浅层有害气体对地铁的影响及应对措施

高 健，粟玉英，丁淑平

(长江岩土工程总公司(武汉)，湖北 武汉 430010)

0 引言

地铁是城市快速轨道交通的一部分，具有运量大、快速、准点、低能耗、少污染、乘坐舒适方便的优点，常被称为“绿色交通”。近年来，中国城市地铁得到了较快发展，大中型城市均已建成或正在建设多条地铁线路。在地铁的建设与运行中，也产生了不少环境地质问题，浅层有害气体就是其中之一。比如在杭州、武汉及广州的地铁勘察与施工中，先后遇到如CH4、H2S等浅层有害气体。2007年4月3日杭州地铁1号线滨康路站—西兴路站区间勘察时孔内喷出高达6～8 m可燃气体;2008年9月21日武汉地铁2号线汉口火车站—范湖站区间盾构施工时，洞口出现不明气体燃烧，并导致施工人员轻度中毒;2009年5月15日，广州地铁3号线北延段地下盾构施工时，3名作业人员因地下不明气体中毒身亡。浅层有害气体对地铁施工、后期运营带来不利影响。

目前，在城市地下工程建设中浅层有害气体问题较为突出，但研究成果较少，工程经验不多。本文主要结合杭州与武汉地铁勘察、检测及施工等相关资料，阐述有害气体特征，分析其对地铁施工与运行的不利影响，综合提出了各种有效应对措施。为在同类地区进行地铁或其它地下工程建设提供一定的参考经验。

1 有害气体特征

本文讨论的有害气体为分布于平原区覆盖层，埋藏较浅(一般＜40 m)，对地下工程建设不利，对人体健康存在危害的天然气体。浅层有害气体(简称有害气体)实为一种生物气，俗称“沼气”，在相对密闭的环境下，由厌氧菌对有机物分解经还原作用形成，与矿山煤层产生的瓦斯、人为活动在地下空间留下的有害气体不同，有其明显的特征。

1.1 成分与含量

在杭州与武汉分布有害气体的地铁区间，大多进行了有害气体专项勘察或现场监测，其中杭州地铁1号线滨康路站—西兴路站区间[1]、武汉地铁2号线汉口火车站一范湖站区间[2]及武汉地铁3号线兴业路站—后湖大道站(不含)—市民中心站区间[3]检测出有害气体的成分与含量见表1。

表1 有害气体成分及其含量一览表Table 1 Composition and content of noxious gases

由上表可知有害气体成分以CH4(甲烷)为主，体积比约占55.2% ～94.6%;其次为 CO2，体积比约占2.6% ～40.7%;其它气体如 NO2、H2S、SO2及 CO 等，含量一般＜5%。一般而言，CH4(甲烷)含量与土体中有机物含量相关，气源层有机质含量一般＞0.5%，而H2S、SO2含量则与土体中动物粪便相关。

1.2 分布特征

有害气体分布区多位于东南沿海和长江、珠江、闽江水系的江河两岸、河口及部分湖区，为河、湖相或海相沉积平原。杭州地铁1号线滨康路站—西兴路站区间与武汉地铁2号线汉口火车站一范湖站区间[4]有害气体分布区的地貌、地层、岩性及埋深等特征见表2，分布的地层结构见图1、图2。

表2 有害气体分布区特征表Table 2 Features of noxious gases in distribution region

图1 杭州地铁1号线滨西区间地层结构示意图Fig.1 Structure of stratum on Binxi section of Hangzhou metro line 1

图2 武汉地铁2号线汉范区间地层结构示意图Fig.2 Structure of stratum on Hanfan section of Wuhan metro line 2

由表2、图1与图2可知，有害气体主要分布于第四系全新统冲积、冲湖积及滨海、浅海及溺谷相沉积层，少量上更新统湖沼相沉积层;地层结构上，具二元结构特征，上细下粗;上部为粘性土，下部为砂土或粘性土夹砂土，中部为含有有机质的淤泥质土。由于有害气体是在地下相对封闭条件下形成，在地层结构中分为封闭层、气源层及储气层。一般而言，表层的粘性土如粘土、粉土等孔隙比相对较小，渗透性较差，为封闭层;淤泥质土含有机质，为气源层;气源层上、下部的粉(细)砂与少量的粉土(或两者为互层或夹层)孔隙比相对较大，为储气层。

