劉棟 牟浩然 湯國毅

摘要：有害氣體的存在給盾構(gòu)施工帶來巨大的安全隱患，嚴(yán)重威脅工程質(zhì)量及施工人員生命安全。通過“JL269系列可燃?xì)怏w檢漏儀”進(jìn)行初判，利用靜力觸探改良設(shè)備，通過鉆探對豎井區(qū)域進(jìn)行有害氣體專項(xiàng)勘察。查明其成因、分布、類型、濃度等狀況，確定有害氣體的運(yùn)移規(guī)律，并為盾構(gòu)施工提供指導(dǎo)性的建議，確保順利施工。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)施工;有害氣體初判;專項(xiàng)勘察;鉆探;靜力觸探

中圖分類號(hào)：X831 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2020）10-0-04

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.10.146

Abstract：The existence of harmful gases brings huge potential safety hazard to shield construction，Serious threat to project quality and life safety of construction personnel. ?Preliminary judgment is made through jl269 series combustible gas leak detectors，Special survey of harmful gases in shaft area through drilling by using static sounding improvement equipment.Find out the causes， distribution types， concentrations，etc.Determine the migration law of harmful gases，And provide guiding suggestions for shield construction，ensure smooth construction.

Key words：Shield construction;Preliminary judgment of harmful gas;Special investigation;Drilling;Static penetration test

1 概述

2014年5月21日，中國石油與俄羅斯天然氣公司簽署了《中俄東線天然氣購銷合同》。此合同的簽訂將有效提升國內(nèi)清潔能源的供應(yīng)，對環(huán)境保護(hù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。中俄東線天然氣管道工程境內(nèi)段自黑龍江至上海，途徑9省。其中長江穿越采用盾構(gòu)隧道的方式穿越，穿越位置位于海門市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)與常熟經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)之間。

長江穿越南岸豎井為接收豎井，內(nèi)徑16m的圓形，位于常熟市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)姚家灘村。在豎井進(jìn)行勘察施工過程中，發(fā)現(xiàn)有不明氣體溢出，通過查閱資料以及分析論證，結(jié)合豎井的區(qū)域地質(zhì)條件，初步認(rèn)定為沼氣，隨后開展有害氣體的初判及專項(xiàng)勘察。

2 有害氣體的形成

2.1 豎井區(qū)域地質(zhì)條件

勘察區(qū)位于長江三角洲平原近前緣地帶，主要地層為第四系沖～海積地層，包括黏性土、粉土、砂土以及淤泥質(zhì)土等地層。第四系底部厚約50m，為淺灰泥質(zhì)粉砂層及砂質(zhì)黏土層，中部厚約50～70m，為灰色泥質(zhì)粉砂層，上部厚約70～110m，為淺灰色砂礫巖層。全新世以來，三角洲以每年平均40m的速度向海伸展，這有利于有機(jī)質(zhì)快速堆積和埋藏，為長江三角洲淺層天然氣的生產(chǎn)提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。

根據(jù)鉆探揭露、原位測試、室內(nèi)試驗(yàn)成果綜合分析，南岸豎井勘察區(qū)內(nèi)地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)河流相沖積地層（Q4al）及上更新統(tǒng)河流相沉積地層（Q3al），勘探深度內(nèi)自上而下可劃分為5個(gè)主要工程地層和6個(gè)亞層，場地各地層特征如表1所示。

2.2 有害氣體的形成條件

有害氣體是指土層中的有機(jī)質(zhì)在厭氧微生物的作用下，然后通過一定的溫度和壓力，產(chǎn)生氣態(tài)產(chǎn)物。此氣態(tài)產(chǎn)物主要以甲烷為主，也叫淺層生物氣，約占全球天然氣含量的20%，具體如下式所示：

沉積物有機(jī)質(zhì)+厭氧微生物 一定的溫度和壓力 CH4+CO2+H2O

有害氣體形成應(yīng)具備以下三個(gè)條件：（1）具有富含有機(jī)物的地層，即生氣層。（2）能夠儲(chǔ)存氣體的地層，即儲(chǔ)氣層，一般為孔隙比較大的粉土層或砂層。（3）具有一定厚度并且能夠封蓋氣體的地層，即蓋層。一般為具有一定厚度的淤泥質(zhì)土或黏性土層，淤泥質(zhì)土同時(shí)具備生氣條件，為生氣層，在厚度較大的情況下亦為蓋層。

