2、毛海和、杭州软土含浅层有害气体地层中修建地铁工程的综合专项技术

P1
二、含气地层勘察专项技术
3、气体压力的测定 用静压设备把探杆（探杆中部通气）压入 土层预定深度后，接三通设备，将阀门1关闭， 阀门2打开，然后逐渐上拔，待喷气口匀速喷 出气体时再将阀门2关闭，打开阀门1，气体首 先通过沉淀池将泥砂沉淀，然后可直接从压力 表读取压力值。 4、气体流量的测定 用橡胶管连接LZB-25型玻璃转子流量计和沉淀 池，连接完毕打开各个阀门，用流量计下方的 节流阀调节通过的气流速度，当流量计的浮子 保持稳定时读取流量计数值，如图所示。
杭州所处地理位置
封盖层
淤泥盖 淤泥质粘土
储集层
储气砂层 粉细砂层
中砂层 中砂层
一、杭州浅层有害气体分布概括及特征
气体组分与土层特点
滨康路站地下气体成分百分含量 孔号 C9 C15 C17 C30 C37 气样号 1# 2# 3# 4# 5# 6# 7# 甲烷/% 94.14 93.91 92.73 95.90 93.16 93.87 94.05 氮气/% 41.59 1.54 1.47 1.34 1.71
三、含气地层基坑及结构设计施工对策
3、沼气试验及检测技术 为了确保土方开挖安全，防范沼 气危害，对基坑内沼气浓度进行 监测，对沼气进行信息化动态控 制，针对不同点的监测值，采取 不同控制技术。 4、沼气地层连续墙施工技术 在高压沼气层区域，施工地下连 续墙之前，做试验槽.找出应对 高压沼气对连续墙挖槽施工影响 方法，避免出现塌槽等问题 5、沼气地层土方开挖技术 为保证在连续墙施工过程中安全 进行，研究出采用地面抽排沼气 技术，针对软土地层地下水渗透 系数小，研究出使用真空管井施 工技术，提高了降水速度和降水 效果。
（4）施工阶段的防治对策
如果工程勘探阶段对含气层位置、范围、气压力大小评估准确，施工准备阶段处理得 当，施工时遇到的有害气体危害的几率就会降低。但是，由于勘查工作不可能勘探到所 有的有害气体，加上对有害气体问题处理方法不成熟，地铁施工时仍然有可能遇到高压 有害气体。因施工期的灾害表现形式多样，防治措施多种多样，施工单位应根据施工阶 段分析会遇到的有害气体影响问题，并制定相关的技术措施、组织措施和管理措施予以 应对。 对于地铁站和中间风井等采取明挖施工的构筑物，若在施工前发现地层中存在有害 气体，为预防有害气体对施工及后期运营的危害，最可靠和简捷的方法就是将影响范围 内的有害气体采取有效措施隔断或排放。如果地铁站和中间风井的抗浮桩等结构距含气 层的顶板埋深小于3m，可采用加深维护结构的深度至含气层的底板以下，以隔断基坑内 外的气体联系，并在基坑内有控放气。这样，当基坑底部出现有害气体逸出时，基坑外 围的补给量会大大减少，对有效防止因有害气体涌出所造成的危害十分有利；而对于基 坑维护结构外围的有害气体，应该慎重对待，其外围的有害气体只要不对构筑物的施工 造成影响，就不一定要在外围排气，因为放气会对周边环境造成不同程度的危害。
二、含气地层勘察专项技术
阀门2
1、气源层及储气层的确定
压力表
阀门1
沉淀池
生气土层必须具备的条件是含有较多的 有机质含量，且上层土层（或自身土层）必 须具有封闭能力；储气层必须是空隙比较大， 渗透性较强的土层 2、含气层顶板底板埋深及厚度的确定
过滤网 阀门3 探头
压力表
P3
P2 ?
