本文摘要：摘要：盾構(gòu)施工中難免會(huì)遇到含氣土層，含氣土層中的淺層氣體會(huì)對施工過程以及施工人員造成巨大影響及危害。經(jīng)過總結(jié)我國各地區(qū)土層的土質(zhì)類型，淺層氣氣壓、埋深以及氣體成分發(fā)現(xiàn)大多都是以有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的CH4氣體為主，且成因略有不同。對已有災(zāi)害案例進(jìn)行
摘要：盾構(gòu)施工中難免會(huì)遇到含氣土層，含氣土層中的淺層氣體會(huì)對施工過程以及施工人員造成巨大影響及危害。經(jīng)過總結(jié)我國各地區(qū)土層的土質(zhì)類型，淺層氣氣壓、埋深以及氣體成分發(fā)現(xiàn)大多都是以有機(jī)質(zhì)分解產(chǎn)生的CH4氣體為主，且成因略有不同。對已有災(zāi)害案例進(jìn)行分析，闡述了含氣土中淺層氣的工程影響、氣體釋放控制以及基質(zhì)吸力的變化。結(jié)果表明，含氣土作為一種特殊的非飽和土，抗剪強(qiáng)度以及土體變形受基質(zhì)吸力的影響。同時(shí)，淺層氣的無控或有控釋放會(huì)對周圍土體造成不同程度的擾動(dòng)，而在工程上的解決措施以預(yù)先有控釋放為主，并列舉一些有效措施可消除含氣土中有害氣體對地鐵隧道施工造成的隱患。
關(guān)鍵詞地鐵含氣土施工影響氣體控制土體擾動(dòng)
在沿海軟土地區(qū)，存在大量淺層氣體，對地下工程建設(shè)造成了嚴(yán)重威脅[1]。這些淺層氣體用常規(guī)的勘察手段難以識(shí)別，若不采取相應(yīng)工程措施，在日后的施工過程中易形成危害，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度、周邊環(huán)境和人員安全[2]。含氣土中淺層氣體的危害已成為我國主要面臨的工程問題之一。目前，在國內(nèi)外的各種工程建設(shè)中，淺層氣引發(fā)的隧道沉降，甲烷爆炸，基坑隆起，建筑物沉陷等現(xiàn)象屢見不鮮，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。例如，杭州地鐵號(hào)線工程在勘察過程中，出現(xiàn)氣體噴發(fā)，基坑底板突涌的現(xiàn)象[3]。
武漢地鐵號(hào)線工程因施工時(shí)造成有害氣體泄露，并且引發(fā)大面積燃燒[4]。日本在填海造地過程中，發(fā)生有害氣體噴發(fā)并爆炸的案例等[5]。針對這些問題，國內(nèi)外各學(xué)者展開了一系列的研究。HongY等[6]通過電鏡掃描研究了含氣土的性質(zhì)及微觀形態(tài)，指出了氣泡和土骨架間的相互作用。Sultan等[7]認(rèn)為氣泡在高壓環(huán)境下可能會(huì)導(dǎo)致土體不連續(xù)、微裂紋和土骨架坍塌的形成。Ravichandran[8]研究了基質(zhì)吸力變化對非飽和土性狀的影響。
Khave[9]分析了Zagros輸水隧道內(nèi)氣體的危害及影響來源。周少東等[10]詳細(xì)介紹了淺層氣隧道施工與設(shè)計(jì)、監(jiān)測系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、施工管理等措施。郭愛國[11]基于杭州地鐵號(hào)線工程，發(fā)現(xiàn)淺層氣體在施工過程中的失控釋放會(huì)造成土體擾動(dòng)破壞和溝槽壁坍塌，當(dāng)穿越含氣層時(shí)也存在局部失穩(wěn)的問題。梁立剛等[12]提出了盾構(gòu)隧道穿越沼氣地層的“事前、事中和事后”三層風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與控制體系，分析了盾構(gòu)掘進(jìn)速度、掘進(jìn)量與含氣地層中氣體的關(guān)系。劉治宇等[13]對淺層氣體的特征及成分進(jìn)行分析，提出了超前排氣的治理措施。