3 有害氣體勘察

3.1 安全防護(hù)措施

有害氣體具有易燃、易爆、易中毒的特性，若在勘察施工過程中不引起足夠重視，極易帶來損失乃至威脅生命安全。因此，在盾構(gòu)施工過程中必須采取相應(yīng)的安全措施。（1）增強(qiáng)宣貫力度，提高安全防范意識(shí)。施工前，組織項(xiàng)目參與人員進(jìn)行安全技術(shù)交底。（2）施工過程中嚴(yán)禁吸煙、嚴(yán)禁明火出現(xiàn)。（3）保證施工現(xiàn)場通風(fēng)條件良好。（4）把相關(guān)安全管理規(guī)定落到實(shí)處。遵循“安全第一，預(yù)防為主”的原則，施工現(xiàn)場配備安全員，實(shí)時(shí)監(jiān)督。（5）操作規(guī)范，保證零事故。技術(shù)員在現(xiàn)場進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)。（6）安全規(guī)范使用柴油，柴油桶與儲(chǔ)氣裝置之間保持25m以上安全距離。

3.2 初判及成果

根據(jù)勘察區(qū)的工程地質(zhì)條件并結(jié)合鄰區(qū)類似項(xiàng)目的勘察結(jié)果，對本勘察區(qū)可能遇到的有害氣體進(jìn)行了初判，并確定在鉆探過程中全線采用“JL269系列可燃?xì)怏w檢漏儀”（圖1所示），對所有鉆孔進(jìn)行初判，采用每個(gè)回次進(jìn)行檢測的方法，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有害氣體后再進(jìn)行專項(xiàng)勘察。

對全部鉆探孔的每一個(gè)回次都進(jìn)行有害氣體的初判，初判結(jié)果如表2所示。當(dāng)儀器報(bào)警后再進(jìn)行有害氣體復(fù)判，即有害氣體專項(xiàng)勘察。

3.3 專項(xiàng)勘察

3.3.1 測試孔布置

部署方案宜充分利用鉆探詳勘資料，在勘察區(qū)域內(nèi)，有害氣體勘探孔應(yīng)最大程度遍布勘察區(qū)范圍，并與勘探鉆孔錯(cuò)開。考慮勘察區(qū)區(qū)域地質(zhì)條件以及有害氣體形成原因，其氣囊范圍的非連續(xù)性、非連貫性，布置有害氣體勘探孔8個(gè)，相鄰勘探孔間距小于10m。鉆探孔及有害氣體勘探孔部署情況如圖2所示。

3.3.2 有害氣體探測設(shè)備

針對本次勘察項(xiàng)目的特點(diǎn)，采用的探測設(shè)備由靜力觸探設(shè)備改裝而成，其原理如圖3所示。通過查閱文獻(xiàn)，此改裝后的設(shè)備在一些城市的地鐵及城市地下工程施工過程中均有很好的應(yīng)用效果，得到了廣泛的認(rèn)可。此裝置探桿是中空的，探頭為鑿空的氣體探頭，探桿上部通過橡膠軟管連接過濾罐，過濾罐內(nèi)注有一定量的水，可以過濾有害氣體夾帶的泥漿。過濾罐頂端設(shè)置放氣閥，放氣閥與氣壓表及流量表相連，以探明含氣土層的頂?shù)装迓裆罴皻怏w壓力和流量等相關(guān)參數(shù)。經(jīng)放氣閥排出的有害氣體進(jìn)行點(diǎn)火燃燒，以免污染大氣環(huán)境（圖4）。并且收集有害氣體樣本進(jìn)行專業(yè)分析，記錄氣體的排放情況，并繪制觀測曲線，得到有害氣體的大致分布情況。

3.3.3 有害氣體探測施工流程

有害氣體專項(xiàng)勘察施工現(xiàn)場如圖5所示，其探測施工的具體流程如下：（1）將鉆桿壓入地下，用“JL269系列可燃?xì)怏w檢漏儀”檢測是否有氣體;（2）若存在有害氣體，記錄有害氣體溢出的初始深度Ha，然后持續(xù)下壓鉆桿，直至無氣體溢出，記錄其終止深度Hb;（3）鉆桿壓至不再有氣體溢出后，開始上拔，至（Ha+Hb）/2深度處停止，以該深度作為觀測深度;（4）打開閥1和閥4，關(guān)閉閥2、閥3。靜置5min后觀察并記錄氣壓表的初始讀數(shù)P0;（5）打開閥3，開始放氣，記錄流量表初始讀數(shù)K0;（6）每隔30 min記錄一次氣壓表和流量表讀數(shù)，直至氣壓表讀數(shù)小于等于0.04MPa為止，試驗(yàn)結(jié)束。勘察過程中的廢氣經(jīng)過濾罐的噴嘴點(diǎn)火燃燒，以免污染大氣環(huán)境。

