本文摘要：摘要：盾构施工中难免会遇到含气土层，含气土层中的浅层气体会对施工过程以及施工人员造成巨大影响及危害。经过总结我国各地区土层的土质类型，浅层气气压、埋深以及气体成分发现大多都是以有机质分解产生的CH4气体为主，且成因略有不同。对已有灾害案例进行
摘要：盾构施工中难免会遇到含气土层，含气土层中的浅层气体会对施工过程以及施工人员造成巨大影响及危害。经过总结我国各地区土层的土质类型，浅层气气压、埋深以及气体成分发现大多都是以有机质分解产生的CH4气体为主，且成因略有不同。对已有灾害案例进行分析，阐述了含气土中浅层气的工程影响、气体释放控制以及基质吸力的变化。结果表明，含气土作为一种特殊的非饱和土，抗剪强度以及土体变形受基质吸力的影响。同时，浅层气的无控或有控释放会对周围土体造成不同程度的扰动，而在工程上的解决措施以预先有控释放为主，并列举一些有效措施可消除含气土中有害气体对地铁隧道施工造成的隐患。
关键词地铁含气土施工影响气体控制土体扰动
在沿海软土地区，存在大量浅层气体，对地下工程建设造成了严重威胁[1]。这些浅层气体用常规的勘察手段难以识别，若不采取相应工程措施，在日后的施工过程中易形成危害，严重影响施工进度、周边环境和人员安全[2]。含气土中浅层气体的危害已成为我国主要面临的工程问题之一。目前，在国内外的各种工程建设中，浅层气引发的隧道沉降，甲烷爆炸，基坑隆起，建筑物沉陷等现象屡见不鲜，造成了巨大的经济损失。例如，杭州地铁号线工程在勘察过程中，出现气体喷发，基坑底板突涌的现象[3]。
武汉地铁号线工程因施工时造成有害气体泄露，并且引发大面积燃烧[4]。日本在填海造地过程中，发生有害气体喷发并爆炸的案例等[5]。针对这些问题，国内外各学者展开了一系列的研究。HongY等[6]通过电镜扫描研究了含气土的性质及微观形态，指出了气泡和土骨架间的相互作用。Sultan等[7]认为气泡在高压环境下可能会导致土体不连续、微裂纹和土骨架坍塌的形成。Ravichandran[8]研究了基质吸力变化对非饱和土性状的影响。
Khave[9]分析了Zagros输水隧道内气体的危害及影响来源。周少东等[10]详细介绍了浅层气隧道施工与设计、监测系统、通风系统、施工管理等措施。郭爱国[11]基于杭州地铁号线工程，发现浅层气体在施工过程中的失控释放会造成土体扰动破坏和沟槽壁坍塌，当穿越含气层时也存在局部失稳的问题。梁立刚等[12]提出了盾构隧道穿越沼气地层的“事前、事中和事后”三层风险识别与控制体系，分析了盾构掘进速度、掘进量与含气地层中气体的关系。刘治宇等[13]对浅层气体的特征及成分进行分析，提出了超前排气的治理措施。
林文书[14]、李越[15]等重点阐述了盾构穿越含气地层施工中对于盾构出土、盾尾油脂密封、同步注浆以及电器的防爆改造等方面的技术优化，以预防盾构在施工过程中浅层气进入隧道。目前来讲，国内外对于含气土的工程影响研究相对较少，特别是有关含气土盾构方面的影响研究。因此，本文基于近年来国内外学者的研究成果和工程案例，系统地阐述了含气土中的浅层气的成因及分布、工程灾害及气体控制影响以及相应的盾构施工措施，最后提出了笔者的研究展望，旨在为相关研究提供思路和借鉴。
1含气土中浅层气成因及分布
含气土是一种孔隙中含闭合气体或者高溶解气体的特殊非饱和土，其气相与大气隔绝，较为封闭，并且孔隙气压大[16]。Wheeler[17]分析了非饱和土中各个不同的含气形态，并提出了几种类型。
1.1浅层气形成原因
含气土中富含大量浅层气，浅层气的形成原因可归为四点[1]：
(1)持续层降，快速沉积是浅层气形成的地质条件;(2)丰富的有机质是浅层气形成的基础;(3)强氧化还原的介质条件有利于浅层气形成;(4)气候因素间接影响和控制浅层气的形成。海相、河湖相的地层中，其土质类型包括淤泥、淤泥质黏土和淤泥质粉质黏土[18]等。
大量的有机质富集于土层中，在厌氧细菌的生化作用下进行分解发酵，生成浅层气[19]。同时，浅海相淤泥不但有良好的产气效果，而且也具有自封作用[20]。当浅层气生成后，一部分向外界溢散，另一部分被吸附以及溶解于土体与孔隙水中，当土层的吸附能力和孔隙水的溶解作用达到饱和后，游离气体便会以囊状存在于土层中，被上层的淤泥质土所封存。
