.9處設(shè)風(fēng)井2座，在K7+220和K7+810處設(shè)2座聯(lián)絡(luò)通道，其中K7+220處聯(lián)絡(luò)通道兼排水泵站。盾構(gòu)從里程K6+913.3～K8+255.0將穿越錢塘江，穿越長度約為1 340 m。區(qū)間隧道示意如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧道示意圖(單位:m)Fig.1 Sketch of running tunnel(m)

隧道掘進(jìn)區(qū)域主要穿越的地層有:③5層粉砂夾砂質(zhì)粉土、③7層砂質(zhì)粉土、④3層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑥2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑥3層粉細(xì)砂、⑨1a層粉質(zhì)黏土、⑨1b層含砂粉質(zhì)黏土、○122層細(xì)砂、○124層圓礫。其中沼氣主要賦存于⑥3層粉細(xì)砂層和○122層細(xì)砂中。

2 沼氣賦存特點(diǎn)

杭州地鐵1號線濱江站—富春路站區(qū)間地層30 m范圍內(nèi)上部為粉土層，中間部分為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，下部為粉砂層。石油天然氣部門的研究表明，生氣土層必須具備的條件是含有較多的有機(jī)質(zhì)含量，且上層土層(或自身土層)必須具備封閉能力;儲氣層必須是空隙比較大、滲透性較強(qiáng)的土層。現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)探桿從⑥2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層進(jìn)入⑥3層粉細(xì)砂層時出現(xiàn)強(qiáng)烈井噴，泥沙水噴出孔口近7～8 m，有些孔能持續(xù)噴發(fā)十幾小時。探桿上拔氣體噴發(fā)就逐漸減小，當(dāng)氣體不噴發(fā)時，深度仍在⑥2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中?？梢?，⑥2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層即為生氣層又為蓋層，⑥3層粉細(xì)砂層為儲氣層。在測試過程中，有的地方?jīng)]有氣體溢出，而有的地方出現(xiàn)不同程度的井噴現(xiàn)象，這說明淺層氣呈交互狀的扁豆體以及透鏡體的囊狀結(jié)構(gòu)存在于土層中，且各囊狀體周邊地層的氣壓、儲量以及相連通的氣層范圍差異較大，分布不均勻。

因此，沿著過江隧道地鐵盾構(gòu)線自江南岸至主航道均存在沼氣，主航道至江北岸部分區(qū)域存在沼氣;過江隧道地下氣體以囊狀形式存在，主要賦存于圓礫層上部的○122層粉細(xì)砂層，含氣層頂板埋深在地面以下21～23 m處;含氣層底板埋深在地面以下24～28 m處，主要含氣層沿隧道結(jié)構(gòu)線長度為420 m。

3 沼氣釋放施工

3.1 釋放孔位置確定

根據(jù)之前在江南岸進(jìn)行的沼氣釋放試驗(yàn)，自江南岸至主航道計(jì)劃共布置210個沼氣釋放孔，分5排布置，左右側(cè)各2排孔，隧道推進(jìn)中線1排孔，左右側(cè)第1排孔距離隧道推進(jìn)線5 m，孔間距10 m，第2排與第1排釋放孔排距離為8.65 m左右，與第1排孔間距10 m，形成梅花型布置方式?？紤]到施工時間和工期的因素，先進(jìn)行中間3排釋放孔(共132個)的施工，然后根據(jù)實(shí)際施工情況再確定另外2排孔的施工。釋放孔示意圖如圖2所示。

從后來中間3排孔施工情況來看，右線氣量相對較多，主要在大堤附近以及從大堤沿盾構(gòu)推進(jìn)線(大堤護(hù)坡下平臺處為起始0 m)20～70 m和190 m至主航道范圍內(nèi)，中線和左線相對氣量小，但在部分范圍內(nèi)氣量還是比較大的。因此，釋放孔的布置是比較合理的，沼氣釋放效果也比較明顯。

圖2 釋放孔施工情況示意圖Fig.2 Layout of methane releasing holes

3.2 釋放孔結(jié)構(gòu)及施工工藝

考慮到地下沼氣的最大壓力0.4 MPa，最大流量48.85 m3/h，選取抽放管的直徑為89 mm鋼管，深度根據(jù)沼氣所在地層深度布置，下部設(shè)置2 m花管，花管外壁包上砂網(wǎng)。

根據(jù)之前陸上進(jìn)行試驗(yàn)釋放情況，結(jié)合江上段釋放的環(huán)境特點(diǎn)，江中段沼氣釋放采用鉆孔和靜力觸探相結(jié)合的施工方式。具體的工藝流程如圖3所示，在施工過程中可根據(jù)實(shí)際情況做局部調(diào)整或者改善。

由圖3可知:工序下放的大套管為φ146鋼管，下放位置一般為進(jìn)入江底土層2 m左右，主要起隔絕江水作用;工序中含氣層主要指淤泥類粉質(zhì)黏土層，主要作用是防止上部粉土坍塌和形成部分放氣通道;工序下放的大套管為φ89鋼管;按照最大化的放氣原則，對氣量減小或無氣的孔進(jìn)行充分洗孔，疏通放氣通道，直至達(dá)到安全要求;工序中先從孔位底部開始填黏土球直到小套管位置，然后用水泥漿注滿全孔，保證封孔的密實(shí)效果。