3.3.4 有害氣體成分

采用雙閥鋁箔采樣袋對GAS-5、GAS-6、GAS-7號(hào)孔的第一和第二層有害氣體進(jìn)行收集，并委托上海微譜檢測技術(shù)有限公司進(jìn)行專業(yè)檢測，檢測結(jié)果如表3所示。

通過專業(yè)檢測可以發(fā)現(xiàn)，這些淺層有害氣體主要為甲烷型，甲烷含量最多，比例占到79%～91%，其次是氮?dú)?，并含少量的氧氣、二氧化碳等其他成分?/p>

3.4 勘察結(jié)果分析

有害氣體勘察結(jié)果如表4所示。

以GAS-6號(hào)孔和GAS-8號(hào)孔為例，繪制單孔觀測曲線進(jìn)行分析，包括氣體流量和氣體總量隨時(shí)間的變化，以及氣體流量和氣壓隨觀測時(shí)間的變化。GAS-6號(hào)孔氣體流量、總量及氣壓的變化曲線如圖6和7所示，GAS-8號(hào)孔氣體流量、總量及氣壓的變化曲線如圖8和9所示。從變化曲線可以看出，在有害氣體排出的過程中，氣體瞬時(shí)流量先升高，然后大約4h后開始下降，下降趨勢近似呈線性關(guān)系。氣體總量持續(xù)升高，最后趨于穩(wěn)定。氣壓總體上呈下降趨勢，整體也呈近似線性關(guān)系。一般排氣1h后氣壓明顯下降。當(dāng)氣體壓力小于等于0.04MPa時(shí)，需耗時(shí)10h以上。

4 有害氣體運(yùn)移與成藏分析

綜合勘察區(qū)地層及勘察成果，南岸豎井區(qū)域共發(fā)現(xiàn)2個(gè)氣層，有害氣體主要呈囊狀分布于粉土或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中，而且規(guī)律性較差。具體分析結(jié)果如下：第一個(gè)氣層位于13～15m的深度。豎井鉆孔所揭示的地層顯示，0～25m主要為粉土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，其中GAS-1號(hào)孔14m深度、GAS-5號(hào)孔14m深度、GAS-6號(hào)孔14m深度、GAS-7號(hào)孔14m深度以及GAS-8號(hào)孔14m深度的地層都為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，含有豐富的有機(jī)質(zhì)，為有害氣體的生成提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，根據(jù)土工試驗(yàn)成果，0～25m地層中土樣的孔隙比很小，無法形成有效的氣體運(yùn)移通道，故推斷此層氣為自生自儲(chǔ)型，根據(jù)勘察結(jié)果，此氣層的氣量較大。第二個(gè)氣層位于28～32m的深度，根據(jù)豎井鉆孔勘察揭示，該深度范圍為粉砂，其中GAS-1號(hào)孔28m深度、GAS-6號(hào)孔28m深度、GAS-7號(hào)孔26m深度、GAS-8號(hào)孔32m深度的地層都為粉細(xì)砂。粉細(xì)砂土層的孔隙度較大，氣體有較好的運(yùn)移條件。由于靜探和豎井鉆孔的深度有限，第二層氣體以下的深度未鉆遇到有機(jī)質(zhì)含量豐富的地層。此外，勘察區(qū)域不存在流體封存箱，無法形成異常壓力，故第一層烴源層生成的氣體無法向下運(yùn)移，因此，推斷第二層氣體為“古生新儲(chǔ)”型，并且該層氣體的烴源層位于鉆孔深度以下的位置。根據(jù)勘察結(jié)果，此氣層的氣量很小。根據(jù)勘察區(qū)相關(guān)地質(zhì)資料以及沉積地層的條件，推斷南岸豎井區(qū)域第三個(gè)氣層位于60～80m的深度，而且此氣層為生氣層。由于靜探鉆孔的深度有限，本次勘察未鉆遇到此氣層。推斷此氣層的氣體沿著運(yùn)移通道向上運(yùn)移，并儲(chǔ)集在30m左右埋深的砂層中。

