李 磊,丁 琳

(1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600；2.黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

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哈爾濱地鐵2號(hào)線局部區(qū)間有害氣體成因探討

李 磊1,丁 琳2,*

(1.中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,北京 102600；2.黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

在哈爾濱地鐵2號(hào)線省政府站及相鄰區(qū)間的勘察過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)有氣體從部分鉆孔中噴出，經(jīng)測(cè)定該氣體成分97%以上為氮?dú)?。該氣體儲(chǔ)存于埋深約23～26 m的砂層頂部，呈串珠狀或透鏡狀不連續(xù)分布。該氣體成因獨(dú)特：砂層頂部上覆的粉質(zhì)黏土層為有害氣體的形成提供了相對(duì)封閉的環(huán)境；巨厚層狀的砂層為有害氣體的形成提供了儲(chǔ)存空間；有害氣體的原始?xì)庠唇^大部分為空氣，它是在地下水明顯的降、升過(guò)程中，經(jīng)過(guò)一系列的物理化學(xué)作用、生物化學(xué)作用形成的。

有害氣體；成因；氮?dú)?；地下?/p>

哈爾濱地鐵2號(hào)線省政府站及相鄰區(qū)間位于哈爾濱市崗阜狀平原地區(qū)，均采用暗挖法施工，在勘察的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)有氣體從鉆孔中噴出。該現(xiàn)象在哈爾濱地區(qū)極為特殊，其存在是地鐵工程建設(shè)、運(yùn)營(yíng)的重要安全隱患，因此有必要查明其成因，為地鐵的設(shè)計(jì)施工、運(yùn)營(yíng)提供針對(duì)性的預(yù)防和處理建議。

1 工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

哈爾濱市位于松嫩平原東南部，地處松花江中游，河谷地貌發(fā)育、階地清晰，漫灘開(kāi)闊。東南部呈崗阜狀起伏，地面高程為180～200 m，相對(duì)高差10～20 m；西北部地形比較平坦，地面高程114～120 m，相對(duì)高差1～6 m。地勢(shì)總的趨勢(shì)為由東南向西北傾斜。

該場(chǎng)區(qū)位于哈爾濱市中心，毗鄰黑龍江省政府，周圍多機(jī)關(guān)、學(xué)校和企事業(yè)單位。地貌單元屬崗阜狀平原，地面高程143.5～144.6 m，地形平坦，現(xiàn)狀地面主要為柏油路面，局部為市政綠化用地。

1.2 地層巖性

圖1 場(chǎng)區(qū)地層剖面Fig.1 Stratigraphic section

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

本區(qū)域內(nèi)主要發(fā)育前第四系地層基底構(gòu)造，表現(xiàn)為北東向、北西向兩組斷裂和一組北東向具微褶皺變形的隱伏隆起，區(qū)內(nèi)斷裂均為被第四系覆蓋的隱伏斷裂，是古老斷裂，進(jìn)入新生代以來(lái)又有繼承性活動(dòng)，未發(fā)現(xiàn)新生斷裂。近場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，地質(zhì)構(gòu)造較不發(fā)育，無(wú)新生斷裂，無(wú)強(qiáng)烈斷裂活動(dòng)跡象。

1.4 地下水

自上世紀(jì)90年代初以來(lái)，哈爾濱市采取了一系列限制地下水開(kāi)采的措施，該場(chǎng)區(qū)的地下水水位有逐年上升的趨勢(shì)。本場(chǎng)區(qū)地下承壓水主要接受側(cè)向徑流補(bǔ)給，排泄方式以側(cè)向徑流和人工開(kāi)采為主。

2 有害氣體特性

2.1 有害氣體噴發(fā)特征

在鉆進(jìn)時(shí)，當(dāng)鉆孔將砂層上覆的粉質(zhì)黏層(厚約22～26 m)揭穿時(shí)，該氣體即從地下噴出，初始噴射高度最高達(dá)10 m，噴射高度隨時(shí)間延續(xù)而衰減，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)5～6 h。噴射時(shí)，初攜干砂和少量礫石，礫石粒徑最大可達(dá)6～7 mm，之后僅有氣體噴出，氣體無(wú)色無(wú)味，不可燃。

2.2 有害氣體賦存形態(tài)

