軟土地區(qū)深基坑沼氣預(yù)防與處理施工技術(shù)研究

方 華

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200070

淺層沼氣是城市地下空間開(kāi)發(fā)建設(shè)中可能遇到的地質(zhì)災(zāi)害之一，施工過(guò)程中淺層沼氣的釋放會(huì)對(duì)工程建設(shè)造成影響：一方面，沼氣易與承壓水形成綜合影響，導(dǎo)致地下工程施工存在突涌、流砂、結(jié)構(gòu)開(kāi)裂或結(jié)構(gòu)破壞等安全風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，沼氣易燃，與空氣接觸達(dá)到一定濃度時(shí)易造成爆炸事故，沼氣對(duì)人體有害，輕者致人惡心嘔吐，重則致人中毒或死亡，安全風(fēng)險(xiǎn)極大。

上海天然氣主干管道越江隧道工程的崇明島工作井鄰近長(zhǎng)江邊，地下水豐富，初勘顯示工作井范圍內(nèi)分布有未探明的淺層沼氣，因此在崇明島工作井深基坑施工前和施工中需要采取必要的沼氣處理措施以保證深基坑工程的安全順利實(shí)施。本文以崇明島工作井深基坑工程施工為例，從放氣降壓、隔氣施工、注漿和通風(fēng)等方面敘述了軟土地區(qū)深基坑沼氣預(yù)防與處理施工技術(shù)，最終確保深基坑的安全順利實(shí)施。

1 工程概況

上海天然氣主干管道越江隧道為穿越長(zhǎng)江的天然氣主干管道越江隧道工程，其盾構(gòu)接收工作井位于崇明島，在崇明島大堤南側(cè)、上海長(zhǎng)江大橋東側(cè)。

該工作井基坑采用明挖順作法施工，基坑外包尺寸22.6 m×15.6 m，基坑面積266.64 m2，開(kāi)挖深度為28.385 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)為深62 m、厚1 200 mm地下連續(xù)墻，采用十字鋼板接頭?；釉O(shè)置8道支撐，2道混凝土支撐＋6道鋼支撐，其中第1、6道為混凝土支撐，其余為φ800 mm鋼支撐。

2 地層和沼氣情況

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，崇明島工作井基坑坑底位于⑤1-1黏土層。根據(jù)勘探施工過(guò)程中勘探孔揭示的沼氣溢出情況，結(jié)合區(qū)域淺層沼氣分布特征，初步判定本工程沿線(xiàn)⑤1-1層下部、⑤2層、⑤3-1層和⑤3-2層為可能的淺層沼氣儲(chǔ)氣層。為了詳細(xì)查明崇明島工作井沼氣分布情況，在工作井基坑施工前進(jìn)行了沼氣專(zhuān)項(xiàng)補(bǔ)探。

補(bǔ)探結(jié)果顯示，崇明島工作井區(qū)域沼氣位于⑤3-1層和⑤3-2層，實(shí)測(cè)壓力介于15～50 kPa，修正壓力介于55～100 kPa。一方面，沼氣壓力會(huì)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和基坑開(kāi)挖施工帶來(lái)不利影響，另一方面，崇明島工作井的沼氣儲(chǔ)氣層⑤3-1層距離基坑底部?jī)H2 m，施工風(fēng)險(xiǎn)高，一旦施工過(guò)程中發(fā)生沼氣釋放，處理難度大，因此應(yīng)采取相應(yīng)的沼氣防治措施。

3 沼氣預(yù)防與處理技術(shù)

3.1 勘察階段沼氣探查與釋放措施

3.1.1 沼氣氣壓量測(cè)原理

沼氣氣壓量測(cè)原理如圖1所示。

圖1 量測(cè)原理

考慮到常規(guī)單獨(dú)鉆孔無(wú)法測(cè)得沼氣壓力，現(xiàn)場(chǎng)采用鉆孔和靜壓滑管式探桿相結(jié)合的手段，靜壓滑管式探桿主要由錐形導(dǎo)頭、密封圈、多孔濾管和滑動(dòng)式護(hù)管等4部分組成。沼氣氣壓可按下式估算：