由于分布有害气体的地层主要为河湖相或滨海相沉积，沉积时多经过了局部的变动旋回形成砂土交互，各土层多呈透镜状或扁豆状，部分具“千层饼”结构，厚度变化大，均一性差;另外，淤泥质土中的有机质含量一般为0.3% ～2.6%，差异大;因此有害气体多呈透镜状、囊状分布，不同囊间气体浓度差异大，且连通性差。

根据杭州与武汉两地地铁有害气体专项勘察与现场检测结果表明，有害气体主要分布于粘性土与砂土的交互层，如粉质粘土、粉土或粉砂互层、砂质粘土夹粉砂、淤泥质粉质粘土夹粉砂，部分分布于粉细砂层，淤泥质土中含量较少或基本不存在;检测孔间气体浓度差异大，分布不连续，部分孔内无气体。

1.3 稳定性与逸出规律

在淤泥质土层中产生的有害气体不断向土体中的孔隙中运移并溶于地下水，当水中的气体达到饱和后，部分会游离于土体颗粒孔隙中。由于气体以液相与气相储存在相对封闭的囊状空间内，天然状态下，地下水、气体与土体间压力维持相对平衡，气体一般不易逸出，稳定性较好，对周边的环境不会造成影响;当受到外力扰动，封闭空间受到破坏，气体在水中的饱和度下降，部分气体从地下水中游离出来，与土颗粒间游离气体共同成为逸出的不稳定气体，对周边环境及地下工程的施工形成不利影响。

一般情况下，有害气体压力大于孔隙水压力与大气压，可自然逸出。气体逸出速度的快慢和气体浓度、封闭空间破坏程度、大气温度及地下土体温度等相关，排气孔喷出速度一般为0.1～0.3 m/s，局部达0.4～1.1 m/s。一般而言，气体浓度越大，封闭空间破坏越严重;气温越低与地温越高，气体逸出时间越短。根据杭州、武汉地铁对有害气体的长期观测与监测情况，有害气体逸出时间差异极大，全部逸出需几个小时至几天，甚至几年时间。

2 对地铁的影响

根据武汉地铁2号线汉口火车站—范湖站区间对有害气体现场检测及武汉地铁3号线兴业路站—后湖大道站(不含)—市民中心站区间有害气体专项勘察成果，有害气体危害性评价见表3。

表3 有害气体危害性评价表Table 3 Hazard assessment of noxious gases

由上表可知，地下有害气体中CH4、H2S及CO三种成分超标。这种有压有毒可燃气体对地铁工程的不利影响，主要体现在三个方面:①因有害气体逸出或运移，气压下降引起土体的变形，对地铁隧道工程形成不利影响;②逸出的有害气体，遇上火源时，易引发火灾或爆炸;③有害气体影响人体健康，浓度过大，超过安全标准时，易引起伤亡事故。

储存于地下相对封闭空间内的有害气体，多为有压气体，气体压力一般在 0.1 ～0.4 MPa之间[5]。有压气体除封闭空间受到破坏可逸出外，在渗透压力或其它因素引起地下水流动时，其还会从高压区向低压区运移。在地铁隧道施工时，扰动或破坏了气体的封闭空间，有压气体逸出，气囊中气体压力降低，周围土体在自重压力下产生不均匀变形，可能引起地面变形、隧道壁失稳，还可能因地基的不均匀变形，影响盾构运行姿态。盾构端头采取降水施工时，将引起有害气体聚集，导致洞门附近压力剧增，影响盾构顺利掘进。车站基坑降水施工时，在渗透压力作用下，有害气体因压力差产生流动，易在逸出口产生较大坡降，产生管涌或流土[6]，引起坑壁失稳或坡坏。

地下有害气体主要成分为CH4(甲烷)。CH4(甲烷)为一种可燃气体，在地铁隧道施工时，气体不断逸出引起隧道内甲烷浓度不断升高，如因人为或机械原因产生火源时，极易引发燃烧或爆炸，产生火灾事故。

地下有害气体中，对人体存在危害的成分为H2S与CO。H2S毒性作用的特点是浓度越低，对人体呼吸道及眼的刺激作用越明显;浓度越高，对人体全身作用越明显，表现为中枢神经系统症状和窒息症状;当浓度超过600 mg/m3时，可能中毒身亡。CO中毒的机理为CO进入人体之后会和血液中的血红蛋白结合，阻止红蛋白与氧气的结合，引起组织缺氧;CO中毒起病急、潜伏期短、死亡率极高。地铁隧道内若排风不畅，有害气体对在该空间的施工人员身体健康产生危害，若浓度过高还可能出现中毒身亡事故。

