浅议杭州地铁隧道有害气体的危害及防治对策

浅议杭州地铁隧道有害气体的危害及防治对策 浅议杭州地铁隧道有害气体的危害及防治 对策 2010年5月 第5期(总140) 铁道工程 JOURNALOFRAILWAYENGINEERINGSOCIETY Mav2010 NO.5(Ser.140) 文章编号:1006—2106(2010)05—0082—05 浅议杭,kltI地铁隧道有害气体的危害及防治对策 陈广峰陈惠芳2洪敏管金林赵蓉4 (1.清华大学,北京100084;2.中国矿业大学,江苏徐州221116;3.北京城建地铁 地基市政工程有限公司,北京102209;4.北京建筑工程学院,北京100044) 摘要:研究目的:杭州地铁1号线I标段滨康路站至西兴站区间含有沼气层,沼气(瓦斯)在隧道里的聚集将 直接危胁到盾构施工和建成后运营安全,可能的瓦斯爆炸甚至会危及地上建筑物和周边的居民.通过室内模 拟实验与和现场足尺试验测定,提出临界影响值和预防措施. 研究结论:通过分析地下工程有害气体对施工及环境的危害程度,拟定了针对土层中有害气体需进行的 安全评估内容.以杭州地铁工程为例,研究确定了沼气排放的解决方法,通过室内模拟实验和现场足尺试验 测定沼气浓度对施工和运营的临界影响值,并采用在地面上打一定数量的排气孔,将富涵在地下浅层中的沼 气排出,降低或消除沼气弓l起的安全隐患,确保了地铁施工和运营期的安全. 关键词:沼气聚集;室内模拟实验;现场足尺试验;气体临界浓度;钻孔;减压抽吸 中图分类号:u458文献标识码:A DiscussionontheHarmofHarmfulGasesofHangzhouTunnelandI Countermeasures CHENGuang—feng,CHENHui—fang,HONGMin.GUANJin—lin,ZHAORong (1.TsinghuaUniversity,Beijing100084;2.ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou,Jiangsu221116, China;3.BeijingUrbanConstructionMunicipalSubwayFoundationEngineeringCo.Ltd,Beijing102209,China; 4.BeringInstituteofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China) Abstract:Researchpurposes:MarshgasexistsintheareafromBinkangRoadStationtoWestxingStationofLine1of Hangzhousubway.Ifthemarshgasgathersinthetunnel,itllcauseharmstotheconstructionofshieldtunnelandthe operationsafetyofthetunnel,andeventheprobablegasblastcancausetheharmstothesurroundingresidentsand buildings.Basedonindoorsimulationexperimentandanalysisaswellasthefull— scaleexperiment.thecritical influencevaluesandpreventivemeasuresarepresented. Researchconclusions:Throughanalyzingtheharmfuldegreeofharmfulgasontheundergroundconstructionand environment,thesecurityassessmentcontentsnecessarilydonetotheharmfulgascontainedinsoilisareworkedout. ForconstructionofHangzhousubway,thestudyisdoneonthesolutiontoemissionofthemarshgas.Bydoingthe