武汉地铁二号线汉口火车站—范湖站区间地下有害气体特征分析

徐贵来，樊永生，刘红卫

(1．湖北省地质环境总站，湖北 武汉 430034;2．武汉地质工程勘察院，湖北 武汉 430051)

0 引言

随着武汉市经济发展和现代化进程的加快，地铁建设和地下空间开发项目越来越多，在这些项目实施过程中，地下有害气体的问题突显出来，对工程建设施工、后期运营带来极大的影响。中国目前对矿山瓦斯、天然气勘探、监测、防范治理等经验较多，对浅层地下有害气体的勘探和研究不多，武汉地铁二号线汉口火车站—范湖站间盾构开工时，洞口发生不明气体燃烧、施工人员轻度中毒现象，严重影响工程进度。

本文结合有害气体勘查、抽排治理、监测结果，对汉范区间浅层地下有害气体的成因、性质、成分、埋藏特征、逸出特征与规律，以及危害的防治等进行了分析。该区段经专项勘查后，制订了完善的施工治理方案，目前左右双向隧道于2008年12月6日全线贯通。为今后同类地区浅层有害气体勘查、分析与评价提供了宝贵的经验。

1 地质环境

武汉市位于江汉平原东部，处于长江与汉江交汇处，汉口地区地貌成因形态属冲湖积平原，其形态特征可分为长江一级阶地冲积区和一级阶地湖积区。第四纪全新世以来，该区随江汉盆地一直处于缓慢下降过程之中，堆积了厚40余米的长江冲湖积物，形成了河湖相的砂土层、粘土层以及近代人工填土层的沉积层序，具明显的二元结构特征，其间经历了局部的变动旋回形成砂土交互的过渡层，近地表处则为近代人工填土、湖塘淤泥层所覆盖，区域有害气体形成的地质环境剖面图如图1。

2 有害气体形成与分布特征［1］

2．1 有害气体形成条件

地下浅层有害气体是一种生物气，其形成必须具备三个必要条件:一是丰富的有机物;二是相对密封的地质环境;三是地层具有一定的储藏空间。

该区域在全新世江汉湖群由兴盛到衰退演变的环境条件下，经历了初、早、中期古河谷充填，晚期阶地形成、萎缩和湖沼发育等过程。在这一过程中，大量的生物、有机质经过近万年的地质历史过程，沉淀堆积，随后被水和泥砂覆盖起来并与空气隔绝，在厌氧菌的作用下分解发酵，伴随着一定的温度和压力，使这些生物的残骸变成泥炭，同时产生气态产物，逐渐形成有害气体，其形成过程可用下式表示:

有机物 +厌氧细菌一定的温度、压力CH4+CO2+H2O+H2S+CO+NO2等

2．2 有害气体主要成分、性质

根据现场勘查、监测，区段浅层地下有害气体成分比较复杂，经长期监测、取样室内分析显示，有害气体成分主要有 CH4、H2S、SO2、CO 等，其中以甲烷(CH4)气体为主，占总体积的55% ～70%，是可供燃烧的主要气体，其次是CO2气体，约占总体积的30% ～40%，其他几种气体含量较少，一般不超过总体积的2%。甲烷气体CH4(Mathane)产生量与土中有机物的含量密切相关:C6H10O5+H2O=3CO2+3CH4。H2S、SO2与土中动物粪便相关。

区段所处的地质环境、岩土特征为H2S、SO2、CH4等有害气体的形成提供了必要的有利条件。

图1 地质环境剖面图Fig．1 Profile of geological environment1．杂填土;2．第四系全新统粘土;3．第四系全新统淤泥质粉质粘土;4．第四系全新统粉质粘土夹粉土、粉砂;5．第四系全新统粉砂、粉土、粉质粘土互层;6．第四系全新统粉砂。

实测有害气体的喷出速度分别一般为0．1～0．3 m/s，少数区段达0．4～1．1 m/s，流量比较均衡，气体压力0．10～0．30 MPa，一般情况下气体压力高于孔隙水压力，成孔后可以自然逸出地表。

通过监测，气体中甲烷浓度一般在1% ～5%之间，局部富集超过5%，严重超标;H2S浓度在10×10－6～15×10－6之间，超过国家规定限值;SO2浓度检测浓度为0．1 ×10－6～0．8 ×10－6，低于国家标准限定值(不得高于10×10－6);NO2浓度为0．1×10－6～2×10－6，低于国家标准限定值(不得高于10×10－6);CO浓度为15 ×10－6～24 ×10－6，局部超过 30 ×10－6，基本均达到或超过了国家规定的危险报警值。

2．3 有害气体溶存与扩散

有害气体生成后，主要以溶存于地下水中的溶存气体及存在于土颗粒空隙中的游离气体两种形式存在于土层中。

气体溶解于地下水的量，随气体所承受压力的增大而增大，随温度的上升而减小，其扩散与地层的渗水特性有关。

当生成的过饱和游离气体不可能向大气中扩散时，便不时向周围地层孔隙中运移、积聚，最终在地层的孔隙中不断积聚成扁豆体状和透镜体状大小不等的气囊，被压缩后存于砂、砂砾层上方的渗水、透气性能差的粘性土层的凹部。土中气体一般以两种形式存在:

