淺層有害氣體成藏特征對隧道施工的影響

鞏書華， 蔡寧波， 劉治宇， 韓征， 申建平， 張良平

(1.湖南省地球物理地球化學調查所， 長沙 410014； 2. 湖南省地質新能源勘探開發工程技術研究中心， 長沙 410014； 3. 中南大學土木工程學院，長沙 410075； 4. 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室， 成都 610000)

隨著國家基礎工程建設的快速發展，地下工程施工中面臨的地質問題呈現復雜化與多樣化趨勢。其中地下有害氣體對地下工程的施工，尤其是地下交通工程，影響越來越大[1-3]。中外均有地鐵線與隧道在施工過程中遇到有害氣體突出與泄漏引起燃燒、人員中毒、地基失穩等事故的發生，如武漢地鐵2號線在漢口火車站-范湖站地鐵盾構施工中發現有不明氣體泄漏與燃燒，造成人員中毒[4-5]；杭州灣跨海大橋勘察中發生高壓淺層氣引起的施工事故，危及勘探船只、設備及人員安全[6]；上海某排水隧道內有害氣體的大量釋放使下伏土層失穩，造成隧道出現斷裂位移[7]；國外在地鐵隧道掘進中同樣存在有害氣體泄露導致人員傷亡的事故[8]。

對于淺層氣的成因、類型及其對地下工程施工的影響已有學者進行了相關研究。王萬春等[9]和沙子萱[10]對中國多地淺層生物氣的成因與類型進行了研究，給出了淺層氣的判別標志；方燎原[11]以杭州灣大橋施工為背景，分析了淺層氣的成因、分布、含氣層物理力學性質及其對橋梁工程施工的影響，并提出了超前排氣和橋梁基礎穿過含氣層應適當增加承載力安全儲備并采用樁基礎措施；Rodríguez等[12]在瓦里安特德帕哈雷斯隧道采用單盾構全斷面巖石隧道掘進機(tunnel boring machine，TBM)掘進中發現淺層甲烷氣，并通過測量甲烷排放率和平均甲烷流量證實石炭紀地層開挖的隧道中的天然氣排放與地下煤礦中的相似，表明可以用采礦經驗來預測甲烷流入隧道特征，并可用于指導設計通風系統。丁智[13]分析了盾構隧道穿越含淺層氣地層時對施工的影響，根據擠土效應、土體軟化、注漿壓力以及土體損失等施工因素，提出了含氣地層盾構施工引起的土體變形理論計算公式。

以往有害氣體對地下工程的影響研究多集中在長江中下游平原及東南沿海等低海拔地區，且相對缺少氣體成藏特征對工程施工影響的分析。隨著云貴高原高海拔地區城市地鐵、公路隧道等地下交通工程的發展，對高海拔地區淺層有害氣體的研究也愈發重要?，F以昆明地鐵2號線施工中遇到的地下有害氣體為例，分析地下淺層有害氣體成藏特征、氣體成因及含氣土層的空間分布情況，并結合現場與實驗測得氣體壓力、濃度、流量等數據探討了區內地下有害氣體對擬建地鐵工程施工及運營的影響，進而提出有害氣體安全排放措施建議。

1 工程概況

昆明地鐵2號線二期工程北起于環城南路站，南止于寶豐村站。工程場地位于昆明盆地滇池Ⅱ級階地。區域地基土主要為第四系人工活動層與全新統及上更新統沖河湖積層。區內無全新世活動斷裂與地鐵線路相交，構造活動對地鐵線路的影響有限(圖1)。

圖1 區域地質簡圖Fig.1 Sketch map of regional geology

該工程在前期詳勘施鉆過程中發現，怡園小區站—廣福路站區間(即“官南路段”)與龔家村站—會展中心站區間(即“福保路段”)鉆孔有沼氣噴出，噴出最大高度為4～6 m，沼氣預計壓力可達0.4～0.6個大氣壓，噴發持續時長達3～5 h。由于地下有害氣體的釋放會對工程場地的穩定性、地鐵施工及后期運營的安全性造成一定影響和危害，有必要查明該地下氣體成因、分布、濃度、壓力及流量等成藏特性，制定合理的治理措施。