3 应对措施

针对有害气体对地铁的不利影响，一般采取“释放”与“封闭”两种应对措施，并辅以监测手段。在施工前期，多采用“释放”的方式，主动破坏气体的封闭空间，释放出有害气体，使其浓度低于国家限值，压力低于相关技术标准，保证施工的安全。在施工中后期与工程运行期，一般采用“封闭”的方式，对未排出的有害气体，及时有效地封堵，防止其续继逸出，污染地下空间环境。由于有害气体分布不均匀、不连续，具随机性，无法完全杜绝其对工程的不利影响，还需建立监测系统，加强变形监测与气体浓度检测，做到有针对性的防范。

3.1 地铁施工期

地铁隧道作为一个相对封闭的空间，在进行盾构施工前，应对超标气体的重点段进行提前排放降压。排气孔密度与数量应满足工期与安全的需要，排放时控制放气流量，注意压力的动态平衡，降低对周围地层的破坏。另外还应进行专门的通风设计，可采用混合式通风方式加强通风。盾构施工时，应对地面、隧道壁进行变形监测，对排气孔进行压力测试，对隧道内有害气体进行检测，如在螺旋机出口、盾尾上部及第1节车架前端设置有害气体自动监测报警装置，并在隧道施工面、成形隧道内及第二和第三车架间再各配置1台手持有害气体监测仪器，加强有害气体监测。

若地面或洞壁变形过大，应根据监测情况，及时采取隧道内二次注浆、地表插管注浆等有针对性的地层加固措施，并根据监测数据反馈，适当调整注浆参数。若气体浓度过高，可采取临时通风的措施，降低有害气体浓度。

应控制隧道同步注浆量与浆液质量，保证管片间的完全封闭，防止有害气体渗入隧道空间;对于人流量大的繁华市区，储气量较大地层的明挖基坑，除一般的抽排措施外，应及时开挖，及时封闭处理，防止气体大量逸出污染环境。

在对车站基坑或盾构端头进行降水施工时，应布置一定数量的抽排井，对有害气体进行提前排放降压，待有害气体浓度与强度达到国家安全范围，再进行基坑开挖与盾构掘进。气体抽排时开始时应缓慢匀速进行，防止产生流土或管涌。

另外，在富含有害气的隧道可设置减压井和阻挡装置，减小气体爆炸的影响范围，以免影响整条隧道。

3.2 地铁运行期

地铁运行期应建立对有害气体浓度进行检测的监控系统，防止有压游离有害气体渗入隧道空间，对人体形成危害;同时应加强通风设备的检测，制定完善的应急救援预案，以保证隧道运行的安全。

4 结语

本文仅以杭州地铁1号线与武汉地铁2号线、3号线存在有害气体的三个区间段为例，阐述有害气体的特征，分析其对地铁的不利影响，并提出应对措施。目前杭州地铁1号线与武汉地铁2号线均已正常运行，对在该类地区进行地下工程建设提供了有益的参考经验。浅层有害气体问题是近期才突显的环境地质问题，如穿越含有害气体地层的盾构机密闭性、盾构施工中爆炸防护措施等许多方面有待深入实践，总结分析，为城市地下空间的合理利用提供更可靠的技术支撑。

[1] 陈周斌.杭州地铁1号线过江隧道特殊地质施工方法[J].都市快轨交通，2011(6):86－88.

[2] 徐贵来，樊永生，刘红卫.武汉地铁二号线汉口火车站一范湖站区间地下有害气体特征分析[J].资源环境与工程，2012，26(6):612－616.

[3] 彭兴文.武汉市地铁三号线六标段地下有害气体勘察及检测报告[R].武汉:中南财经政法大学信息与安全工程学院，2010.

[4] 高健，潘坤，顾少娟，等.武汉市轨道交通三号线工程勘察第六标段后湖大道站——市民中心站区间岩土工程勘察报告[R].武汉:长江岩土工程总公司(武汉)，2010.

[5] 陈广峰，陈惠芳，洪敏，等.浅议杭州地铁隧道有害气体的危害及防治对策[J].铁道工程学报，2010(5):82－86.

[6] 罗小杰，马贵生.长江中下游堤防工程地质研究[M].武汉:中国地质大学出版社，2010.

[7] 赵培，赵云胜，叶彬.城市中有毒有害气体对公共安全的影响研究[J].安全与环境工程，2011(3):98 －101.