哈爾濱地鐵2號線局部區(qū)間有害氣體成因探討

李 磊,丁 琳

(1.中鐵第五勘察設(shè)計院集團(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)

?

哈爾濱地鐵2號線局部區(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號線省政府站及相鄰區(qū)間的勘察過程中，發(fā)現(xiàn)有氣體從部分鉆孔中噴出，經(jīng)測定該氣體成分97%以上為氮?dú)狻Ｔ摎怏w儲存于埋深約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、升過程中，經(jīng)過一系列的物理化學(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)營的重要安全隱患，因此有必要查明其成因，為地鐵的設(shè)計施工、運(yùn)營提供針對性的預(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，漫灘開闊。東南部呈崗阜狀起伏，地面高程為180～200 m，相對高差10～20 m；西北部地形比較平坦，地面高程114～120 m，相對高差1～6 m。地勢總的趨勢為由東南向西北傾斜。

該場區(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)入新生代以來又有繼承性活動，未發(fā)現(xiàn)新生斷裂。近場區(qū)地質(zhì)條件相對簡單，地質(zhì)構(gòu)造較不發(fā)育，無新生斷裂，無強(qiáng)烈斷裂活動跡象。

1.4 地下水

自上世紀(jì)90年代初以來，哈爾濱市采取了一系列限制地下水開采的措施，該場區(qū)的地下水水位有逐年上升的趨勢。本場區(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，當(dāng)鉆孔將砂層上覆的粉質(zhì)黏層(厚約22～26 m)揭穿時，該氣體即從地下噴出，初始噴射高度最高達(dá)10 m，噴射高度隨時間延續(xù)而衰減，持續(xù)時間最長達(dá)5～6 h。噴射時，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，氣體無色無味，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)計對比(表1)可知，發(fā)現(xiàn)氣體的鉆孔的砂土分界線埋深相對較淺，推測氣囊由于其密度小，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”，見圖2。

表1 砂土分界線的埋深對比

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)勘察過程中，對氣體的壓力和流量分別進(jìn)行了測定。測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

在勘察過程中，探測到有害氣體后，利用專用氣袋對其進(jìn)行了采集，并對其成分進(jìn)行測定，結(jié)果見表2。

表2 有害氣體組分測定結(jié)果(按體積計，%)

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，本場區(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，自然空氣中各組分的體積百分比含量見表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比可見，兩類氣體均以氮?dú)鉃橹鳎泻怏w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個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，有害氣體各組分在水中的溶解度見表4。

由表4可見，該場區(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江、閩江、珠江水系的江河兩岸及河口，北方地區(qū)較少見。

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個條件：①豐富的有機(jī)物；②相對密閉的地質(zhì)環(huán)境；③地層具有一定的儲存空間[5]。在我國近年的地下工程勘察過程中，先后有杭州地鐵站1號線多處區(qū)段、武漢地鐵2號線漢口火車站-范湖站區(qū)間、長江口越江通道[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)合本場區(qū)的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，對該場區(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，在降解作用過程中，氧氣同時被消耗。

根據(jù)氣體成分檢測成果，本場區(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)和飲用水對地下水資源的大量開采，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)個局部地下水降落漏斗，之后迅速擴(kuò)展，至1992年形成了一個以重型機(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采，同時在全市范圍內(nèi)布置地下水位監(jiān)測點(diǎn)實(shí)施動態(tài)水位監(jiān)測。根據(jù)從黑龍江省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測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資料，近場區(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圖3。

由圖3可見，該場區(qū)的地下水水位經(jīng)歷了一個顯著的“下降”和“回升”的過程。當(dāng)?shù)叵鲁袎核患眲∠陆禃r，地層產(chǎn)生“負(fù)壓”，發(fā)生抽吸作用，將空氣通過一定的通道，如水井等，抽吸至地下；當(dāng)?shù)叵滤簧仙龝r，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)有害氣體成分檢測報告，氮?dú)?N2)占總體積的97%，含量很高；而推測氧氣(O2)則被微生物在分解有機(jī)物的過程中被消耗，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)成因的共同過程，可表達(dá)如下：

由此可推測，該場區(qū)的有害氣體是在相對密閉的環(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、無毒，但屬缺氧氣體，故稱此氣體為有害氣體。

4 結(jié) 論

該場區(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封閉的環(huán)境，使氣體形成后不會逃逸；巨厚層狀的的中粗砂層為氣體的形成提供了儲存空間；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，地下氣體中的氧氣被微生物在分解有機(jī)質(zhì)的過程中被消耗，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。

本場區(qū)的有害氣體是經(jīng)過一系列的物理化學(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?，有害氣體的壓力主要源于承壓水的水頭壓力。

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

[2] 王勇，田湖南，孔令偉，等.杭州地鐵儲氣砂土的抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究與預(yù)測分析[J].巖力力學(xué)，2008，28(增刊): 465-469.

[3] 李磊，黨峰榮.省政府站地下有害氣體專項(xiàng)勘察報告[R].北京：中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，2016：17-18.

[4] 付曉泰 王振平，盧雙航.氣體在水中的溶解機(jī)理及溶解度方程[J].中國科學(xué)：B輯，1996，26(2)：124-130.

[5] 彭興文，李啟航，田利民.武漢地鐵線地下工程有害氣體勘察與防治技術(shù)研究[J].工業(yè)安全與環(huán)保，2013，39(4)：37-41.

[6] 孔令偉，郭愛國，陳守義，等.淺層天然氣井噴對地層的損傷影響與樁基工程危害分析[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2004，24(4): 375-381.

[7] 馮銘璋，季軍.上海地區(qū)淺層氣地質(zhì)災(zāi)害評估[J].上海地質(zhì)，2006，100(4):44-47.

[8] 謝成玉.安徽省沿江軟土淺層天然氣及其對水工建筑物的影響[J].水利水電快報,2005,21(10):11-16.

[9] Meslé MDromart G，Oger P.Microbial methanogenesis in subsurface oil and coal[J].Research in Microbiology,2013,164:959-972.

[10] Schlegel M E，McIntosh J C，Petsch S T，et al.Extent and limits of biodegradation by in situ methanogenic consortia in shale and formation Fluids[J].Applied Geochemistry，2013，28: 172-184.

[11] 蔣精華，俞保林，于躍林，等.中華人民共和國區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查報告哈爾濱市幅(1∶200 000)[R].哈爾濱：黑龍江省地質(zhì)局水文地質(zhì)工程地質(zhì)第二隊(duì)，1982: 48-49.

[12] 周鵬宇，孫法德.哈爾濱市幅1/5萬城市工程地質(zhì)勘察報告書[R].哈爾濱：黑龍江省地質(zhì)局水文地質(zhì)工程地質(zhì)第二隊(duì)，1985: 51-52.

[13] 毛龍，單廣杰，張森，等.哈爾濱市軌道交通2號線一期工程建設(shè)項(xiàng)目地質(zhì)災(zāi)害危險性評估報告[R].哈爾濱：黑龍江省地質(zhì)科學(xué)研究所，2013：78-82.

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

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41071049)

李 磊(1983-)，男，北京人，高級工程師，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