2 有害氣體成藏特征

2.1 氣體組分及成因

研究區鉆探資料顯示地下氣體生氣層主要為第四系灰黑色的泥炭質土層，實驗測得官南路段泥炭質土層有機質含量在12.12%～58.8%，平均值28.33%；福保路段有機質含量在10.34%～23.97%，平均值15.47%，均具備良好生氣條件。通過對所采氣樣進行氣相色譜實驗分析，區內絕大部分鉆孔均見有害氣體，氣體成分以甲烷為主，甲烷最高含量為45.6%，并含少量CO及H2S等，不含其他腐蝕金屬的成分(圖2)。

圖2 地下噴出氣體組分分析圖Fig.2 Analytical diagram of gas composition of underground jet

區內淺層有害氣體來源于未成熟泥炭質土層，勘察孔兩次所采氣樣甲烷碳同位素(δ13C1)值分別為-69.4‰和-63.1‰，與鄰近施工5號線氣體所測數據相近[14]，均小于-55‰，認為該區有害氣體屬生物成因氣，這與前人對昆明盆地淺層氣所做分析類型相同[15-16]。

2.2 氣體分布特征

福保路段勘察孔揭露兩套含氣層，第一層頂板埋深 5～12 m，底板埋深8～14 m，厚度為1～3 m；第二層頂深 18～25 m，底深24～28 m，厚度為2～7 m。根據埋深和厚度繪制的含氣層三維立體分布圖顯示(圖3)，第一層為一個相互連通的超淺層含氣層，賦存于地鐵結構線上方，與結構線頂部最小間距約10 m，擬建工程隧道區間盾構施工不會揭露第一含氣層，但在車站或其他明挖工程施工時可能揭露該含氣層；第二層可以分為東、西兩個相對獨立的含氣區塊，與地鐵結構線底部基本一致，有部分區段結構線底部界線在含氣層中穿過，擬建工程隧道區間盾構施工時將揭露該含氣層。

圖3 福保路段有害氣體三維立體分布圖Fig.3 Three-dimensional distribution diagram of harmful gases in Fubao section

官南路段揭露一層含氣層，該層頂深26～33 m，底深35～38 m，厚度為2～12 m，呈現中部埋藏深、四周埋藏淺的特點。該含氣層可分為東、西兩個相對獨立的含氣區塊，均賦存于擬建地鐵結構線以下，與地鐵結構線底部最小間距約4 m，該區間盾構施工不會揭露含氣地層(圖4)。

圖4 官南路段有害氣體三維立體分布圖Fig.4 Three-dimensional distribution diagram of harmful gases in Guannan section

按照含氣層與地鐵隧道結構線之間的關系，可分為5種類型(表1和圖5)，其中以含氣層包含于隧道上下結構線之間的包含類型和結構線與含氣層頂底板為縱貫、穿越類型的危險性最大。本次研究的福保路段地鐵結構線穿越下部含氣層頂板，其危險性較大，需重點關注；官南路段結構線位于含氣層上方，危險性較小。

表1 結構線與含氣層關系特征表Table 1 Characteristics of the relationship between structural lines and gas-bearing zones

圖5 結構線與含氣層關系及危險性評價圖Fig.5 The relationship between structural lines and gas-bearing zones and risk assessment diagram

2.3 生儲蓋特征與保存條件

區內生氣源巖主要為泥炭質土層，有機質含量平均大于15%；該土層滲透性弱，滲透系數約為 0.001 mD，導致所生成的甲烷氣體無法迅速向外遷移排放，進而形成以自生自儲為主的小型氣藏，僅少量游離氣體運移至鄰近儲層。由于區內地(土)層壓實程度低和成巖作用弱，可作為蓋層的粉質黏土層孔隙度、滲透率高(圖6)，突破壓力較低，封蓋能力相對較差[17]。此外，區內淺部無區域性蓋層且直接蓋層因橫向分布范圍較小或遭受人類工程破壞，僅起局部封堵作用，保存條件相對較差，導致區內有害氣體成藏分布不均勻，也不利于大規模聚集成藏。

