本文摘要：摘要：盾構施工中難免會遇到含氣土層，含氣土層中的淺層氣體會對施工過程以及施工人員造成巨大影響及危害。經(jīng)過總結我國各地區(qū)土層的土質類型，淺層氣氣壓、埋深以及氣體成分發(fā)現(xiàn)大多都是以有機質分解產(chǎn)生的CH4氣體為主，且成因略有不同。對已有災害案例進行
摘要：盾構施工中難免會遇到含氣土層，含氣土層中的淺層氣體會對施工過程以及施工人員造成巨大影響及危害。經(jīng)過總結我國各地區(qū)土層的土質類型，淺層氣氣壓、埋深以及氣體成分發(fā)現(xiàn)大多都是以有機質分解產(chǎn)生的CH4氣體為主，且成因略有不同。對已有災害案例進行分析，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吸力的變化。結果表明，含氣土作為一種特殊的非飽和土，抗剪強度以及土體變形受基質吸力的影響。同時，淺層氣的無控或有控釋放會對周圍土體造成不同程度的擾動，而在工程上的解決措施以預先有控釋放為主，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。
關鍵詞地鐵含氣土施工影響氣體控制土體擾動
在沿海軟土地區(qū)，存在大量淺層氣體，對地下工程建設造成了嚴重威脅[1]。這些淺層氣體用常規(guī)的勘察手段難以識別，若不采取相應工程措施，在日后的施工過程中易形成危害，嚴重影響施工進度、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)濟損失。例如，杭州地鐵號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]。
武漢地鐵號線工程因施工時造成有害氣體泄露，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]認為氣泡在高壓環(huán)境下可能會導致土體不連續(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]詳細介紹了淺層氣隧道施工與設計、監(jiān)測系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、施工管理等措施。郭愛國[11]基于杭州地鐵號線工程，發(fā)現(xiàn)淺層氣體在施工過程中的失控釋放會造成土體擾動破壞和溝槽壁坍塌，當穿越含氣層時也存在局部失穩(wěn)的問題。梁立剛等[12]提出了盾構隧道穿越沼氣地層的“事前、事中和事后”三層風險識別與控制體系，分析了盾構掘進速度、掘進量與含氣地層中氣體的關系。劉治宇等[13]對淺層氣體的特征及成分進行分析，提出了超前排氣的治理措施。
林文書[14]、李越[15]等重點闡述了盾構穿越含氣地層施工中對于盾構出土、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優(yōu)化，以預防盾構在施工過程中淺層氣進入隧道。目前來講，國內(nèi)外對于含氣土的工程影響研究相對較少，特別是有關含氣土盾構方面的影響研究。因此，本文基于近年來國內(nèi)外學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、工程災害及氣體控制影響以及相應的盾構施工措施，最后提出了筆者的研究展望，旨在為相關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[1]：
(1)持續(xù)層降，快速沉積是淺層氣形成的地質條件;(2)豐富的有機質是淺層氣形成的基礎;(3)強氧化還原的介質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，其土質類型包括淤泥、淤泥質黏土和淤泥質粉質黏土[18]等。
大量的有機質富集于土層中，在厭氧細菌的生化作用下進行分解發(fā)酵，生成淺層氣[19]。同時，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，當土層的吸附能力和孔隙水的溶解作用達到飽和后，游離氣體便會以囊狀存在于土層中，被上層的淤泥質土所封存。
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)團塊狀氣體，由于不同沉積物中有機質含量和孔隙率的不同，淺層氣的分布往往不均勻，在一個或多個塊體中相對富集。(3)高壓氣囊，氣體沿土體的孔隙上升并被封氣層所覆蓋，壓力隨時間的推進不斷增大，形成了高壓氣囊。(4)氣底辟，高壓氣囊在氣壓差作用下，會沖向上部覆蓋層的薄弱部分，形成氣底辟，最后，氣底辟會沖破整個覆蓋層，噴出地面。
2含氣土中淺層氣的工程災害及氣體控制影響
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害時有報道，尤其是對盾構施工造成的影響甚大。然而，現(xiàn)有關于淺層氣的研究主要集中在能源利用方面，而關于淺層氣體對工程影響災害的研究較少。其中，孔令偉[28]認為淺層氣噴發(fā)會造成樁基承載力的破壞，產(chǎn)生負摩阻力，并提出了預先控制氣體釋放和充分考慮不利因素相結合的防災減災措施。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，并提出相應措施。
趙小輝[2]結合工程實例，分別總結了淺層氣對地鐵運營期及施工期的影響，高健[19]進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)生的固結變形規(guī)律，并在此基礎上探討了淺層氣的工程危害影響。王勇[31]通過模型箱試驗研究了含氣土中氣體釋放和回聚對隧道力學穩(wěn)定性的影響，認為氣體的釋放和再回聚都會使隧道產(chǎn)生附加變形與應力。