1.2浅层气赋存状态从宏观角度分析，浅层气埋藏于地底之下主要有四种形态[21]。
(1)浅层气与沉积物伴生，分布面积大。(2)团块状气体，由于不同沉积物中有机质含量和孔隙率的不同，浅层气的分布往往不均匀，在一个或多个块体中相对富集。(3)高压气囊，气体沿土体的孔隙上升并被封气层所覆盖，压力随时间的推进不断增大，形成了高压气囊。(4)气底辟，高压气囊在气压差作用下，会冲向上部覆盖层的薄弱部分，形成气底辟，最后，气底辟会冲破整个覆盖层，喷出地面。
2含气土中浅层气的工程灾害及气体控制影响
2.1浅层气的工程影响
在地下空间的发展过程中，含气土中施工引起的工程灾害时有报道，尤其是对盾构施工造成的影响甚大。然而，现有关于浅层气的研究主要集中在能源利用方面，而关于浅层气体对工程影响灾害的研究较少。其中，孔令伟[28]认为浅层气喷发会造成桩基承载力的破坏，产生负摩阻力，并提出了预先控制气体释放和充分考虑不利因素相结合的防灾减灾措施。杨静伟[29]通过桥梁工程分析了浅层有害气体对工程施工的影响，并提出相应措施。
赵小辉[2]结合工程实例，分别总结了浅层气对地铁运营期及施工期的影响，高健[19]进一步提出了各种有效的对策。唐益群[30]分析了土体因气体释放产生的固结变形规律，并在此基础上探讨了浅层气的工程危害影响。王勇[31]通过模型箱试验研究了含气土中气体释放和回聚对隧道力学稳定性的影响，认为气体的释放和再回聚都会使隧道产生附加变形与应力。
2.2气体有控释放下对土体变形的影响
气体以气泡的形式聚集在土层中，形成孔隙气压力，当气体向上渗透时，会使上部土层发生扰动，令土颗粒的流动性增强[39]。在施工前，往往先对气体做释放处理，而浅层气的释放分为有控释放和无控释放，不同的释放速率导致了不同的变形程度[38]。当无控释放发生时，土层产生强烈扰动，高压气体同时喷射出土体和水，土体结构破坏，强度完全丧失，导致隧道发生变形、歪曲，管片接头断开，进水进气，甚至发生隧道断裂[40];而有控释放时，土体结构没有被完全破坏，仍然具有一定的强度。
此外，有控释放后气压会降低，但是存在气体回聚现象，其压力较气体释放前低，并且气体释放完后，土层的塑形变形基本全部完成，即使再回聚也不会发生大的变形[41]，如图所示。显然，浅层气有控释放对土体的扰动是一个可控的过程，会减少土体的沉降以及变形。
2.3气体有控释放下基质吸力对土体的影响
由于气体的释放导致基质吸力在不断减小，土体逐渐转向饱和状态，必将引起土体的抗剪强度发生变化。如果前期气体过快地释放，水相移运会阻碍甚至中断气相的流动，出现“贾敏效应”[47]。含气砂土的性质较饱和土复杂的多，对于饱和土，常规用摩尔库伦破坏准则去研究土的强度特性，而这一准则并不适用于含有基质吸力的含气砂土，于是有学者研究了非饱和土的抗剪强度性质，基质吸力是影响非饱和土的抗剪强度的主要因素，基质吸力的表达方式不同导致了各种形态的抗剪强度公式，但大多数还是基于Fredlund提出的双剪变量抗剪强度公式变换的。
3含气土中盾构的施工措施
在盾构隧道勘察、施工和运营期间，由于浅层气体的压力不同，气体和结构在土层中的相对位置会发生变化，不同工况下浅层气体的危害机理和形式也会不同[11]。因此，为了有效防止浅层气对地铁工程的危害，有必要采取针对性的防治措施。
3.1气体排放
当盾构穿过含气地层时，应及时掌握浅层气的埋藏深度、压力、储量等信息。此外，气体分布不规则，在工程地质勘探中容易漏诊，有时提前排放的沼气带还会再次累积。施工中一般使用超前探排气方法[56]进行排气。针对排放设备，陈晓燕[57]在原有单孔排放的基础上，提出了一种双孔排放工艺。现有的静压排气设备大多根据静力触探设施与油气开采设备[58]结合改进，降低了对周围地层的破坏，并且基于土力学参数测量，一边放气确定气体的压力、流量大小，另一边通过气体回收装置回收气体。
4存在问题与展望