發(fā)現(xiàn)有害氣體的鉆孔占總孔數(shù)的9%，說(shuō)明氣體在砂層中的分布是不連續(xù)的，而是如串珠狀或透鏡狀分布在砂層頂部，其賦存形態(tài)與我國(guó)近年工程建設(shè)中發(fā)現(xiàn)的淺層氣體的賦存形態(tài)是相近的[1]。

對(duì)未發(fā)現(xiàn)氣體和發(fā)現(xiàn)氣體等兩類鉆孔所揭露的砂土分界線的埋深進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比(表1)可知，發(fā)現(xiàn)氣體的鉆孔的砂土分界線埋深相對(duì)較淺，推測(cè)氣囊由于其密度小，形成后向砂層頂部運(yùn)移，富集于砂土分界線埋深較淺的部位，該部位形似“倒鍋底”，見(jiàn)圖2。

表1 砂土分界線的埋深對(duì)比

Table 1 Contrast of the sand and soil dividing line

分類砂土分界線埋深/m最小值最大值平均值未發(fā)現(xiàn)氣體鉆孔23.826.425.0發(fā)現(xiàn)氣體鉆孔23.525.424.3

圖2 有害氣體在砂層中的存儲(chǔ)形態(tài)Fig.2 Storage form of harmful gas in the sand

2.3 有害氣體的壓力和流量

在有害氣體的專項(xiàng)勘察過(guò)程中，對(duì)氣體的壓力和流量分別進(jìn)行了測(cè)定。測(cè)得各有害氣體孔的氣體壓力為60～145 kPa，流量為50～111 L/min，各氣體孔的壓力和流量均不同，這表明各鉆孔對(duì)應(yīng)有害氣體氣囊的體積、壓力、含量均不同[2]。

3 有害氣體成因探討

3.1 有害氣體化學(xué)成分

在勘察過(guò)程中，探測(cè)到有害氣體后，利用專用氣袋對(duì)其進(jìn)行了采集，并對(duì)其成分進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 有害氣體組分測(cè)定結(jié)果(按體積計(jì)，%)

Table 2 Composition of the harmful gas(according to the volume meter，%)

組分QT24QT25QT30QT31QT32QT41平均值CH40.0070.0060.0090.0090.0100.0020.007N297.6997.9097.0497.2097.1896.5197.25O20.440.200.470.270.291.170.47Ar0.890.870.730.730.730.900.81CO20.971.021.751.791.791.421.46

由表2可見(jiàn)，本場(chǎng)區(qū)有害氣體的主要成分是氮?dú)?N2)，其含量在96.5%以上，并含少量二氧化碳(CO2)、氧氣(O2)、氬氣(Ar)和極少量甲烷(CH4)。

3.2 有害氣體與空氣各組分的比較

按體積計(jì)，自然空氣中各組分的體積百分比含量見(jiàn)表3。

表3 空氣中各組分含量(單位：%)

Table 3 Content in the air(unit:%)

N2O2稀有氣體(He、Ne、Ar、Kr、Xe、Rn等)CO2其它氣體和雜質(zhì)(NO、O3、NO2、H2O等)78.120.90.940.030.03

有害氣體與自然空氣中的各組分對(duì)比可見(jiàn)，兩類氣體均以氮?dú)鉃橹?，但有害氣體比空氣少了約21%的氧氣，而較空氣多了0.007%的甲烷，且有害氣體中的二氧化碳(1.34%)明顯多于空氣中二氧化碳(0.03%)的含量。

查閱文獻(xiàn)[3-4]，1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，有害氣體各組分在水中的溶解度見(jiàn)表4。

由表4可見(jiàn)，該場(chǎng)區(qū)有害氣體的各組分中，二氧化碳(CO2)的溶解度最大，氮?dú)?N2)最小,相同條件下，二氧化碳(CO2)的溶解度是氮?dú)?N2)的78～89倍。

表4 氣體各組分在水中的溶解度

Table 4 Solubility of the gas components in water

有害氣體體積含量/%溫度20℃溫度30℃N297.250.001890.00162CO21.460.1690.125Ar0.810.03370.0288O20.470.004340.00359CH40.0070.002320.0019