式中：P1—土層儲(chǔ)氣氣囊內(nèi)的沼氣氣壓；

P2—儲(chǔ)氣罐的壓力表讀數(shù)；

P3—探桿內(nèi)水頭壓力。

3.1.2 探查及釋放工藝流程

分段量測(cè)工作井底板上下儲(chǔ)氣層的沼氣氣壓，根據(jù)壓力大小（是否達(dá)到需排氣標(biāo)準(zhǔn)）決定是否開(kāi)展沼氣釋放工作。沼氣探查釋放流程：探查釋放孔測(cè)量定位→下套管，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深→敲入靜壓滑管式探桿，連接氣壓裝置→記錄氣壓表讀數(shù)，移至下一試驗(yàn)段→沼氣釋放→沼氣壓力達(dá)到停止釋放標(biāo)準(zhǔn)→拔套管，封孔。

以試驗(yàn)段深度20～25 m為例，操作程序如下。

1）通過(guò)三葉鉆回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)至20 m深度。

2）提鉆換靜壓滑管式探桿，連接鉆桿，自20 m深度錘擊至25 m深度。

3）上拔鉆桿，滑管式探桿底端不動(dòng)，滑動(dòng)式護(hù)管上移，濾管段外露，與地下水及沼氣形成連通通道。

4）沼氣通過(guò)濾管進(jìn)入管內(nèi)，在地表鉆桿連接處接三通設(shè)備，沼氣進(jìn)入壓力罐，通過(guò)上方壓力表測(cè)得P2讀數(shù)，考慮管內(nèi)水壓力的數(shù)據(jù)P3，換算沼氣壓力。

5）可通過(guò)壓力儲(chǔ)氣罐閘筏噴口量測(cè)沼氣濃度。

6）揭示沼氣噴出或套管內(nèi)水面翻騰、冒泡現(xiàn)象，及時(shí)拍照并拍攝視頻。

3.2 設(shè)計(jì)階段沼氣預(yù)防措施

3.2.1 地下連續(xù)墻墻縫隔氣

地下連續(xù)墻十字鋼板接頭具有較好的隔水效果，但隔氣效果有所欠缺，為此，采用MJS工法樁單樁作為墻縫加固措施，深度至沼氣儲(chǔ)氣層底，以達(dá)到良好的隔氣效果（圖2）。隔氣加固深度和高度應(yīng)隔斷儲(chǔ)氣層和⑦層承壓水，并進(jìn)入⑧層土不小于2 m。MJS工法樁采用φ2 200 mm半圓加固，水泥摻量為45%，深度－57.3～－15.3 m（上部已有槽壁加固）。

圖2 墻縫止水MJS加固平面示意

3.2.2 基坑底部隔氣

崇明島工作井潛在沼氣儲(chǔ)氣層位于基坑底以下2～12 m，沼氣易突破坑底土層形成釋放通道，并串通微承壓水，造成突涌危害，危及作業(yè)人員安全和基坑安全。為此，在基坑底部采用MJS滿(mǎn)堂加固，替代裙邊、抽條加固，以達(dá)到良好的基坑底部隔氣效果（圖3）。MJS加固為φ2 200 mm@1 800 mm，水泥摻量為45%，樁長(zhǎng)5 m，深度－29.185～－24.185 m，基坑底MJS滿(mǎn)堂加固在鉆孔樁施工后實(shí)施。

圖3 基坑底MJS滿(mǎn)堂加固平面示意

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工階段沼氣防治措施

3.3.1 地下連續(xù)墻施工槽段內(nèi)增設(shè)降水井與放氣孔

為減少沼氣對(duì)地下連續(xù)墻成槽質(zhì)量的影響，在地下連續(xù)墻槽段間增設(shè)4口降水井與6口放氣孔，深度45 m，用于成槽期間放氣。降水井與放氣孔均采用PVC管，方便成槽時(shí)挖出，降水井采用φ200 mm的PVC管，放氣孔采用φ20 mm的PVC管，并采用中粗砂回填。