(1)溶存气体:气体在有机质土中产生后，溶存于上面存在不透气粘土层的砂层地下水中(液相)，这种液相气体称为溶存气体。

(2)游离气体:当气体量超过溶于地下水的饱和浓度时，多出的气体存在于土颗粒的空隙中(气相)，这种土隙间气体称为游离气体。

2．4 有害气体赋存状态与分布

现场测试发现，不同地段的勘探孔，钻至同一层位的土层时，其出气量与持续时间存在着明显不同，有的勘探孔喷气强烈，气量大，持续喷发时间长，有的勘探孔则没有气体逸出。说明浅层有害气体在平面和纵向上其气压、储存以及连通性差异较大，分布不均。

根据现场实测数据、试验、监测等结果综合分析，该区段淤泥质粉质粘土中含有丰富的有机质，具备产生有害气体的物质条件，但其孔隙比小，结构封闭，渗透性差，储气量小，在该层位进行监测时，基本无气体逸出，判定为气源层;而其上部的粘性土层具备封闭功能，阻止游离气体逸出进入大气层，致使气体游离于大孔隙的土颗粒之中。

淤泥质粉质粘土之下的粉质粘土、粉土、粉砂互夹层(粘性土与砂土的过渡层)，层间既夹有含有机质的淤泥质土，亦有孔隙比较大、渗透性较强的砂土，两者交互沉积，单层厚约0．20～1．00 m之间;该组合结构淤泥质土产生有害气体，砂土储存气体，当监测管进入该层位后，气体浓度急剧上升，压力也随之增加，有的甚至在管口可点燃，充分说明过渡层既为气源层，亦为主要储气层。

图2 有害气体平面分布示意图Fig．2 Schematic diagram of horizontal distribution of harmful gas

过渡层以下的砂土层结构较均匀，砂质较纯，孔隙比较大，渗透性较强，其中产生的有害气体易扩散，向上运移后存于砂、砂砾层上方的渗水、透气性能差的粘性土层的凹部;经过现场实测、分析认为砂土层除顶部存在薄层的游离气体积聚区外，总体储存气体量较小，不具备形成储气层的条件。

依据有害气体形成的基本条件和现场监测资料，综合分析该区段浅层有害气体主要生成于粘性土层之下淤泥质土层之中，而主要储藏于砂土过渡带的粉质粘土、粉土、粉砂互夹层之中，即气源层为淤泥质土层，主要储气层为粉质粘土、粉土、粉砂互夹层，且有害气体浓度、压力变化大小不一，一般呈不连续状态储存于土颗粒空隙间。依据测试压力大小，在平面上可划分为两个压力区段(图2)，即大于孔隙气压力区段(Ⅰ区)和小于孔隙气压力区段(Ⅱ区)。

3 有害气体储藏与逸出特征［2］

3．1 有害气体储藏特征

区段浅层有害气体主要成分为甲烷，具有可溶性，相对比较轻，一般成两种状态(液相、气相)储存于砂土过渡带层位，气相的游离气体多成独立的鸡窝状分布，而液相的溶存气体层间联系比较密切，受外界环境影响发生变化的特征明显。在环境不发生任何改变情况下，不会自然逸出，不易监测，当受到外力扰动，气体的溶存饱和度下降，部分溶存气体从地下水中游离出来，与土颗粒间游离气体(气相状态)共同成为逸出气体，对地下工程施工形成不利影响。

3．2 有害气体逸出特征与规律

根据沿线有害气体勘查、监测资料分析，砂土过渡层为浅层有害气体主要储气层，浅层有害气体呈交互状的扁豆体以及透镜体状出现，且各孔位周边地层的气压、储量以及相连通的气层范围差异较大，分布极不均匀。其主要原因是气相在土体中的赋存状态不同所致，一般勘查孔中气体浓度在自然条件下多数呈逐渐降低的趋势(图3)，单孔气体浓度初期异常高、随着气体的不断逸出而逐渐趋于稳定，甚至难以检测，说明储气层总体联通比较差，在土、水压力自然平衡状态下能维持相对平衡，一般不易自由逸出。

图3 静力触探孔甲烷浓度检测曲线图Fig．3 Curve of methane concentration of static sounding hole

自然状态下，浅层有害气体维持相对平衡，不会自由逸出。当人类工程活动对储气层予以扰动，打破了原有的自然平衡状态，孔隙水压力降低时，会使部分溶存气体、游离气体逐渐逸出而影响地下工程的顺利进行;特别是大量抽降地下水，将会导致局部聚集，压力急剧上升、浓度超标，如图3监测所示。

