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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

        2016-12-28 01:49:50磊,丁
        關(guān)鍵詞:成因

        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。

        [1] 郭愛(ài)國(guó),孔令偉,沈林沖,等.地鐵建設(shè)中淺層氣危害防治對(duì)效策研究[J].巖土力學(xué),2013,34(3):769-775.

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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

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