3.3 施工要求

1)釋放孔位放樣定位準(zhǔn)確、成孔垂直度控制，釋放孔不得侵入隧道斷面。

2)每個釋放孔施工都必須達(dá)到含氣層深度甚至更多。

3)釋放應(yīng)盡量徹底，至不能測出壓力為止。對氣壓大的井噴釋放孔采用軟管引到江水中釋放，一方面減少氣體對周圍環(huán)境的影響，另一方面可以控制井噴的程度，避免過大的井噴給地層帶來更大的擾動和對以后盾構(gòu)推進(jìn)可能產(chǎn)生的影響。

圖3 施工流程圖Fig.3 Flowchart of methane releasing

4)均衡釋放原則:沼氣釋放的速率應(yīng)不產(chǎn)生對釋放孔周圍地層的顯著攏動，進(jìn)行緩慢均衡釋放。

5)釋放施工受錢塘江潮水影響較大，對大潮來臨而未完成釋放施工被迫封孔的釋放孔進(jìn)行詳細(xì)資料記錄，為以后進(jìn)行補(bǔ)孔提供依據(jù)。

6)釋放孔最終拔管進(jìn)行注漿封孔，盡量減小釋放孔施工對盾構(gòu)推進(jìn)地層的擾動影響。

7)沼氣釋放應(yīng)在盾構(gòu)穿越前完成。

8)安全措施:注重防火、落實(shí)防噴措施，確保人員、設(shè)備、航道等安全。

3.4 施工監(jiān)測

在沼氣釋放過程中，根據(jù)各釋放孔的氣體量的壓力大小和現(xiàn)場氣體釋放情況進(jìn)行氣體的監(jiān)測工作。

1)對于微弱氣體溢出或無氣體溢出釋放孔，用甲烷檢測儀器在孔口位置監(jiān)測其氣體濃度，但都不會超過瓦斯?jié)舛葓?bào)警值。

2)對于有明顯氣體的釋放孔，采用相應(yīng)的氣壓裝置進(jìn)行氣壓測量，測得氣壓后進(jìn)行氣體釋放，并間隔1～2 h重復(fù)進(jìn)行測壓和釋放工序。

3)對于出現(xiàn)井噴現(xiàn)象的釋放孔，必須通過泥沙水分離器(見圖4)加以控制，進(jìn)行壓力和流量的監(jiān)測，之后進(jìn)行安全釋放，并間隔1～2 h重復(fù)進(jìn)行氣壓和流量監(jiān)測。

圖4 泥沙水分離器Fig.4 Methane separator

3.5 施工難點(diǎn)及解決措施

沼氣釋放過程中，井噴、冒水帶泥沙現(xiàn)象對大堤沉降影響比較嚴(yán)重，鑒于大堤要嚴(yán)格控制沉降以確保安全，故采取以下措施。

1)過江隧道段釋放孔施工對大堤沉降產(chǎn)生影響，距離大堤越遠(yuǎn)影響越小，因此釋放孔的位置盡量遠(yuǎn)離大堤。

2)在釋放孔施工時盡量縮短沼氣排放的時間和控制井噴孔的噴沙帶泥現(xiàn)象，嚴(yán)格控制大堤沉降量。

3)沼氣釋放施工結(jié)束時要及時注漿封孔，以減少大堤的沉降。

4)沼氣作為一種可燃可爆氣體，具有危險(xiǎn)性，大量沼氣強(qiáng)烈噴出時會在局部范圍內(nèi)產(chǎn)生爆炸危險(xiǎn);另外，沼氣中含有少量的有害有毒氣體，對施工人員的健康有一定的危害，故在施工中必須高度重視安全操作。

5)施工受潮水的影響很大，錢塘江潮水在每個農(nóng)歷月的初一、十五很大，而且要持續(xù)4～5 d，有的氣量大的孔在釋放時遇到大潮來臨而被迫封孔。遇到這種不可抗拒的非人為因素影響，采取的應(yīng)對措施為詳細(xì)記錄該孔的施工資料和數(shù)據(jù)，以便于日后在其旁邊補(bǔ)孔釋放。

3.6 沼氣釋放施工效果

經(jīng)過長達(dá)近9個月的施工，沼氣釋放取得了一定的效果，具體情況如表1所示。不同釋放孔釋放結(jié)果如圖5所示。

表1 釋放孔統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistics of methane releasing holes 個

圖5 不同釋放孔釋放效果Fig.5 Methane releasing effect

4 結(jié)論與討論

隨著沼氣釋放施工的完成，釋放孔附近地層中沼氣含量顯著降低，從盾構(gòu)推進(jìn)過程中未出現(xiàn)沼氣突出現(xiàn)象來看，釋放效果是明顯的。由于地層中沼氣賦存情況比較復(fù)雜，加上地層中沼氣的再生成和積聚，難以全部釋放。對此類地區(qū)的工程要著重研究地層中沼氣的分布規(guī)律以及其在擾動后的重新積聚變化規(guī)律。建議此類地區(qū)的工程在施工前要詳細(xì)勘察工程影響范圍內(nèi)地層中沼氣的分布情況，要嚴(yán)格按照國家關(guān)于瓦斯安全規(guī)范進(jìn)行施工，高度關(guān)注推進(jìn)過程中任何存在安全隱患的薄弱環(huán)節(jié)，尤其是對隧道內(nèi)沼氣濃度的監(jiān)測更不能掉以輕心，做到防患于未然。

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