圖6 福保路勘查區地層綜合柱狀圖Fig.6 The comprehensive histogram of the stratum in the exploration area of Fubao Road

此類淺層生物氣藏整體成藏特征是自生自儲、物性圈閉為主、含氣層連通性差、成藏規模較小，富氣性與氣壓差異均較大。這種小規模不均勻的有害氣體成藏模式一定程度上增大了地下工程施工的風險性。

2.4 有害氣體甲烷濃度分布特征

福保路段甲烷濃度在0～35.8%，平均7.14%，濃度變化大，沿隧道左、右線呈高-低-高分布；官南路段甲烷濃度值在0～45.2%，平均10.5%，濃度值變化大，沿結構線形成一系列高濃度區。兩區段濃度等值線圖顯示有害氣體甲烷的分布是不均勻的，多呈扁豆狀或透鏡狀，也間接表明其連通性差(圖7)。

圖7 研究區甲烷濃度等值線圖Fig.7 Concentration contour map of methane in the study area

2.5 有害氣體壓力分析

綜合壓力測試結果得出，福保路段氣壓較高處集中在Q4～Q6號孔附近，最大氣壓0.268 MPa；官南路段氣壓較高處集中在J2～J5號孔，最大氣壓0.323 MPa(圖8)。導致氣壓較低的原因主要是勘察區間地下有害氣體埋藏較淺，為小規模團塊狀(囊狀)淺層氣，且前期工程施工破壞含氣層上部不透氣覆蓋層，使得氣體提前釋放，含氣量減少，壓力降低。

圖8 部分勘探孔氣體壓力峰值統計圖Fig.8 Statistics of gas pressure peaks in some exploration holes

2.6 有害氣體流量分析

通過熱線風速儀測試監測管口流速，根據已知監測管道面積，計算得到區內勘察孔有害氣體流量(表2)。結果顯示，福保路區段及官南路區段氣體流量均較小，均小于0.1 m3/min，這主要與氣體聚集區壓力小、賦存規模相對較小有關。

表2 研究區典型勘探孔氣體流量峰值統計表Table 2 Peak gas flow statistics of typical exploration holes in the study area

3 淺層有害氣體對工程施工影響及處理措施

含有害氣體的土層常常會給基礎工程施工帶來嚴重影響，甚至會導致重大安全事故的發生[18-19]。其影響主要包括對盾構施工、地基穩定性、工程建成后的運營以及周邊已有建筑物等方面。

3.1 對盾構施工的影響

高壓有害氣體對盾構施工的影響主要體現在土壓平衡盾構影響地面沉降和掘進方向的控制、泥水平衡盾構排氣與注漿困難以及有害氣體溢出造成安全事故等方面[19]。本次研究昆明地鐵2號線兩個路段均未揭露高壓力、大儲氣量的含氣體，因此對盾構施工不會產生大的影響和危害。但由于在巖土工程詳察過程中揭露過可較長時間強烈噴發的高壓有毒有害氣體，不能排除在未進行勘察或沒有布置勘探孔的地段存在相對封閉、獨立的有害氣體儲存體的可能。因此，在施工過程中要對地下有毒有害氣體進行同步探測，預防淺層有害氣體突然釋放。

3.2 對地基穩定性的影響

根據中外有害氣體勘察與防治成功經驗分析，地下有毒有害氣體釋放對地基穩定性的影響主要有兩種形式：一是大量高壓氣體突然釋放，帶走含氣地層中的泥沙顆粒，導致含氣地層強度明顯降低，引發基坑側壁或隧道頂及側壁垮塌破壞；二是當有害氣體含氣層分布在擬建建筑物以下時，氣體釋放將使得含氣地層孔隙度增大，地層承載力降低，在一定荷載下沉降量增大。這會導致建筑物地基產生不均勻沉降，進而威脅建筑物安全[20]。