indoorsimulationexperimentandfieldfull— scaleexperiment,thecriticalinfluencevaluesofthemarshgasonthe constructionandoperationoftunnelareobtained.Inaddition,itisnecessarytodrillsomeholesintogroundtoemitthe marshgascontainedinshallowsoilforreducingoreliminatingthehiddensafetydangerSOastoensurethesafetyofthe tunnelconstructionandoperation. Keywords:marshgasgathering;indoorsimulationexperiments;fieldfull— scaleexperiment;criticalconcentrationof gas;boring;vacuumsuction 收稿日期:2010—03—16 作者简介:陈广峰,1971年出生,男,教授,清华大学城市规划设计研究院环境岩土与 地下空间研究所所长. 第5期陈广峰陈惠芳洪敏等:浅议杭州地铁隧道有害气体的危害及防治对策83 地下工程施工有时会产生有害气体,其危害之大 越来越引起社会的关注.这些有害气体通常是指瓦斯 (沼气),二氧化碳(CO),硫化氢(HS)及氨气(NH) 等天然气体,在施工过程中如果处理不当,严重时会发 生燃烧或爆炸等后果.国内外对有害气体灾害的预测 主要有超前地质预测和施工地质预测2种方法.我 国从1996年以来就研究适合我国的沼气(瓦斯)灾害 预防,形成了抽放瓦斯的一套预防方法.本文以杭 州地铁盾构区间施工实例,提前预测和分析施工中有 害气体影响安全方面的内容及其危害程度,确定了沼 气排放需要解决的问题,通过室内模拟实验和现场足 尺试验测定沼气浓度对施工和运营的临界影响值,采 用合理方法将富涵在地下浅层中的沼气排出,为施工 的顺利开展做好充分准备.因此,对施工前期进行的 模拟实验进行阐述,有借鉴参考价值. 1工程概述 杭州地铁1号线位于杭州市江南副城,隧道外径 6.20m;最小平曲线半径400m,最大纵坡24‰,埋深 范围8.1,15.51TI.隧道开挖区间采用土压平衡盾构 法施工,联络通道采用矿山法施工.根据相关勘察结 果,在该区长度约300ITI的范围内分布着压力大小不 一 的有害气体,主要成分为甲烷.其分布如图1所示. , : 一薹羹一一—,: o.40MPaO.3OMPaO.2OMPaO.10MPa0.00MPa 图1区间沼气分布图 2初步拟定针对土层中有害气体需进行 安全评估的内容 有害气体有严重的危害,比如对环境的污染和危 害程度,对周围土体的扰动是否会引起地面沉降等. 针对这些问题,通过研究提出相应的可供地铁施工,设 计参考的安全评估. (1)有害气体在施工期间的释放对环境的污染和 危害程度指标; (2)有害气体的释放对周围土体的扰动引起地面 沉降指标; (3)在施工期间针对有害气体进行的工程监测项 目,内容,措施,标准; (4)施工监测系统的标准,通风系统的标准; (5)渗漏水量标准(已有)及可溶性有害气体的 含量对应,并计算提出可溶性有害气体的含量警 戒值; (6)盾构穿越土层中可溶性有害气体对盾构运营 的影响标准;渗漏水量标准(已有)及可溶性有害气体 的含量对应表,并计算提出可溶性有害气体的含量警 戒值; (7)盾构推进时穿越的土层中不含有害气体但接 近储气层时有害气体突出的可能性土层上盖厚度的参 考值; (8)盾构隧道穿越的土层不含有害气体但下卧层 含有害气体的情况下,单层衬砌盾构隧道在运营期间 的有害气体对运营的安全影响;隧道底距离含气层顶 的高度产生的影响范围; (9)盾构隧道穿越的土层含有可溶性有害气体的 情况下,单层衬砌盾构隧道在运营期间的有害气体对 运营的安全影响; (10)盾构隧道穿越的土层含有承压游离有害气 体的情况下,单层衬砌盾构隧道在运营期间的有害气 体对运营的安全影响; (11)运营期间现有的通风设施能否保证隧道运 营安全:通风系统的评估标准; (12)运营期问的监测系统能否满足有害气体监 测需要:运营期间有害气体监测系统的设置标准. 