本文较为系统地总结了国内外学者关于含气土层中浅层气的工程影响相关研究，结合正开展的研究工作，笔者认为以下几个方面有待进一步探讨和深入。
(1)周围环境影响以及隧道掘进影响。现有研究主要集中于气体释放对周围土体的影响，而气体释放造成土体本身气相的改变所引发盾构隧道变形的研究鲜有报道，所以有必要进行放气对邻近地铁盾构隧道变形影响的相关研究。另外，非饱和土含有基质吸力，在盾构掘进过程中会增加刀盘的阻力和推力，从而对土体造成更大的扰动。如果控制不当易引起周围土体隆沉，对施工造成一定的影响。关于含气土层盾构掘进对土体造成的沉降计算亟待更深入的研究。
(2)模型试验。现有模型试验中，有的学者通过建立含气土层来研究放气对土体的影响机理，还有一些学者通过建立管道模型箱并放气来研究气体释放对管片造成的影响。鲜有关于含气土层中盾构掘进对土层造成沉降大小的模型箱试验研究。并且，模型试验中对于含气土中气体的选配以及灌入是一 个难点。如何解决这个问题并加入盾构掘进动态模拟，对今后的研究有一定的意义。
(3)实测分析。实测分析过程中通常是以气体释放后相关气体的元素分析以及压力和流量的变化分析为主，鲜有关于含气土盾构掘进中盾构参数的变化，土体的沉降变化，以及周围建筑物和管线的沉降变化。在日后的研究中，有必要加强现场测点布设并实时采集现场数据进行分析，可以对含气土盾构有更深刻的认识。
(4)相关施工规范。含气土作为一种特殊的非饱和土，对于施工扰动较为敏感，且土层变形特征及其灾变机理方面认识尚不明确。在工程建设中，只有煤炭瓦斯气体方面的规范可以去遵循借鉴，而暂缺含气土层中地铁盾构的相关规范，因此，可以根据含气土变形机理建立相关的规范，为以后盾构施工奠定基础，更有效得减少浅层气对土体造成的灾害。
力学论文投稿刊物：《岩土力学》(Rockand Soil Mechanics)杂志创刊于1979年，中华人民共和国新闻出版总署、正式批准公开发行的优秀期刊。由中国科学院武汉岩土力学研究所主办，中国科学院主管，国际标准刊号：1000-7598，国内统一刊号：CN42-1199/O3，国外发行代号：Q4097，联合征定代号：LD421199，每季末20日出版，国内外公开发行。
5结语
地铁建设过程中遭遇的浅层气灾害案例愈来愈多，各种新的问题也不断出现，如何减少浅层气对地铁建设造成的影响，保证盾构施工有效安全的进行，是学者们一直以来关注的焦点。含气土是一种特殊的非饱和土，已有不少学者在非饱和土研究方面取得了一定的成果，但是对于盾构工程中含气土的灾变模式的研究还有待进行。望本文能够给予研究者一些帮助与启发，为以后相关领域的研究提供有益参考。
参考文献(References)
[1]陈少平孙家振沈传波等.杭州湾地区浅层气成藏条件分析[].华东地质学院学报2003():352356.CHENShaopingSUNJiazhenSHENChuanboetal.ReservoirormationonditionofhallowasinthereaofHangzhouay[].JournalofEastChinaInstituteofGeology200326():352356.
[2]赵小辉.杭州浅层有害气体对地铁建设的影响[].西部探矿工程201022():203207.HAOiaohui.ImpactofHangzhouhallowarmfulasesonetroonstruction[].WesternExplorationProject201022():203207.
[3]郭爱国孔令伟沈林冲等.地铁建设中浅层气危害防治对策研究[].岩土力学201334():811817.GUOAiguoKONGLingweiSHENLinchongetal.Studyofdisastercountermeasuresofshallowgasinmetroconstruction[].RocandSoilMechanics201334():81817.
作者：丁智1，2，何晨阳1，张霄1，张文宏3，吴胜4
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