5 有害氣體平面展布分析

綜合勘察結(jié)果，對勘察區(qū)有害氣體進(jìn)行橫向分析，分別推斷出第一層和第二層有害氣體的平面分布情況，如圖10和圖11所示。其中紅色區(qū)域表示有害氣體高富集區(qū)，黃色區(qū)域表示有害氣體低分布區(qū)。

綜合第一層和第二層有害氣體的分布，得到南岸豎井勘察區(qū)有害氣體的平面展布情況，如圖12 所示。

6 結(jié)論

通過本次有害氣體勘察可以得到如下結(jié)論：（1）有害氣體主要分布于粉土或淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中，呈囊狀且規(guī)律性較差。在有害氣體排出的過程中，瞬時(shí)流量和氣體氣壓總體上都呈下降趨勢，且大致呈線性關(guān)系。（2）有害氣體為甲烷型，甲烷含量最多，其次是氮?dú)?，并含少量氧氣、二氧化碳等。?）本次勘察過程中共發(fā)現(xiàn)2個(gè)氣層，第一個(gè)氣層位于13～15m的深度，此氣層為“自生自儲(chǔ)”型且氣量較大。第二個(gè)氣層位于28～32m的深度，此氣層為“古生新儲(chǔ)”型且氣量很小。

7 建議

有害氣體的存在會(huì)給盾構(gòu)施工帶來巨大的安全隱患，通過以上分析，主要有以下幾點(diǎn)建議：（1）盾構(gòu)施工前，布置相應(yīng)鉆孔進(jìn)行預(yù)放氣。有害氣體排放過程中要注意環(huán)保，充分燃燒后再排放。（2）施工時(shí)嚴(yán)格遵守安全規(guī)則，嚴(yán)禁吸煙與明火出現(xiàn)，并配備足夠的滅火設(shè)施。（3）設(shè)立專職檢測人員加強(qiáng)有害氣體的檢測。（4）保證施工現(xiàn)場通風(fēng)條件良好。

參考文獻(xiàn)

[1] GB 50021-2001.巖土工程勘察規(guī)范（2009年版）[S].

[2]GB50307-2012.城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范[S].

[3]GB 50585-2010.巖土工程勘察安全規(guī)范[S].

[4]TB10027-2012.鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程[S].

[5]DGJ32TJ208-2016.江蘇省巖土工程勘察規(guī)范[S].

[6]張夢欣，孫連捷.安全科學(xué)技術(shù)百科全書[M].北京：中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2003.

[7]淮南-南京-上海1000千伏交流特高壓輸變電工程蘇通GIL管廊工程巖土工程勘察報(bào)告[R].

[8]汪增輝，黃偉，麻鵬遠(yuǎn).某地鐵工程地下有害氣體勘察研究[J].巖土工程技術(shù)，2013，27（4）：208-212.

[9]楊緯卿.昆明地鐵工程隧道區(qū)間有害氣體勘察[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2015（036）：2575-2576.

[10]彭興文，李啟航，田利民.武漢地鐵線地下工程有害氣體勘察與防治技術(shù)研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2013，39（004）：37-39.

[11]余泰敏，劉紅衛(wèi)，喻理傳.武漢地區(qū)城市地下工程施工有害氣體勘察技術(shù)與方法[J].資源環(huán)境與工程，2013（03）：309-313.

[12]楊緯卿.有害氣體對地鐵隧道區(qū)間的影響及處理措施[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2016（002）：766+764.

[13]潘海洋，盾構(gòu)穿越有害氣體層方案設(shè)計(jì)[J].建筑機(jī)械化，2012（S2）：201-204.

[14]荀亮亮.淺談杭州地鐵下沙東站有害氣體處理[J].山西建筑，2009，35（30）：119-120.

收稿日期：2020-08-05

作者簡介：劉棟（1988-），男，本科學(xué)歷，學(xué)士學(xué)位，工程師（水工環(huán)），研究方向?yàn)楣I(yè)與民用建筑、軌道交通、公路、鐵路、長輸管道巖土工程勘察、水文地質(zhì)勘察。