3需要解决的问题 沼气的主要储存层为透气性极差的粘性土层,为 沼气的抽放带来极大的困难.针对杭州地铁盾构区间 地层有害气体的危害性及防治对策的研究,拟从以下 几个方面展开研究. (1)低透气性粘土层沼气抽放研究; (2)地铁施工及完工后通风系统研究; (3)盾构地铁穿越含有害气体地层的密闭性 研究; (4)地铁施工过程中爆炸防护措施研究. 通过现场试验和实验室试验,提出施工措施,使工 程效果达到安全,技术可行,经济合理的目标,目标 如下: (1)研究适合杭州地铁盾构区间甲烷气体的抽放 技术; (2)掌握杭州地铁盾构施工区间的应力分布及甲 烷气体的运移规律,为将来安全运营提供保证; (3)研究杭州地铁盾构穿越含有害气体地层的密 铁道工程2010年5月 闭性技术,并进行耐久性试验. 4地基土成分分析 分析沼气的来源及地铁建成后含沼气地层可能发 生的变化及物理化学成分变化趋势走向.该试验对于 地铁施工过程中和建成后的安全性评估具有重要意 义.由于煤体无论是在成分还是在形成机理上来说都 与沼气储存层的土体有很大的相似之处,所以在研究 中利用关于煤体的研究设备来对土体进行试验分析. 此试验采用微量元素分析的设备,研究记录下取样试 件各种微量元素的含量. 5沼气解析试验 5.1试验设备 深部煤岩T—P耦合瓦斯解析及检测实验系统. 试验系统有:轴向加压系统,侧向加压系统,温度控制 系统,气体成分检测及计量系统.利用气体成分检测 及计量系统由氮氢空一体机,气相色谱分析仪及高灵 敏度气体压力和流量计量仪表,对取自现场的试样放 在铁模里加温加压使之释放瓦斯气体,得出试样在不 同温度下所逸出气体的流量,压力和成分等.该试验 可以得到现场土体沼气释放特性,从而对沼气逸出的 特性作出定量分析. 5.2试验结论 分析压力,温度等环境条件对沼气逸出的影响,得 到沼气各个气体成分组成的定量分析,该试验对于施 工过程和将来地铁运营过程的安全性评估具有至关重 要的意义.由于瓦斯无论是在成分还是在形成机理上 来说都与沼气有很大的相似之处,试验采用轴向和侧 向加压系统,温度控制系统,气体成分检测及计量系统 等设备研究记录下试样在各种压力,温度组合下的气 体逸出状况.以把握软土中的气体逸出规律. 6盾构工程模拟试验 6.1试验设备 模型试验系统由密封钢(刚)箱体,加载系统,加 载油路系统,数据采集系统,水系统,其它附件等组成. 该系统可以模拟地铁隧道工程,基础工程,边坡稳定和 非开挖等城市地下工程,并可实现地下水对地下工程 影响的模拟.本实验可实现三维加载及地下水影响的 模拟,而且模拟试验系统具有良好的可扩展性,可以在 此基础上增加相应设备实现更多功能. 6.2试验结论 分析地铁盾构施工过程中盾构机对周围土体应力 场的影响,得到地铁盾构施工对周围土体渗透特性的 定量分析,该试验对于施工过程对含有害气体地层影 响的安全性评估具有重要意义.由于地铁盾构是一大 型工程,按照一比一的尺寸进行试验,工作量大周期 长,得到的数据也有限.所以采用地铁盾构模拟系统 进行试验.以把握地铁盾构施工对周围土体影响的规 律.在8m的试验箱内利用试验土体模拟地铁盾构 的地下环境,利用直径50mm的筒体模拟盾构机在地 层中的掘进过程.在土体内埋设压力传感器,通过数 据处理分析盾构过程对所在地层的环境影响. 7混凝土渗透性分析 通过测量试块的导电性,分析地铁衬砌砌块的渗 透性.