本次兩個勘察區間有害氣藏均為低壓、小型氣體聚集區，一般不會發生第一種情況。但建筑物應力變形影響范圍內地層中有害氣體的釋放，必將使地基承載力降低而產生不均勻沉降，威脅建筑物安全，因此區內會存在第二種情況風險。

3.3 對地下工程后期運營及周邊建筑物的影響

地下高濃度高壓力狀態有害氣體會引起人員中毒窒息或氣體爆炸事故，甚至會導致隧道坍塌，發生特別重大安全事故。本次研究區段內有害氣體壓力較小，濃度低，對地鐵2號線后期運營影響小，但不排除局部存在小型高壓含氣層的可能性。因此，仍應做好地下有害氣體監測和防范工作，確保工程運營絕對安全。可在隧道設計及施工過程中選用高質量密封材料，對于后期安全運營可以起到安全保障作用。

3.4 處理措施建議

淺層有害氣體影響著地下工程施工、人員安全以及后期工程運營等方面，目前對于地下淺層有害氣體有效的處理措施多采用超前排氣和通風措施[21-22]，并加強現場監測。

針對本區間有害氣體壓力、流量及分布特點，可在本區間重點里程范圍進行超前排氣，排氣孔施工工藝可采用鉆孔加套管的方法來完成。排氣孔的布置主要依據前期勘察孔測得氣體壓力與濃度情況[23]，在CH4濃度大于0.5%或H2S濃度超過0.000 66%、CO濃度超過0.002 4%的勘察點以5 m為孔距，在隧道結構線左右外側3 m處布置放氣孔。福保路段第二含氣層與地鐵結構線底部基本一致，有部分區段結構線底部界線在含氣層中穿過，重點布置排放氣孔21個(圖9)。官南路段揭露的含氣層與地鐵結構線底部最小間距4 m，該區間盾構施工不會揭露含氣層，暫不考慮布置排放氣孔。

圖9 福保路段排放氣孔布置圖Fig.9 Layout of the exhaust holes in Fubao Section

此外，鑒于研究區為含瓦斯高原地區隧道施工，可采用壓入式機械通風降低隧道內有害氣體濃度[24]。區內除小型中、低壓氣囊外，土層中亦不同程度含有游離有害氣體，該部分氣體在隧道內聚集同樣存在一定危險，故需易泄漏位置進行實時監測，并給施工人員配備便攜檢測器，確保隧道施工與人員設備的安全。

4 結論

(1)昆明市軌道交通2號線二期工程福保路段與官南路段第四系泥炭質土層所含有害氣體是以甲烷為主要成分的小型、低壓淺層生物氣，甲烷最高含量占45.6%，伴生有CO、H2S等有毒氣體。

(2)福保路段揭露兩層含氣層：第一層位于結構線上方，不影響盾構施工，但在車站或其他明挖工程施工時可能揭露該含氣層；第二層與地鐵結構線底部基本一致，部分區段結構線在含氣層中穿過，存在一定危險性。官南路段揭露一層位于地鐵結構線以下的含氣層，基本不影響該區隧道間內盾構施工。

(3)研究區淺層氣屬自生自儲氣藏，缺乏區域性蓋層并遭受人類工程破壞，蓋層封蓋與保存條件較差，導致區內氣藏不均勻零散分布。本次福保路段測得孔位氣體壓力最高為0.268 MPa，官南路段最高為0.325 MPa，較低氣體壓力與流量均于表面工程破壞有關。

(4)研究區段有害氣體釋放對盾構施工、周邊建筑物和工程后期運營產生顯著影響的可能性小、影響程度低。但當含氣層位于建筑物基礎應力變形影響范圍內時，將對地基沉降產生影響，且在工程前期揭露有小型高壓氣體聚集區，不排除勘察區間或周邊存在小型高壓氣體聚集區的可能性，故建議在施工過程中要對地下有害氣體進行同步探測，對于高壓氣層采取提前排氣措施與壓入式機械通風處理。