設(shè)置降水井和放氣孔后，成槽槽段內(nèi)后續(xù)地下連續(xù)墻施工中基本無(wú)沼氣溢出。地下連續(xù)墻槽壁穩(wěn)定，超聲波檢測(cè)結(jié)果良好，垂直度達(dá)到1/500。

3.3.2 采用氣舉反循環(huán)清底

地下連續(xù)墻成槽深度62 m，存在厚14 m的砂層，施工中槽底沉渣較厚，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)成槽后沉渣約50～100 cm，鋼筋籠下放到底后沉渣約100～200 cm。為此，現(xiàn)場(chǎng)采用大容量空壓機(jī)進(jìn)行氣舉反循環(huán)清底，并減小砂層沼氣串通的可能。清底施工中出漿量有所增加，清底效果明顯，清底后沉渣僅0.3～0.5 m。

3.3.3 在墻縫處增加注漿管

墻縫是地下連續(xù)墻的主要滲漏點(diǎn)，為此，在十字鋼板兩側(cè)增設(shè)2根長(zhǎng)35 m的注漿管，通長(zhǎng)開(kāi)孔，在墻趾注漿同時(shí)劈通通長(zhǎng)開(kāi)孔的注漿管，同時(shí)采用隔氣效果更好的水泥＋膨潤(rùn)土漿液作為墻縫與墻趾注漿材料。

崇明島工作井基坑開(kāi)挖后，墻縫僅有輕微滲漏與濕跡。在進(jìn)行墻縫注漿后，所有墻縫均無(wú)滲漏，墻縫止水效果較好。

3.4 基坑開(kāi)挖階段沼氣防治措施

3.4.1 基坑通風(fēng)

沼氣易燃，與空氣接觸達(dá)到一定濃度時(shí)會(huì)造成爆炸事故，沼氣對(duì)人體也有害，輕者致人惡心嘔吐，重則致人中毒或死亡，安全風(fēng)險(xiǎn)極大。

崇明島工作井基坑平面尺寸不大，采用強(qiáng)制送風(fēng)的方式將新鮮空氣送至基坑底對(duì)可能泄漏的沼氣進(jìn)行強(qiáng)排。風(fēng)機(jī)風(fēng)量237～345 m3/min，基坑底部5 m深度的基坑體積1 333 m3，通風(fēng)5 min內(nèi)即可對(duì)基坑底部換氣一次，滿(mǎn)足施工安全要求。

在整個(gè)基坑開(kāi)挖過(guò)程中，加強(qiáng)對(duì)地下連續(xù)墻墻縫、樁頭、井管周?chē)茁┧恻c(diǎn)的監(jiān)測(cè)，預(yù)防沼氣泄漏。

3.4.2 基坑降水

為保證崇明島工作井基坑施工安全，施工中采取了輔助降水措施。由于崇明島工作井地下連續(xù)墻已隔斷承壓含水層，所以在工作井內(nèi)設(shè)置2口深31 m的疏干井，2口深52 m的降壓井，坑外設(shè)置3口承壓水觀測(cè)兼?zhèn)溆媒祲壕?，通過(guò)有效的降水減少沼氣與承壓水對(duì)基坑的綜合作用。

3.4.3 倒濾層施工

本工程基坑墊層下增設(shè)倒濾層，用于將潛在的沼氣引至釋放孔集中釋放，避免沼氣分散釋放造成結(jié)構(gòu)底板的大面積破壞。倒濾層包括2層結(jié)構(gòu)，分別為厚20 cm碎石和厚20 cm粗砂，在砂碎石倒濾層上鋪設(shè)土工織物，均采用人工攤鋪一次到底（圖4）。