P1=P2+P3
首先用静压设备将探杆压入至地面以下预定 孔深处，然后慢慢将探杆向上提起（探头甩 入土中），查看是否有气体溢出，若发现有 气体溢出时，则该处的深度即为含气层底板 埋深，并且让气体充分喷发。继续上拔（间 隔1m拔一次），为了防止泥土堵住探杆端头 部，用空气压缩机向探杆内压入0.7MPa压力 的空气，三分钟后关闭空压机，若无气体迹 象，此深度可确定为含气层顶板埋深。
五、有害气体的危害性及防治技术
灾害模式与防治对策
储气砂地层对地铁施工期的影响
压力气体的释放对土层扰动的影响；
对地铁站及风井基坑底板开挖稳定性影响；
对盾构区间隧道施工的影响； 不均匀沉降影响地铁运行速度和安全；
储气砂地层对地铁运营期的影响
气体溢出，进入地铁站及隧道，造成安全隐患；
不均匀沉降导致隧道管片裂缝或接头渗水、渗气；
二、含气地层勘察专项技术
含气地层专项勘察内容
1、查明地铁沿线含有害气体土层的顶、底板的埋深，厚度、分布 范围等与地铁设计直接相关的基础信息； 2、 了解有害气体的组分和基本物理化学特性；
3、确定有害气体的压力大小；
4、掌握有控放气时气体压力随时间的变化规律； 5、掌握有控放气时气体流量随时间的变化规律。
工程背景
喷气、喷水、涌砂现象
喷出气体燃烧
钱塘江江底隧道区段
1、喷出气体压力较高、易燃； 2、地铁沿线分布较广，工程难以回避，亟待解决； 3、地铁建设中没有成熟的经验和规范可循； 4、含浅层气土层特性及对工程的影响认识不足。
一、杭州浅层有害气体分布概括及特征
地质成因与气藏特征
杭州在第四纪的几次海侵、海退中， 交替沉积了数套富含有机质的淤泥层和砂 层，淤泥质中的有机质经厌氧菌的生物化 学作用，产生生物气（主要是甲烷）。经 过运移、富集，储集在附近的砂层透镜体， 分布面积较大，沿古河谷呈透镜状，串珠 状分布，形成了许多超浅层气藏。 杭州地铁1号线在湘湖-滨康站、滨康西兴站、滨江站-富春路站区间、九堡站、 金沙湖、高沙路站等均有浅层气体，气体 储存在淤泥质粉质粘土夹粉细砂及下伏的 中砂土层中，含气层顶板距离地表15-35m， 气压较大，最大可达450KPa。局部气量充 沛，空间分布不均匀。
LZB-25型玻璃转子流量计
三、含气地层基坑及结构设计施工对策
1、含气地层基坑计算假定 针对含沼气的三相非饱和的不利 因素，围护结构计算时土体的强 度指标分别如下折减：淤泥质粘 土折减为峰值的50%，砂土粉土 折减为峰值70%。 2、排气为主、隔气与排气结合 的设计施工措施 在车站结构设计中提出了对地下 高压沼气采取排气与隔气相结合 的设计思路，在结构底板下部设 置滤气层，与在地下连续墙内预 埋的排气管形成沼气排放系统， 同时采用结构取消诱导缝等封堵 措施预防沼气渗漏。
小结
1、杭州处于中北亚热带过渡区，位于杭嘉平原和萧绍平原，太湖下切河谷和钱 塘江下切河谷地带。特殊的地理位置和气候条件，使得地质历史以来形成了 许多超浅层生物气藏，深度仅为几十米至百余米的第四系浅层天然气藏广泛 分布于该地区。属典型的生物成因气，气体成分以甲烷为主，既具有海相成 因，又具有陆相成因特征。 2、厚度较大的海相淤泥层具有双重作用，即是主要气源层又是良好的封盖层， 河漫滩相为主的砂层和贝壳层系气体的主要储集层。气藏埋深较浅，一般为 25～55m；厚度不等，顶板埋深一般在地面以下25～28m，底板埋深多在35 ～55m左右；气藏原始剩余压力约为0.12～0.46MPa，属常压力气藏；储集 层砂土颗粒分选好且分布均匀，孔隙率一般为35%～36%，最高可达40%以 上。单个气藏面积不大，平面上错叠连片，呈大小不等的交叠层状贝壳层扁 豆体、条带状透镜体和薄层砂与粘土互层出现。 3、淤泥质土中富含丰富的有机质，经过漫长的地质历史过程产生浅层生物气， 气体经过溶解、吸附、扩散后形成游离气体，再经过运移至砂层聚集成藏。 储气层砂土沿深度由干变湿，由不饱和至饱和，气体赋存状态具有明显的分 带性。
杭州地铁含有害气体土层特性与灾害防治技术研究
杭州软土含浅层有害气体地层中 修建地铁工程的综合专项技术
2014 年10 月
汇报内容
1
杭州地铁浅层有害气体分布概括及特征
2 含气地层勘察技术 3 4 5
含气地层基坑及结构设计对策
地铁隧道的渗水渗气量分析与对策 有害气体的危害性及防治技术
一、杭州浅层有害气体分布概括及特征
有压气 孔隙 水
气水界面
C43
C50 C55 C60
4.5
3.9 6.3 6.1
1.57
1.87 0.97 1.09
8#
9#
92.6
92.73