林文書[14]、李越[15]等重點(diǎn)闡述了盾構(gòu)穿越含氣地層施工中對于盾構(gòu)出土、盾尾油脂密封、同步注漿以及電器的防爆改造等方面的技術(shù)優(yōu)化，以預(yù)防盾構(gòu)在施工過程中淺層氣進(jìn)入隧道。目前來講，國內(nèi)外對于含氣土的工程影響研究相對較少，特別是有關(guān)含氣土盾構(gòu)方面的影響研究。因此，本文基于近年來國內(nèi)外學(xué)者的研究成果和工程案例，系統(tǒng)地闡述了含氣土中的淺層氣的成因及分布、工程災(zāi)害及氣體控制影響以及相應(yīng)的盾構(gòu)施工措施，最后提出了筆者的研究展望，旨在為相關(guān)研究提供思路和借鑒。
1含氣土中淺層氣成因及分布
含氣土是一種孔隙中含閉合氣體或者高溶解氣體的特殊非飽和土，其氣相與大氣隔絕，較為封閉，并且孔隙氣壓大[16]。Wheeler[17]分析了非飽和土中各個(gè)不同的含氣形態(tài)，并提出了幾種類型。
1.1淺層氣形成原因
含氣土中富含大量淺層氣，淺層氣的形成原因可歸為四點(diǎn)[1]：
(1)持續(xù)層降，快速沉積是淺層氣形成的地質(zhì)條件;(2)豐富的有機(jī)質(zhì)是淺層氣形成的基礎(chǔ);(3)強(qiáng)氧化還原的介質(zhì)條件有利于淺層氣形成;(4)氣候因素間接影響和控制淺層氣的形成。海相、河湖相的地層中，其土質(zhì)類型包括淤泥、淤泥質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土[18]等。
大量的有機(jī)質(zhì)富集于土層中，在厭氧細(xì)菌的生化作用下進(jìn)行分解發(fā)酵，生成淺層氣[19]。同時(shí)，淺海相淤泥不但有良好的產(chǎn)氣效果，而且也具有自封作用[20]。當(dāng)淺層氣生成后，一部分向外界溢散，另一部分被吸附以及溶解于土體與孔隙水中，當(dāng)土層的吸附能力和孔隙水的溶解作用達(dá)到飽和后，游離氣體便會(huì)以囊狀存在于土層中，被上層的淤泥質(zhì)土所封存。
1.2淺層氣賦存狀態(tài)從宏觀角度分析，淺層氣埋藏于地底之下主要有四種形態(tài)[21]。
(1)淺層氣與沉積物伴生，分布面積大。(2)團(tuán)塊狀氣體，由于不同沉積物中有機(jī)質(zhì)含量和孔隙率的不同，淺層氣的分布往往不均勻，在一個(gè)或多個(gè)塊體中相對富集。(3)高壓氣囊，氣體沿土體的孔隙上升并被封氣層所覆蓋，壓力隨時(shí)間的推進(jìn)不斷增大，形成了高壓氣囊。(4)氣底辟，高壓氣囊在氣壓差作用下，會(huì)沖向上部覆蓋層的薄弱部分，形成氣底辟，最后，氣底辟會(huì)沖破整個(gè)覆蓋層，噴出地面。
2含氣土中淺層氣的工程災(zāi)害及氣體控制影響
2.1淺層氣的工程影響
在地下空間的發(fā)展過程中，含氣土中施工引起的工程災(zāi)害時(shí)有報(bào)道，尤其是對盾構(gòu)施工造成的影響甚大。然而，現(xiàn)有關(guān)于淺層氣的研究主要集中在能源利用方面，而關(guān)于淺層氣體對工程影響災(zāi)害的研究較少。其中，孔令偉[28]認(rèn)為淺層氣噴發(fā)會(huì)造成樁基承載力的破壞，產(chǎn)生負(fù)摩阻力，并提出了預(yù)先控制氣體釋放和充分考慮不利因素相結(jié)合的防災(zāi)減災(zāi)措施。楊靜偉[29]通過橋梁工程分析了淺層有害氣體對工程施工的影響，并提出相應(yīng)措施。
趙小輝[2]結(jié)合工程實(shí)例，分別總結(jié)了淺層氣對地鐵運(yùn)營期及施工期的影響，高健[19]進(jìn)一步提出了各種有效的對策。唐益群[30]分析了土體因氣體釋放產(chǎn)生的固結(jié)變形規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上探討了淺層氣的工程危害影響。王勇[31]通過模型箱試驗(yàn)研究了含氣土中氣體釋放和回聚對隧道力學(xué)穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為氣體的釋放和再回聚都會(huì)使隧道產(chǎn)生附加變形與應(yīng)力。
2.2氣體有控釋放下對土體變形的影響
