昆明地铁5号线有害气体勘察与治理措施研究*

杨 超，蒋飞军，张良平，巩书华，许 培

（1.湖南省煤炭地质勘查院，湖南 长沙 410014；2.湖南省地质新能源勘探开发工程技术研究中心，湖南 长沙 410014；3.河南理工大学资源与环境学院，河南 焦作 454003）

近年来，在浅地层的地下空间的开发中，就出现过由浅层有害气体引起施工事故带来重大经济损失［1-3］的案列，例如广州市地铁6 号线在掘进过程中，沼气意外涌出引起爆燃事故造成2 人死亡；昆明市地铁2 号线施工中遇到富甲烷等有害气体，造成1 人死亡，2 人受伤。昆明轨道交通工程在岩土工程详勘施工钻探工程中，在怡心桥站—广福路站段（简称怡广段）的钻孔内发现有害气体喷出的现象，喷气深度约在地面以下28 m处，喷气持续时间约20 h。该有害气体可能会对地铁施工和运营产生巨大的影响和危害，因此查明有害气体的赋存和状态参数就变得尤为重要。

1 有害气体的形成

1.1 地质环境

昆明地铁5 号线的工作区位于昆明盆地内，滇池Ⅱ级阶地，属河流三角洲及湖湘沉积［4］。地形较平坦，起伏不大，总体上西北和东南较高，东北、中部盆地及西南较低。勘察深度范围内自上而下可分为第四系素填土(Q4ml)及第四系全新统冲河湖积层(Q4al+l)二个地层单元。其成岩程度极低、胶结疏松、粒间孔隙发育、孔渗性差异大，形成了良好的生储盖组合见图1。

图1 怡—广区间地质综合柱状图

1.2 有害气体的形成条件及成分

浅层有害气体的形成需要三个必要条件：丰富的有机物、相对密闭的地质环境以及地层具有一定的储藏空间［5］。松散沉积物中的有机质在厌氧菌的生物化学作用下分解发酵，伴随着一定的温度和压力等合适条件，生成了气态产物，当生成的有害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，储集在周边土层中，或自身孔隙中，形成了浅层气藏，见式（1）。

这些浅层有害气体主要为甲烷型，甲烷含量较多，并含少量氮气、一氧化碳、硫化氢、二氧化碳等其他成分。一般来说，泥炭质生气层越厚，顶板密实黏土覆盖层越厚，气量越多，气压越大。比较有代表性的区域含气地层有江汉平原湖相沉积土层、长江下游冲积土层以及云贵川地区湖相沉积土层。

2 勘查施工布置

本次有害气体勘察采用“钻孔—监测—静力探触车压置监测专用管—连续监测”法进行有害气体浓度测试、含气层顶底板埋深测定、气体压力及流量大小测定等。LYLC大型履带式静力触探设备最大压力可达28 MPa，见图2。最大探测深度可达150 m，探管内直径为26 mm［6］。钻孔采集样品在实验室内精确测定有害气体成分与含量。

图2 LYLC 大型履带式静力触探车

2.1 勘探点布置及孔深的确定

怡—广福路站隧道区间结构底板深度20～30 m。对车站工程，勘探孔进入结构底板以下15～25 m；对区间工程，勘探孔进入结构底板以下2～3 倍隧道洞径［7-8］，本次有害气体专项勘察勘探孔深度设计为40 m。

勘探点间距：以Jz-Ⅲ16- 怡广15 号孔为中点，分别向大里程和小里程方向延伸40 m，在左线、右线及左右线中间布置孔压静力触探孔，并按照10 m的间距平行线位布置。

2.2 勘探孔施工及监测

利用其对地层扰动小的特性，能较精确获取气体压力、浓度等参数，静力触探孔直径32 mm，中部空心通气，下部为花管，外包不锈钢丝滤网。在预先设置的孔位加压静力触探探头，每压入2 m综合检测一次甲烷、一氧化碳、硫化氢气压等参数，直到压入40 m。提取钻杆时，每2 m检测一次各种有害气体浓度数据及压力数据。此时全孔再压入监测用32 mm镀锌花管，将32 mm管装配阀门及压力表，形成监测系统，以便每日24 小时监测。

3 勘查结果与分析

3.1 有害气体的运移规律

通过现场勘查对各个孔的有害气体赋存及喷发情况进行统计，以前10 个孔为代表分析为例，见表1。

表1 怡—广勘察区部分有害气体埋深及喷发情况

Y2 先于Y4 孔施工，Y2 孔喷出过程中，始终以喷出纯气为主，未携带水、泥沙，故其方程拟合较好，离散点数据少，见图3。Y4 孔在施工中，携带出水及泥沙，泥沙运移过程中堵塞孔隙，故其曲线呈波状起伏，见图4。