主要特点是：气相封闭,与大气隔绝,气压较高, 成分90%以上为CH4，在工程建设中多表现为卸荷、 气压降或基质吸力下降为主要特征。
储气砂土
一、杭州浅层有害气体分布概括及特征
0.008 0.016 0.024 0.032 0.04
是否满 足设计 要求 满足 满足 满足 满足 满足
四、地铁隧道的渗水渗气量分析与对策
隧道渗气量计算 参考标准： (1)
气藏绝对压 力值 （kPa） 管片混凝土渗 气系数 （cm/s）
《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB10120-2002 ）
1/3隧道埋入压力气藏工 况下，3小时不通风，隧 道内甲烷浓度与安全浓度 对比 全断面计 算 0%＜0.5% 0.0015% ＜0.5% 0.0039% ＜0.5% 0.007%＜ 0.5% 0.011%＜ 0.5% 内拱下 50cm 0%＜0.5% 0.034%＜ 0.5% 0.087%＜ 0.5% 0.156%＜ 0.5% 0.23%＜ 0.5% 1/2隧道埋入压力气藏工况 下，3小时不通风，隧道内 甲烷浓度与安全浓度要求 对比 全断面计算 0%＜0.5% 0.003%＜ 0.5% 0.0078%＜ 0.5% 0.014%＜ 0.5% 0.021%＜ 0.5% 内拱下 50cm 0%＜0.5% 0.067%＜ 0.5% 0.17%＜ 0.5% 0.308%＜ 0.5% 0.46%＜ 0.5% 隧道全部埋入压力气藏工况 下，3小时不通风，隧道内甲 烷浓度与安全浓度要求对比 全断面计算 0%＜0.5% 0.006%＜ 0.5% 0.016%＜ 0.5% 0.028%＜ 0.5% 0.042%＜ 0.5% 内拱下50cm 0%＜0.5% 0.133%＜ 0.5% 0.345%＜ 0.5% 0.617%> 0.5% 0.93%﹥0.5%
储气砂地层对地铁工程灾害的防治对策
（1）勘探阶段的防治； （2）施工前准备阶段的防治； （3）设计阶段的防治；
应采用能够控制有压气体喷发的勘探设备， 禁止出现长时间的无控气体释放； 气体释放在有控的条件下进行； 加深围护结构隔气、设计排气口、地基改良等；
五、有害气体的危害性及防治技术
灾害模式与防治对策
100 200 300 400 500
1.13×10-11 1.13×10-11 1.13×10-11 1.13×10-11 1.13×10-11
四、地铁隧道的渗水渗气量分析与对策
隧道渗水渗气量总结
1、管片选用S10的防水混凝土，在严格保证施工质量的前提下能够满足 规范和设计对渗水的限定要求。 2、完全干燥状态下隧道的混凝土管片，渗气系数在1.13×10-10cm/s和 1.13×10-11cm/s量级时，按3小时不通风考虑，各计算工况中，按照全断 面计算出的隧道内甲烷浓度均不超过0.5%。但按照甲烷聚集于隧道内拱 下50cm空间来计算甲烷浓度时会得出不同的结果。砼管片渗气系数在 1.13×10-10cm/s量级时，气藏绝对压力达200kPa时，得出的甲烷浓度出 现超限问题；而当砼管片渗气系数在1.13×10-11cm/s的量级时，大部分 工况满足安全浓度要求，只在隧道全断面埋入气藏，且气藏绝对压力达 400kPa时，甲烷浓度才会出现超限问题。 3、当隧道管片不能满足抗渗透要求时，通过提高管片外防水涂层和注浆体 的抗渗性可以弥补不足。降低涂层或注浆体渗透系数的量级比增加其厚 度更能改善抗渗性。涂层及管片外注浆体的渗透系数应小于10-11cm/s。
1/3隧道被压力 水浸没条件下 每米隧道一昼 夜渗透量(L)
0.00209 0.00417 0.00626 0.00834 0.01043
1/2隧道被压力 水浸没条件下 每米隧道一昼 夜渗透量(L)
0.00413 0.00825 0.0124 0.0165 0.0206
隧道全部被压 力水浸没条件 下每米隧道一 昼夜渗透量(L)
四、地铁隧道的渗水渗气量分析与对策
隧道渗水量计算 参考标准：
(1) 《地铁设计规范》(GB50157－2003 ） (2) 《地下工程防水技术规范》(GB50108-2001） (3)上海市标准《盾构法隧道防水技术规程》（DBJ08-50-96）
水压 力值 （kPa ）
100 200 300 400 500 混凝土 抗渗等 级 S10 S10 S10 S10 S10 混凝土 渗水系数 （cm/s） 1.77×10-11 1.77×10-11 1.77×10-11 1.77×10-11 1.77×10-11