使用NEL—KDP及NEL—PER系列混凝土渗 透性电测仪,测试地铁隧道衬砌砌块对水的渗透性,其 步骤如下: (1)将混凝土试样切割成100mm×100mm× 50mm或4,1oomm×50mm(试样厚度可以自定,但至 少大于最大骨料粒径),上下表面平整且不存在有浮 浆层的试块; (2)将试样进行饱和水处理并安装在EJU夹 具上; (3)检查不漏后,在负极夹具中倒人3%NaC1溶 液,正极夹具中倒人0.3LNaC1溶液; (4)用测试线连接C120PermeabilityTester主机 与试样夹具的正负极; (5)接通测试主机的电源,按照实验操作说明设 定实验; (6)实验完毕后,清洗试验夹具,保持干燥. 8甲烷爆炸实验 分析甲烷的爆炸特性,为地铁穿越有害气体地层 的安全性评估提供依据,该试验可作为爆炸防护措施 的设计依据.利用甲烷气体在容器内的爆燃或爆轰, 分析其破坏效应. 8.1试验设备 甲烷/空气混合气体爆炸实验在爆炸灾害预防,控 制国家重点实验室中进行,所用爆炸管的内径为 0.35m,总长为82m.该实验利用了其中的一段,长 度为49m.该爆炸管由5节各9m长的长钢管和2段 各2m长的短钢管组成,其构造如图2所示. 管道上设置有14个压力传感器,压力传感器将管 道内的压力(超压)信号转变为电荷量,此电荷量经电 荷放大器转变为电压信号,电压信号传送到示波器中, 在示波器屏幕上可以直接读取,也可通过磁盘或专用 接口输入到计算机中.得到电压信号后,根据电荷放 第5期陈广峰陈惠芳洪敏等:浅议杭州地铁隧道有害气体的危害及防治对策85 图2盾构工程模拟试验系统 大器的工作原理,换算得到管道内各测点的爆炸压力. 爆炸管道设计承受压力大于20MPa,实验都是在 常温(约20)和常压(1arm)的环境条件下进行. 实验中采用的可燃气体均为10%(体积)浓度的 甲烷/空气混合物.每次实验均采用2个电点火炬同 时点火,火矩的组分为30%Ba(NO):,30%BaO和 40%Zr,单个火矩的能量为5000J,总能量为lO000J. 火炬通过电线与l2V稳压电源相连.点火时间与压 力采样时间同步. 8.2试验步骤及结论 具体试验过程如下: 首先在管道加隔膜片,抽真空,充填8%的甲烷后 充满空气,最后采用电点火炬点火引爆.为促进起爆 后的爆燃转爆轰,也可在起爆端增加障碍片. 结合工程实际,应考虑: (1)设置减压井2道或3道以达到局限爆炸范围 的目的,使较远范围不受影响; (2)设置压力测头和减压井贴片测试,记录各关 键点爆燃中的压力变化; (3)设置阻挡装置迟滞压力波的传导,并测试其 相应的强度和防爆效果.若需设置2道或3道的阻挡 装置,则还需测试安全的设置问距和直径,并认定其作 用效果. 此试验结果可为在富含沼气的地段附近建设地铁 和运营时用设置减压井和阻挡装置提供依据.在万一 发生爆炸时可以减小爆炸影响范围,免得整个地下隧 道都受影响.杭州地铁离地面很近应该设置通向地面 的防爆减压井.平时减压井可以用塑料布封闭,做到 保温防雨隔声,待爆炸时高压冲破塑料布向地面释放 压力和高温气体,缓解地下的危害.也可以平时不封 闭,作为自然通风设施使用. 9砌块分缝受力开裂现场实验 分析盾构体砌块接缝承受荷载后抗开裂能力.利 用现场施工条件,采用千斤顶加载模拟砌块受力. 应用液压机在构件上施加一定的压力模拟地铁工 程中当机车通过时,构件裂缝的变化情况,分析得出机 车通过时对研究的相临连接处裂缝宽度所造成的影 响.具体实验原理如下: (1)选择1组模拟压力; (2)利用液压机将此组模拟压力施加在构件连接 部位; (3)利用显微镜观察,当模拟压力作用下,相临构 件连接部位裂缝宽度的变化,?,=,一LL:模拟压 力施加后裂缝的宽度;为模拟压力施加前裂缝的 宽度; (4)再选择其它几种模拟压力组合,重复上述实 验2,3步骤; (5)记录数据汇总; (6)分析各种模拟压力对相临构件连接部位裂缝 宽度的影响; (7)分类总结实验中构件各部位裂缝宽度的变化 情况; (8)归纳得出此次实验的结论. 10解决办法 10.1现实条件 地下沼气主要是由于动植物残体经过厌氧细菌的 发酵作用而生成,主要分布于地下浅层.由于数万年 的经历,能够产生沼气的材料都已反应完毕,今后可能 不会再有新的沼气产生,如能将沼气放出,就可以当成 没有沼气的地层处理. 