氣體以氣泡的形式聚集在土層中，形成孔隙氣壓力，當(dāng)氣體向上滲透時(shí)，會(huì)使上部土層發(fā)生擾動(dòng)，令土顆粒的流動(dòng)性增強(qiáng)[39]。在施工前，往往先對氣體做釋放處理，而淺層氣的釋放分為有控釋放和無控釋放，不同的釋放速率導(dǎo)致了不同的變形程度[38]。當(dāng)無控釋放發(fā)生時(shí)，土層產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，高壓氣體同時(shí)噴射出土體和水，土體結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度完全喪失，導(dǎo)致隧道發(fā)生變形、歪曲，管片接頭斷開，進(jìn)水進(jìn)氣，甚至發(fā)生隧道斷裂[40];而有控釋放時(shí)，土體結(jié)構(gòu)沒有被完全破壞，仍然具有一定的強(qiáng)度。
此外，有控釋放后氣壓會(huì)降低，但是存在氣體回聚現(xiàn)象，其壓力較氣體釋放前低，并且氣體釋放完后，土層的塑形變形基本全部完成，即使再回聚也不會(huì)發(fā)生大的變形[41]，如圖所示。顯然，淺層氣有控釋放對土體的擾動(dòng)是一個(gè)可控的過程，會(huì)減少土體的沉降以及變形。
2.3氣體有控釋放下基質(zhì)吸力對土體的影響
由于氣體的釋放導(dǎo)致基質(zhì)吸力在不斷減小，土體逐漸轉(zhuǎn)向飽和狀態(tài)，必將引起土體的抗剪強(qiáng)度發(fā)生變化。如果前期氣體過快地釋放，水相移運(yùn)會(huì)阻礙甚至中斷氣相的流動(dòng)，出現(xiàn)“賈敏效應(yīng)”[47]。含氣砂土的性質(zhì)較飽和土復(fù)雜的多，對于飽和土，常規(guī)用摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則去研究土的強(qiáng)度特性，而這一準(zhǔn)則并不適用于含有基質(zhì)吸力的含氣砂土，于是有學(xué)者研究了非飽和土的抗剪強(qiáng)度性質(zhì)，基質(zhì)吸力是影響非飽和土的抗剪強(qiáng)度的主要因素，基質(zhì)吸力的表達(dá)方式不同導(dǎo)致了各種形態(tài)的抗剪強(qiáng)度公式，但大多數(shù)還是基于Fredlund提出的雙剪變量抗剪強(qiáng)度公式變換的。
3含氣土中盾構(gòu)的施工措施
在盾構(gòu)隧道勘察、施工和運(yùn)營期間，由于淺層氣體的壓力不同，氣體和結(jié)構(gòu)在土層中的相對位置會(huì)發(fā)生變化，不同工況下淺層氣體的危害機(jī)理和形式也會(huì)不同[11]。因此，為了有效防止淺層氣對地鐵工程的危害，有必要采取針對性的防治措施。
3.1氣體排放
當(dāng)盾構(gòu)穿過含氣地層時(shí)，應(yīng)及時(shí)掌握淺層氣的埋藏深度、壓力、儲(chǔ)量等信息。此外，氣體分布不規(guī)則，在工程地質(zhì)勘探中容易漏診，有時(shí)提前排放的沼氣帶還會(huì)再次累積。施工中一般使用超前探排氣方法[56]進(jìn)行排氣。針對排放設(shè)備，陳曉燕[57]在原有單孔排放的基礎(chǔ)上，提出了一種雙孔排放工藝。現(xiàn)有的靜壓排氣設(shè)備大多根據(jù)靜力觸探設(shè)施與油氣開采設(shè)備[58]結(jié)合改進(jìn)，降低了對周圍地層的破壞，并且基于土力學(xué)參數(shù)測量，一邊放氣確定氣體的壓力、流量大小，另一邊通過氣體回收裝置回收氣體。
4存在問題與展望
本文較為系統(tǒng)地總結(jié)了國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于含氣土層中淺層氣的工程影響相關(guān)研究，結(jié)合正開展的研究工作，筆者認(rèn)為以下幾個(gè)方面有待進(jìn)一步探討和深入。