3.3 成因探討

我國(guó)有資料顯示的地下淺層有害氣體大部分布在東南沿海或南方長(zhǎng)江、閩江、珠江水系的江河兩岸及河口，北方地區(qū)較少見(jiàn)。

根據(jù)既往工程經(jīng)驗(yàn)，地下淺層氣體的形成一般需具備3個(gè)條件：①豐富的有機(jī)物；②相對(duì)密閉的地質(zhì)環(huán)境；③地層具有一定的儲(chǔ)存空間[5]。在我國(guó)近年的地下工程勘察過(guò)程中，先后有杭州地鐵站1號(hào)線多處區(qū)段、武漢地鐵2號(hào)線漢口火車站-范湖站區(qū)間、長(zhǎng)江口越江通道[6]、杭州灣大橋[7]、安徽沿江水利工程[8]等工程發(fā)現(xiàn)淺層天然氣體，其均為典型的生物成因氣，成分90%以上為甲烷，屬沼氣，可燃。

本工程的有害氣體成分與上述所列工程中的氣體成分差異明顯?，F(xiàn)結(jié)合本場(chǎng)區(qū)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，對(duì)該場(chǎng)區(qū)的有害氣體成因進(jìn)行探討。

3.3.1 生物化學(xué)成因

該場(chǎng)區(qū)地表為厚約23～26 m的粉質(zhì)黏土層，其下為厚度>30 m的巨厚層狀的中粗砂層，為有害氣體的形成提供了密閉的環(huán)境和儲(chǔ)存空間；下荒山組和東深井組的粉質(zhì)黏土夾層含約5%的有機(jī)質(zhì)，為生氣層，在一定的溫度和壓力下，這些有機(jī)質(zhì)在各種微生物群的協(xié)同降解作用下，被降解為有機(jī)酸、乙酸、二氧化碳、甲烷[9-10]等。其中有機(jī)酸、乙酸溶于水，二氧化碳大部溶于水，甲烷不溶于水，在降解作用過(guò)程中，氧氣同時(shí)被消耗。

根據(jù)氣體成分檢測(cè)成果，本場(chǎng)區(qū)的有害氣體中甲烷含量約占?xì)怏w總體積的0.007%，含量很少，生物化學(xué)作用微弱，可以判定生物化學(xué)作用為本場(chǎng)區(qū)有害氣體形成的次要因素。

3.3.2 物理化學(xué)成因

根據(jù)收集到的區(qū)域地質(zhì)資料[11-12]，本場(chǎng)區(qū)所屬的崗阜狀平原區(qū)，在上世紀(jì)60年代以前，礫質(zhì)中粗砂中的地下水為承壓水，水頭高出含水層頂板5～40 m。

上世紀(jì)70年代中期～90年代初期，由于哈爾濱市工業(yè)和飲用水對(duì)地下水資源的大量開(kāi)采，地下水位逐年下降，下降率一般為0.5～1.0 m/a，形成了數(shù)個(gè)局部地下水降落漏斗，之后迅速擴(kuò)展，至1992年形成了一個(gè)以重型機(jī)械廠為中心，形態(tài)呈橢圓形，包括哈爾濱市城區(qū)在內(nèi)的降落漏斗，至2001年漏斗面積擴(kuò)大至380.0 km2，漏斗中心地下水水位103.44 m，總地下水水位下降28.26 m，地下水的類型由孔隙承壓水逐漸變?yōu)閷娱g潛水[13]。

圖3 兩水文井多年平均水位Fig.3 Multi-year average water level of the two wells

上世紀(jì)90年代初期，哈爾濱市政府采取一系列行政、法制、科技、工程、經(jīng)濟(jì)等多項(xiàng)管理措施，嚴(yán)格限制地下水資源開(kāi)采，同時(shí)在全市范圍內(nèi)布置地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)施動(dòng)態(tài)水位監(jiān)測(cè)。根據(jù)從黑龍江省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站和哈爾濱市水資源管理辦公室收集到的兩處水文井的水位觀測(cè)資料，近場(chǎng)區(qū)地下水水位有顯著變化。兩水文井的多年平均地下水水位見(jiàn)圖3。