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，當氣體向上滲透時，會使上部土層發(fā)生擾動，令土顆粒的流動性增強[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，不同的釋放速率導致了不同的變形程度[38]。當無控釋放發(fā)生時，土層產(chǎn)生強烈擾動，高壓氣體同時噴射出土體和水，土體結構破壞，強度完全喪失，導致隧道發(fā)生變形、歪曲，管片接頭斷開，進水進氣，甚至發(fā)生隧道斷裂[40];而有控釋放時，土體結構沒有被完全破壞，仍然具有一定的強度。
此外，有控釋放后氣壓會降低，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是一個可控的過程，會減少土體的沉降以及變形。
2.3氣體有控釋放下基質吸力對土體的影響
由于氣體的釋放導致基質吸力在不斷減小，土體逐漸轉向飽和狀態(tài)，必將引起土體的抗剪強度發(fā)生變化。如果前期氣體過快地釋放，水相移運會阻礙甚至中斷氣相的流動，出現(xiàn)“賈敏效應”[47]。含氣砂土的性質較飽和土復雜的多，對于飽和土，常規(guī)用摩爾庫倫破壞準則去研究土的強度特性，而這一準則并不適用于含有基質吸力的含氣砂土，于是有學者研究了非飽和土的抗剪強度性質，基質吸力是影響非飽和土的抗剪強度的主要因素，基質吸力的表達方式不同導致了各種形態(tài)的抗剪強度公式，但大多數(shù)還是基于Fredlund提出的雙剪變量抗剪強度公式變換的。
3含氣土中盾構的施工措施
在盾構隧道勘察、施工和運營期間，由于淺層氣體的壓力不同，氣體和結構在土層中的相對位置會發(fā)生變化，不同工況下淺層氣體的危害機理和形式也會不同[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
當盾構穿過含氣地層時，應及時掌握淺層氣的埋藏深度、壓力、儲量等信息。此外，氣體分布不規(guī)則，在工程地質勘探中容易漏診，有時提前排放的沼氣帶還會再次累積。施工中一般使用超前探排氣方法[56]進行排氣。針對排放設備，陳曉燕[57]在原有單孔排放的基礎上，提出了一種雙孔排放工藝。現(xiàn)有的靜壓排氣設備大多根據(jù)靜力觸探設施與油氣開采設備[58]結合改進，降低了對周圍地層的破壞，并且基于土力學參數(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)地總結了國內(nèi)外學者關于含氣土層中淺層氣的工程影響相關研究，結合正開展的研究工作，筆者認為以下幾個方面有待進一步探討和深入。
(1)周圍環(huán)境影響以及隧道掘進影響�，F(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)盾構隧道變形的研究鮮有報道，所以有必要進行放氣對鄰近地鐵盾構隧道變形影響的相關研究。另外，非飽和土含有基質吸力，在盾構掘進過程中會增加刀盤的阻力和推力，從而對土體造成更大的擾動。如果控制不當易引起周圍土體隆沉，對施工造成一定的影響。關于含氣土層盾構掘進對土體造成的沉降計算亟待更深入的研究。
(2)模型試驗�，F(xiàn)有模型試驗中，有的學者通過建立含氣土層來研究放氣對土體的影響機理，還有一些學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。鮮有關于含氣土層中盾構掘進對土層造成沉降大小的模型箱試驗研究。并且，模型試驗中對于含氣土中氣體的選配以及灌入是一 個難點。如何解決這個問題并加入盾構掘進動態(tài)模擬，對今后的研究有一定的意義。
(3)實測分析。實測分析過程中通常是以氣體釋放后相關氣體的元素分析以及壓力和流量的變化分析為主，鮮有關于含氣土盾構掘進中盾構參數(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，有必要加強現(xiàn)場測點布設并實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行分析，可以對含氣土盾構有更深刻的認識。
(4)相關施工規(guī)范。含氣土作為一種特殊的非飽和土，對于施工擾動較為敏感，且土層變形特征及其災變機理方面認識尚不明確。在工程建設中，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的相關規(guī)范，因此，可以根據(jù)含氣土變形機理建立相關的規(guī)范，為以后盾構施工奠定基礎，更有效得減少淺層氣對土體造成的災害。
力學論文投稿刊物：《巖土力學》(Rockand Soil Mechanics)雜志創(chuàng)刊于1979年，中華人民共和國新聞出版總署、正式批準公開發(fā)行的優(yōu)秀期刊。由中國科學院武漢巖土力學研究所主辦，中國科學院主管，國際標準刊號：1000-7598，國內(nèi)統(tǒng)一刊號：CN42-1199/O3，國外發(fā)行代號：Q4097，聯(lián)合征定代號：LD421199，每季末20日出版，國內(nèi)外公開發(fā)行。
5結語
地鐵建設過程中遭遇的淺層氣災害案例愈來愈多，各種新的問題也不斷出現(xiàn)，如何減少淺層氣對地鐵建設造成的影響，保證盾構施工有效安全的進行，是學者們一直以來關注的焦點。含氣土是一種特殊的非飽和土，已有不少學者在非飽和土研究方面取得了一定的成果，但是對于盾構工程中含氣土的災變模式的研究還有待進行。望本文能夠給予研究者一些幫助與啟發(fā)，為以后相關領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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