(1)周圍環(huán)境影響以及隧道掘進(jìn)影響。現(xiàn)有研究主要集中于氣體釋放對周圍土體的影響，而氣體釋放造成土體本身氣相的改變所引發(fā)盾構(gòu)隧道變形的研究鮮有報(bào)道，所以有必要進(jìn)行放氣對鄰近地鐵盾構(gòu)隧道變形影響的相關(guān)研究。另外，非飽和土含有基質(zhì)吸力，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中會(huì)增加刀盤的阻力和推力，從而對土體造成更大的擾動(dòng)。如果控制不當(dāng)易引起周圍土體隆沉，對施工造成一定的影響。關(guān)于含氣土層盾構(gòu)掘進(jìn)對土體造成的沉降計(jì)算亟待更深入的研究。
(2)模型試驗(yàn)。現(xiàn)有模型試驗(yàn)中，有的學(xué)者通過建立含氣土層來研究放氣對土體的影響機(jī)理，還有一些學(xué)者通過建立管道模型箱并放氣來研究氣體釋放對管片造成的影響。鮮有關(guān)于含氣土層中盾構(gòu)掘進(jìn)對土層造成沉降大小的模型箱試驗(yàn)研究。并且，模型試驗(yàn)中對于含氣土中氣體的選配以及灌入是一 個(gè)難點(diǎn)。如何解決這個(gè)問題并加入盾構(gòu)掘進(jìn)動(dòng)態(tài)模擬，對今后的研究有一定的意義。
(3)實(shí)測分析。實(shí)測分析過程中通常是以氣體釋放后相關(guān)氣體的元素分析以及壓力和流量的變化分析為主，鮮有關(guān)于含氣土盾構(gòu)掘進(jìn)中盾構(gòu)參數(shù)的變化，土體的沉降變化，以及周圍建筑物和管線的沉降變化。在日后的研究中，有必要加強(qiáng)現(xiàn)場測點(diǎn)布設(shè)并實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以對含氣土盾構(gòu)有更深刻的認(rèn)識(shí)。
(4)相關(guān)施工規(guī)范。含氣土作為一種特殊的非飽和土，對于施工擾動(dòng)較為敏感，且土層變形特征及其災(zāi)變機(jī)理方面認(rèn)識(shí)尚不明確。在工程建設(shè)中，只有煤炭瓦斯氣體方面的規(guī)范可以去遵循借鑒，而暫缺含氣土層中地鐵盾構(gòu)的相關(guān)規(guī)范，因此，可以根據(jù)含氣土變形機(jī)理建立相關(guān)的規(guī)范，為以后盾構(gòu)施工奠定基礎(chǔ)，更有效得減少淺層氣對土體造成的災(zāi)害。
力學(xué)論文投稿刊物：《巖土力學(xué)》(Rockand Soil Mechanics)雜志創(chuàng)刊于1979年，中華人民共和國新聞出版總署、正式批準(zhǔn)公開發(fā)行的優(yōu)秀期刊。由中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所主辦，中國科學(xué)院主管，國際標(biāo)準(zhǔn)刊號(hào)：1000-7598，國內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào)：CN42-1199/O3，國外發(fā)行代號(hào)：Q4097，聯(lián)合征定代號(hào)：LD421199，每季末20日出版，國內(nèi)外公開發(fā)行。
5結(jié)語
地鐵建設(shè)過程中遭遇的淺層氣災(zāi)害案例愈來愈多，各種新的問題也不斷出現(xiàn)，如何減少淺層氣對地鐵建設(shè)造成的影響，保證盾構(gòu)施工有效安全的進(jìn)行，是學(xué)者們一直以來關(guān)注的焦點(diǎn)。含氣土是一種特殊的非飽和土，已有不少學(xué)者在非飽和土研究方面取得了一定的成果，但是對于盾構(gòu)工程中含氣土的災(zāi)變模式的研究還有待進(jìn)行。望本文能夠給予研究者一些幫助與啟發(fā)，為以后相關(guān)領(lǐng)域的研究提供有益參考。
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作者：丁智1，2，何晨陽1，張霄1，張文宏3，吳勝4
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