由圖3可見(jiàn)，該場(chǎng)區(qū)的地下水水位經(jīng)歷了一個(gè)顯著的“下降”和“回升”的過(guò)程。當(dāng)?shù)叵鲁袎核患眲∠陆禃r(shí)，地層產(chǎn)生“負(fù)壓”，發(fā)生抽吸作用，將空氣通過(guò)一定的通道，如水井等，抽吸至地下；當(dāng)?shù)叵滤簧仙龝r(shí)，一部分氣體向上排出，另一部分氣體在砂層孔隙中被密封壓縮，存儲(chǔ)在密閉的地層結(jié)構(gòu)中，形成具有一定壓力的氣囊。根據(jù)有害氣體成分檢測(cè)報(bào)告，氮?dú)?N2)占總體積的97%，含量很高；而推測(cè)氧氣(O2)則被微生物在分解有機(jī)物的過(guò)程中被消耗，形成不溶于水的甲烷(CH4)和可部分溶于水的二氧化碳(CO2)。本場(chǎng)區(qū)的地下有害氣體中所含的氧氣(O2)很少，而含一定量的甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)。

生物化學(xué)成因和物理化學(xué)成因的共同過(guò)程，可表達(dá)如下：

由此可推測(cè)，該場(chǎng)區(qū)的有害氣體是在相對(duì)密閉的環(huán)境下，砂層孔隙中的空氣經(jīng)地下水明顯的降、升作用和一系列的物理化學(xué)和生物化學(xué)作用形成的，其中物理化學(xué)作用為主要成因。

根據(jù)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(50307-2012)，地下有害氣體通常分為可燃?xì)怏w、有毒氣體和缺氧氣體。此氣體不可燃、無(wú)毒，但屬缺氧氣體，故稱此氣體為有害氣體。

4 結(jié) 論

該場(chǎng)區(qū)有害氣體的成因獨(dú)特，地表深厚的粉質(zhì)黏土為有害氣體的形成提供了相對(duì)封閉的環(huán)境，使氣體形成后不會(huì)逃逸；巨厚層狀的的中粗砂層為氣體的形成提供了儲(chǔ)存空間；承壓地下水水位下降形成“負(fù)壓”將空氣抽吸到砂層中，后期又因地下水位上升，潛水逐漸又變?yōu)槌袎核?，部分氣體未能排出，被密閉在形如“倒鍋底”的砂土分界線的頂部。同時(shí)，地下氣體中的氧氣被微生物在分解有機(jī)質(zhì)的過(guò)程中被消耗，形成二氧化碳，而二氧化碳部分溶于水，遂形成以氮?dú)鉃橹鞯挠泻怏w。

本場(chǎng)區(qū)的有害氣體是經(jīng)過(guò)一系列的物理化學(xué)和生物作用形成的，其中物理化學(xué)作用為主因，空氣為主要?dú)庠?，生物成氣為次要?dú)庠矗泻怏w的壓力主要源于承壓水的水頭壓力。

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Causes of the harmful gases in some interval of the Harbin metro line 2

LI Lei1,DING Lin2，*

(1.ChinaRailwayFifthSurveyandDesignInstituteGroupCo.Ltd,Beijing102600,China; 2.CollegeofCivilEngineening,HeilongjiangUniversity,Harbin150080,China)

In the course of investigation in the provincial government station and adjacent interval of the Harbin metro line 2,harmful gases spewed from some part of the drilling,more than 97% of the gas component was nitrogen.The gas was stored at the top of the sand layer in the depth of about 23～26 m and showed,discontinuous distribution as the bead or sacs.The formation of the gas had unique characteristic,the silty clay which on the top of the sand layer provided a relatively closed environment for the formation of harmful gas; the sand layer provided the storage space for the harmful gas.The most original gas of the harmful gas was the air,it was generated in the process of groundwater drop-rose,after a series of physic-chemical and biochemical reactions.

harmful gases; causes; nitrogen; groundwater

10.13524/j.2095-008x.2016.04.057

2016-09-02

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41071049)

李 磊(1983-)，男，北京人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：巖土體穩(wěn)定性、地鐵與鐵路勘察、地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)施工等，E-mail：63787969@qq.com;*通訊作者:丁 琳(1962-),男，黑龍江密山人，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師，研究方向：凍土工程、寒區(qū)建筑材料與結(jié)構(gòu)，E-mail:13313696817@163.com。

TU457；X14

A

2095-008X(2016)04-0047-06