圖4 倒濾層示意

倒濾層與土工織物施工完成后，預(yù)留放氣注漿管，注漿管頂部設(shè)置球閥，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行放氣，底部進(jìn)入粗砂層10 cm，并采用3層密布網(wǎng)包裹，確保泥砂無(wú)法進(jìn)入。注漿管分2段安裝，墊層澆筑時(shí)，設(shè)置第1段；底板澆筑時(shí)，將注漿管接長(zhǎng)至底板頂面10 cm。

結(jié)構(gòu)底板澆筑完成，混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，對(duì)倒濾層采用超細(xì)膨潤(rùn)土漿液注漿，封閉倒濾層水汽通道，確保后期工作井的整體安全?？紤]到氣體通道的復(fù)雜性，采用延緩凝固時(shí)間的注漿漿液，使?jié){液充分流淌并填充倒濾層中的孔隙或水汽通道。

1）底板與墊層施工時(shí)，根據(jù)基坑面積，平均布置6根φ20 mm的鍍鋅鋼管，鋼管頭部設(shè)置球閥，鋼管底部接觸部位采用200目以上（孔徑不大于0.075 mm）的紗布封閉，使氣體從鋼管中漏出。

2）注漿管穿越防水層時(shí)，四周采用遇水膨脹止水膠封閉，穿越底板時(shí)，管身焊接2道φ10 cm的止水片，并且在焊縫處設(shè)置遇水膨脹止水膠。

3）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度達(dá)到要求后在球閥上安裝1個(gè)變徑管，用于連接注漿管。

4）配制水泥漿＋膨潤(rùn)土漿液，采用注漿泵將漿液注入。

5）注漿壓力不高于0.2 MPa，注漿壓力突然快速上升時(shí)關(guān)閉球閥，停止注漿。

3.5 沼氣影響下結(jié)構(gòu)后續(xù)處理技術(shù)

沼氣與承壓水的綜合影響，會(huì)造成基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏、地下水汽突涌等問(wèn)題。在沼氣未被完全封堵、結(jié)構(gòu)混凝土未達(dá)到設(shè)計(jì)要求、抗?jié)B性能未滿(mǎn)足的情況下，會(huì)破壞結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)裂縫、滲漏甚至大面積龜裂等情況。

3.5.1 結(jié)構(gòu)底板地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)

對(duì)受損底板，可采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行普測(cè)。地質(zhì)雷達(dá)的高頻電磁脈沖在混凝土內(nèi)部傳播時(shí)，如被測(cè)混凝土內(nèi)存在空洞、裂縫、蜂窩麻面、澆筑不密實(shí)等缺陷，會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)剖面相位和幅度發(fā)生變化，由此可確定缺陷位置、深度和其他參數(shù)。

探測(cè)時(shí)，沿底板縱橫方向每間隔1 m設(shè)置1條測(cè)線(xiàn)，探測(cè)底板混凝土內(nèi)部是否存在缺陷，并對(duì)疑似缺陷區(qū)域進(jìn)行多次復(fù)測(cè)以確定缺陷位置、深度等參數(shù)。

3.5.2 注漿

如果結(jié)構(gòu)施工后仍有大量沼氣溢出，考慮到氣體釋放通道的復(fù)雜性，可采用延緩凝固時(shí)間的注漿漿液，使?jié){液充分流淌并填充倒濾層中的孔隙或水汽通道，以達(dá)到封堵的目的。

注漿工藝如下。

1）找到漏氣點(diǎn)，鑿出深約30 cm的漏斗形缺口。

2）插入φ50 mm、長(zhǎng)500 mm的鍍鋅鋼管，鋼管頭部采用球閥（打開(kāi)狀態(tài)）連接，鋼管與漏斗形缺口接觸部位采用少量黏土或砂封閉，使氣體從鋼管中漏出。