图3 Y2 孔有害气体现场监测流量随时间变化

图4 Y4 孔有害气体现场监测流量随时间变化

在实际勘查过程中，气体涌出宏观特征上一般气、水同产，而喷出干气较少，这说明水、气并非均匀遍布于整个储集层。剖面上，一个有害气体聚集区从上至下可以分为三个带见图5，分别为富集带（干气区）、水气过渡带以及承压饱和水带。其中富集带（干气区）为一个含水少、气相连通并且压力较高的区域，此处土层孔隙大部分为压力气体所充填，气相相互连通。由于盖层厚度薄、突破压力低，气体不能大规模聚集，干气区的厚度通常极薄或者缺失；水气过渡带内孔隙气相和水相均相互连通，且水、气渗透性均较好，气体在涌出过程中携带大量泥沙及泥浆；承压饱水带中孔隙气相不再连通，赋存形态由孤立的小气泡逐步过渡到以完全溶解的形式存在于孔隙地下水中，其渗透运移方式逐步过渡为扩散方式。

图5 昆明盆地有害气体聚集区原始赋存分带特征

在怡—广区Y1～Y9 的施工过程，初期喷出孔Y2 以喷出纯干气为主，由于干气区内连通性好，在排气监测过程中，该区内气体被排放完毕。后期Y4、Y6、Y7、Y8 均在勘察过程携带泥沙、泥浆涌出，说明其处于水气过渡带中。Y2 与Y4 之间的Y3孔受Y2 孔排气影响，施工中未发现有害气体聚集，表明此处含气层连通性较好，同时表明地下水在气囊周围起水封闭作用。

3.2 有害气体的赋存规律

根据对勘测点的有害气体勘查、监测资料统计分析，掌握各个观测点之间的含气层的连通性。通过勘查发现勘察区存在3 个独立的透镜状气囊Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ，均位于结构线下方，见表2、图6。其中透镜状气囊Ⅰ测得峰值气压0.4 MPa，且距结构线最近距离仅1.1 m，勘察孔中瞬时气体涌出量最大可达1.83 m3/min，涌出量较大，故对未来工程建设影响较大。其他两个气囊离地铁结构线相对较远，对工程施工影响相对较小。

表2 有害气体储存空间特征

图6 聚集游离态有害气体分布平面

区内粉质粘土层富含有机质，其中（4）2-3、（4）1-3、（3）2-3 三套地层有机质含量平均可达15.4%、13.9%、8.8%。测试显示区内含气地层土粒之间的孔隙微小，渗透性弱，渗透系数约为0.02 m/d，从而导致含气层中的气体不能迅速向外排放，只能通过土粒间微小的孔隙逐步渗透向外排放。但由于地层同时含粉砂质，故局部区域的含气层内粗颗粒（＞0.075 mm）含量较高，在该类土体中土粒之间的孔隙度与渗透率均较大，从而导致砂质含气层中的气体能较迅速向外排放，有利于沼气的运移、补给、聚集。本处（4）2-3、（3）2-3土层相对较厚，可达10 m，内部岩性存在差异，致使其中气体自封闭于土层中，见图7、图8。本身岩性差异的自封闭作用，使其赋存特点是含气层连通性差、贮气空间较小，富气性与气压差异均较大。

图7 聚集游离态有害气体与结构线关系

图8 1-1＇ 剖面揭露有害气体分布

4 有害气体的治理措施

超前排气降低有害气体含量和浓度、使含气土层提前固结是工程中遇见浅层有害气体时最有效的施工措施［9］。本次盾构推进施工前建议在有害气体范围内布置钻孔进行超前可控预放气，从连通性考虑，左线宜在原专项勘察中间处按10 m间距布置，右线则宜使用5 m间距。孔深上，小型高压气囊储存于（3）2-3、（4）1-3、（4）2-3 中，钻孔宜钻穿（4）2-3，同时为防止（4）2-3 补给（3）2-3，故孔深以40 m为宜。

此外，需在施工过程中加强监测，改善通风条件。设计安装专用有害气体实时监测报警系统，对地铁隧道施工全过程进行安全监控，发现有害气体浓度超标立即启动应急通风系统，撤离人员，强化通风换气以确保施工安全。盾构机上必须装载瓦斯报警断电仪，当瓦斯浓度达到0.5%时必须自动报警，并切断电源，停止工作，进行处理。

5 结论

1）勘察区间有害气体是以瓦斯（甲烷）为主要成分的小型低、中压浅层生物气，伴生有CO与H2S等有毒有害气体。有害气体广泛分布于土层孔隙中，以分散的游离态存在。拟建工程隧道区间盾构施工时将在含有害气体土层中进行，未来隧道工程须按瓦斯隧道管理。

2）区内有害气体为岩性圈闭成藏，其来源既有浅部含有机质土层的生成，亦有深部散逸运移至浅部聚集。怡-广区段具压力含气层三层，其中Ⅰ、Ⅱ块气囊离地铁结构线下方较近，对工程建设影响较大。

3）建议在该区施工中采用超前排气措施，并加强监测，改善通风条件；盾构机上必须装载瓦斯报警断电仪，保障施工安全。