10.2现场施工方法 根据现场施工条件,决定对区间重点部位的地下 有害气体进行提前排放降压.本次排气施工并非采用 常规的机钻孔排放,而是将油气开采的通用设备与静 力触探设施结合改进研制的静压排气设备,该设备其 探杆外径只有42mm,且设备中安装了各种截止阀,减 压阀以及压力表,可以控制放气流量,大大降低了对周 围地层的破坏.区间放气孔平面布置图如图3所示. 图3区间放气子L平面布置图 86铁道工程2010年5月 施工工艺为:全站仪放样一搭设施工平台一静压 至预定深度一双孔排放一盾构施工.其双孔排放工艺 流程示意图如图4所示.双孔排放工艺由2个排放孔 组成(以下称主孔和附属孔),首先静压主孔至预定深 度,然后轻微挪动静压油缸,在间隔5,10cm的位置 同样将附属孔静压至预定深度,接着将附属孔上拔至 含气层位置进行放气,由于气压小和孔壁淤积等原因, 附属孔的排放效率会大大降低,此时挪动油缸将主孑L 孔底上拔至距离附属孔孔底10,50cm的位置,然后 用空气压缩机向主孔孔内注入0.7MPa压力的空气, 待附属孔畅通无阻后停止注入压力.像这样一旦当附 属孔排放量减小,出现堵塞情况时便向主孔注入压力 以贯通附属孔的孔壁,直至将该孔位的有害气体排放 干净 图4双孑L排放工艺流程示意图 11结论 本文对地铁工程中地层内含有的有害气体进行了 分析,地铁隧道中有害气体无形之中威胁着施工的安 全,沼气(瓦斯)爆炸甚至会危及地上建筑物和周边居 民的安全.经过研究分析,得出以下结论: (1)通过室内模拟实验和现场足尺试验可以测定 出沼气浓度对施工和运营的临界影响值. (2)施工时,提前排放降压,以及采用改进的静压 排气设备,可以控制放气流量,大大降低了对周围地层 的破坏. (3)采用在地面上打一定数量的排气孑L,将富涵 在地下浅层中的沼气排出,以降低或消除沼气引起的 安全隐患,确保了地铁施工和运营期的安全. 参考文献: [I]任光明,陈波,聂德新,等.深埋长隧道有害气体的预测 与防治[J].中国地质灾害与防治,2001(4):64— 67. RenGuangming,ChenBo,NieDexin,etc.Prediction andPreventionofHarmfulGasinDeep—IyingLong Tunnel[J].TheChineseJournalofGeologicalHazard andContro,2001(4):64—67. [2]马维强,抽放瓦斯在矿井技术工作和事故处理工作中应 用[J].科技资讯,2008(12):250—251. MaWeiqiang.TechnicalWorkintheCoalMineGas DrainageandIncidentHandlingApplication[J]. Science&TechnologyInformation,2008(12):250— 251. [3]张琰东.矿井中瓦斯积聚的处理[J].矿山机械,2006 (2):35—36. ZhangYandong.GasAccumulationintheTreatmentof Mine[J].MiningMachinery,2006(2):35-36. [4]王武高.高瓦斯隧道塌方处理施工技术[J].山西建筑, 2007(6):328—330. WangWugao.ProcessingandConstructingSkillofHi— gasTunnelsCollapse[J].ShanxiArchitecture,2007 (6):328—330. [5]孙伟.台子山隧道有害气体防治[J].科技情报开发与 经济,2007(5):288—289. SunWei.TheHarmfulGasProtectioninTaizishan Tunnel[J].Sci—TechInformationDevelopment& Economy,2007(5):288-289. 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