3）采用雙快水泥快速封堵漏斗與鍍鋅鋼管邊緣。

4）完成全部漏氣點(diǎn)的鍍鋅鋼管預(yù)埋。

5）待雙快水泥達(dá)到一定強(qiáng)度后，在表面一圈設(shè)置堆載，然后在球閥上安裝變徑管用于連接注漿管。

6）配制水泥漿＋膨潤(rùn)土漿液，采用注漿泵將漿液注入。

7）注漿壓力控制為0.5 MPa，注漿壓力突然快速上升時(shí)關(guān)閉球閥，停止注漿。

3.5.3 環(huán)氧樹(shù)脂堵漏修補(bǔ)

對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)上較細(xì)（寬度小于0.2 mm）的裂縫，可采用毛刷或鋼絲刷等工具清掃混凝土表面塵土，清除裂縫周?chē)酌撀涞母∑ぁ⒖展牡哪ɑ业?，然后用棉絲蘸乙醇沿裂縫方向兩側(cè)20～30 mm處擦洗干凈并保持干燥。

1）采用表面處理的裂縫，可用灌漿盒或灌漿嘴進(jìn)行灌漿。鑿“V”形槽的裂縫宜用灌漿嘴，鉆孔內(nèi)使用灌漿泵。

2）在裂縫交叉處、較寬處、端部以及裂縫貫穿處，當(dāng)縫隙小于1 mm時(shí)，埋設(shè)的灌漿泵間距350～500 mm；當(dāng)縫隙大于1 mm時(shí)，間距500～1 000 mm。

3）埋設(shè)時(shí)，可先在灌漿嘴（盒、泵）的底盤(pán)上抹1層厚約1 mm的環(huán)氧樹(shù)脂膠泥將灌漿的進(jìn)漿口騎縫粘貼在預(yù)定位置上。

4）封縫采用環(huán)氧樹(shù)脂膠泥，先在裂縫兩側(cè)（寬20～30 mm）涂1層環(huán)氧樹(shù)脂基液，后抹1層厚1 mm左右、寬20～30 mm的環(huán)氧樹(shù)脂膠泥，抹膠泥時(shí)應(yīng)防止產(chǎn)生小孔和氣泡，要掛平整，保證封閉可靠。

5）裂縫封閉后應(yīng)進(jìn)行壓氣試漏，檢查密閉效果。試漏需待封縫膠泥有一定強(qiáng)度時(shí)進(jìn)行，試漏前沿裂縫涂1層肥皂水，從灌漿口通入壓縮空氣，凡漏氣處，應(yīng)予以修補(bǔ)密封至不漏為止。

4 結(jié)語(yǔ)

淺層沼氣是城市地下空間開(kāi)發(fā)建設(shè)中可能遇到的地質(zhì)災(zāi)害之一，施工過(guò)程中淺層沼氣的釋放會(huì)對(duì)工程建設(shè)帶來(lái)影響，安全風(fēng)險(xiǎn)極大。

本文以上海天然氣主干管道越江隧道工程的崇明島工作井深基坑工程施工為例，從放氣降壓、隔氣施工、注漿和通風(fēng)等方面敘述了軟土地區(qū)深基坑沼氣預(yù)防與處理施工技術(shù)，最終確保深基坑的安全順利實(shí)施，并得出以下結(jié)論。

1）在深基坑施工前，可通過(guò)沼氣專(zhuān)項(xiàng)補(bǔ)探詳細(xì)查明淺層沼氣分布情況，以便采取針對(duì)性的沼氣防治措施。

2）針對(duì)地下連續(xù)墻墻縫、基坑底等沼氣易釋放通道，可采取地基加固措施隔氣。

3）在深基坑施工中，可采取增設(shè)放氣降水井、氣舉反循環(huán)清底、基坑降水、設(shè)置倒濾層、預(yù)留注漿管和通風(fēng)等措施，釋放可能的沼氣、降低沼氣與承壓水的綜合影響、降低施工區(qū)域沼氣濃度。

4）在基坑施工后，可用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)底板是否存在缺陷及缺陷情況，并有針對(duì)性地采取注漿或環(huán)氧樹(shù)脂修補(bǔ)等措施。