从图4浓度曲线分析可知:地下水基本处于同一标高线，主要储气层(砂土过渡层)处在水位线以上时，①抽排初期，有害气体浓度、压力高、曲线波动大，执行24 h不间断抽排，有害气体浓度、压力急剧下降，逐渐处于稳定，说明降水降低了孔隙水压力，导致有害气体饱和度降低，从游离气体、溶存气体不断逸出，一般抽排72 h后，气体浓度、压力降低，曲线又逐渐处于平缓，说明汉口地区有害气体储气层总体联通性较差，局部进行不间断抽排，基本可降低区域段有害气体浓度，达到国家安全范围值;② 从降水井曲线直观看出，地下有害气体的运移与地下水的流动、孔隙水压力关系密切，初期浓度高、曲线变化大，停止后井口及周边各检测点气体浓度明显下降，说明在降水井不断抽水的作用下，周边游离气体随地下水移动聚集于降水井附近，同时水中溶存气体也因压力和温度的变化而逸出转化为游离气体，导致孔井附近气体不断聚集，浓度越来越高;降水井停抽后，此过程被终止，气体浓度则因储气层本身的联通性较差，周边气体补充较慢而逐渐挥发而降低。

图4 降水井及抽排井甲烷浓度测试曲线图Fig．4 Curve of methane concentration of dewatering well and pump drainage well

4 有害气体对地铁施工的危害及应控措施

中国属浅层天然气分布较广的地区，其中东南沿海和长江、珠江、闽江水系的江河两岸及河口共计近30万km2的区域有浅层天然气分布;浅层天然气埋藏浅(通常＜100 m)，是一种典型的生物成因气。近年来，随着中国基础设施建设的快速发展，特别是东南沿海和长江中下游经济的迅猛增长，许多地区在非油气开采的工程建设过程中，由于事先估计不足或采取的防治措施不当，都遇到过浅层沼气引发的地质灾害问题。

武汉汉口地区，长江一级阶地冲湖积平原区，基本具备形成浅层有害气体的自然环境，大量的勘测资料表明，砂土过渡层为本地区主要储气层，具备低压浅层天然气田的特点，而地铁施工基本处在该层位带。

地铁盾构施工一般采取土水或土体平衡法施工，一般不宜扰动岩土层，但为保证盾构机能顺利进、出洞口，在地铁盾构端头进洞段及出洞段，必须先人工破除洞门，对端头采取降水措施，破坏了原有的土、水压力的自然平衡状态，根据有害气体的溶存、赋存特征，抽降地下水，将引起端头有害气体的聚集，导致洞门附近区域有害气体浓度、压力剧增，严重影响盾构的顺利掘进。依据工程实践，结合有害气体分布特征、逸出特征与规律以及其联通性等，为减少其对地铁施工的不利影响，可以在盾构端头布置一定数量抽排井(降水排气)，对盾构端头区域段有害气体予以人工抽排，初期浓度比较高，因气体补给范围有限，随着时间推移，有害气体浓度、压力将逐渐降低，待达到国家安全范围后，即可开始掘进，待盾构顺利进入一定长度，基本达到水土或土体平衡后，终止抽排，加强监测即可。

盾构端头区域对有害气体实施了人工气体释放，地下土层不可避免会因气体释放而产生一定的空洞，进而引起地层沉降，对地表构(建)筑及隧道造成影响，针对此种情况，结合相关工程实践经验提出应对的控制措施。

(1)由于地层中气体释放后，可能会造成土层失陷，造成地面构(建)筑物沉降位移或者使已建好的隧道产生位移、断裂等灾害。所以在有害气体释放过程中，需加强地面沉降以及隧道位移、沉降、收敛监测，针对监测情况，及时采取隧道内二次注浆、地表插管注浆等针对性地层加固措施，并根据监测数据反馈，适当调整注浆参数。

(2)严格控制同步注浆量和浆液质量，通过同步注浆及时填充盾尾管片与土体间的建筑空隙，减少盾尾通过后隧道外周围形成的建筑空隙，减小地层沉降。要合理控制注浆压力，尽量做到填充而不是劈裂。注浆压力过大，管片外的土层将被浆液扰动而造成较大的沉降，易造成跑浆;注浆压力过小，填充速度慢，填充不足，也会使变形过大。注浆压力应控制在1．1～1．2倍的静止土压力值。

5 结语

武汉地区浅层有害气体的勘测、分析目前处于起步阶段，有待进一步的深入实践，不断总结分析，为城市地下空间的合理利用提供更有力的技术支撑。

［1］ 樊永生，刘红卫，等．武汉市轨道交通二号线一期工程汉口火车站—范湖站区间地下有害气体勘察报告［R］．武汉:武汉地质工程勘察院，2008．

［2］ 樊永生，刘红卫，等．武汉市轨道交通二号线一期工程范汉区间地下有害气体范湖站地面抽排试验段—抽排成果报告［R］．武汉:武汉地质工程勘察院，2008．