浅析三角洲平原软土中浅层沼气成因及危害

浅析三角洲平原软土中浅层沼气成因及危害

杨勇昌

海南水文地质工程地质勘察院

摘要：本文通过对在实际钻探工作中发现的浅层可燃性气体，从其沉积环境及赋存岩土体进行了成因分析，并对其可能产生的工程建设危害进行初步分析，再次基础上提出了相应的防治措施建议。

关键词：浅层沼气，生储条件，危害性，防治措施

作者在的海南海口南渡江入海口三角洲平原一带进行建设场地工程勘察时，发现个别钻孔存在可燃性气体，通过收集文献及现场检测发现，这些可燃性气体为浅层沼气，成分主要为甲烷。在沉积环境（河流入海口三角洲平原）相似的上海地区就发生过几起由于浅层沼气引起的地下隧道扭曲、断裂、基坑边坡崩塌失稳等事故。在城市开发建设的中，分布浅层沼气的地区可能会引起地质灾害和岩土工程施工事故，这是由于浅层沼气的存在增加了岩土层的压缩性、降低了岩土层的稳定性，威胁到工程建设的安全施工及运营，初步认为是软土中有机质成分在厌氧条件下，当所处地质环境条件，如温度、湿度及pH值等适宜时，经相关微生物发酵作用产生气体。

（一）浅层沼气分布及生储条件

浅层沼气的分布主要集中在三角洲平原区及滨海平原区，含气地层岩土体多为第四系全新统的淤泥质土、淤泥质砂等地层中，埋深多小于20m，具有分布不确定、零散的特点，对地下工程建设和地下空间开发利用影响较大。

浅层沼气的生储条件是影响其赋存状态的重要因素。从场地钻探情况及地层岩性分布，浅层沼气主要生储的典型地质结构为软土层-砂层（淤泥质砂、粉细砂、中粗砂等）-软土层，软土层是沼气的主要生成层，同时也是浅层沼气覆盖层，部分气也可能呈团状富集于软土中；砂层（淤泥质砂、粉细砂、中粗砂等）为主要储气层。

第四系较厚层的软土多以淤泥、淤泥质粘土以及淤泥质粉质粘土等软土为主，间夹有淤泥质粉细砂、粉细砂、中粗砂等，据现场岩性岩心观察，该层土有机质含量较高，在地下还原环境下有机质经过微生物的降解作用产生沼气，其主要成分为甲烷、氮和二氧化碳。这些沼气一部分被封闭在软土层中，一部分则在土层自然固结过程中逸出到相邻的砂层、砂团中聚集、储存起来。

软土中间夹的粉细砂层为沼气的主要储集层位，沼气来自于临近的软土层，少部分由砂层自身所含的有机质分解生成。由于沼气的密度比较小、粉砂层均匀性较好，沼气首先在粉砂层的顶板富集。但是砂层的不同部位受沉积环境的影响而粒度成分不同，则沼气更易于在砂层中分选性比较好的部位聚集。这是因为分选性好的部位颗粒大小均匀，粘粒含量少，孔隙的体积相对较大，连通性也好、气体流动顺畅。另外野外钻探施工过程中发现部分钻孔在刚刚揭穿含气层时测得浓度较低，而继续下钻到一定深度后浓度才逐渐升高，说明其富集区位变化受岩性孔隙大小、颗粒大小及均匀性影响较大。

（二）浅层沼气危害性分析

因浅层沼气埋藏深度一般不超过20m，为工程建设时地下室建设的主要开发利用区位，存在较大的安全隐患，主要影响有以下两个方面：

1、影响土体工程性质，破坏工程建设

地下工程开挖建设时沼气的存在以及沼气的逃逸、释放等对土体结构、强度均会产生较大的影响，一方面气泡的存在改变了土的压缩性，也破坏了土的骨架结构，当土受到外荷载时，在气泡周围的土骨架中会产生应力集中，使得土的抗剪强度有降低的可能；另一方面，在某些情况下，如果孔隙水压力-孔隙气压力的值减小到一定程度，孔隙水会突然流入气泡所占据的空间，形成小的水流，而沼气因压力平衡的破坏而溢出，这些变化使得土的强度又有增加的可能。

基坑开挖时，沼气压力过大，会引起基底失稳而形成坑底土体隆起，坑底沼气逸出就会导致坑底土体沉降或结构底板下形成空腔，严重的会危及围护结构整体稳定性；土的强度变化会对工程造成不均匀沉降、变形或者倾覆、坍塌等危险。

对地下工程围护结构施工也有一定影响，例如钻孔灌注桩施工过程中若有沼气逸出，会使混凝土结构呈蜂窝状或夹泥状，造成局部缺陷破坏混凝土结构，使得灌注桩的质量大打折扣，使其强度降低而形成工程事故。

2、引起爆炸或窒息，危及生命安全

当浅层沼气达到一定条件，一般当浓度在5～15%，空气含氧量不低于12%时，两者混合则可能会形成一种爆炸性气体，遇到明火则产生爆炸，危及施工人员或周边居民的生命财产安全。另外，沼气具有单纯性窒息作用，如果空气中浓度在25～30%时，人就会出现头晕、呼吸和脉搏加速、乏力。肌肉协调运动失常等症状；浓度在43%时，人就会觉得呼吸极为困难，严重者会窒息死亡。如在地下空间施工过程中，遇到高浓度的沼气，则可能会造成施工人员窒息死亡，存在较大的安全隐患。

（三）浅层沼气防治措施及建议

浅层沼气埋藏深度一般不超过20m，是工程施工时可能遇到的不良地质作用之一，必须予以重视，对此一般可采取以下防治措施。

1、提前释放

遇到浅层沼气时，其释放原则上应尽量早于工程建设施工。沼气呈不规则分布，以囊状形式为主，需要不断调整释放孔的间距，进行排摸、释放。在沼气释放过程中，应搜集沼气的具体含量、钻孔释放后的压力下降程度、沼气释放后对周边环境的影响程度、沼气释放后的效果和释放后地下沼气的补充汇拢、沼气释放后土体侧向抗力不均匀的程度等资料。通过一系列试验，进一步完善江东新区浅层沼气释放的方案。

2、保持通风

在沼气含量不超过0.25%时，可按正常抽排风，可采用压入式向地下空间输送空气，减少沼气含量。当沼气含量超过0.25%时，地下空间内应加强通风作业，可采用混合式通风系统，即在输送空气的同时也开启抽出式风机，确定地下空间内沼气含量控制在0.25%以下，保障工程施工的安全进行。

3、加强监测

加强地下空间施工时沼气层段的监控量测，是沼气段工程施工必须采取的一项安全预防措施。虽然在施工前期进行过沼气预释放处理，但大多数沼气主要以囊状形式存在，具有不均匀性，无法保证工程施工区内一定不存在或存在。结合《铁路瓦斯隧道技术规范》（TB10120-2002），当地下空间工程内沼气浓度0～0.25%时为正常作业范围；0.25～0.5%开始警戒，并加强监测；0.5～1%中止作业，加强通风，进行监测；1～1.5%疏散作业人员，切断所有电源（除应急防爆电源外），禁止人员进入，隧道内开启防爆应急灯。若施工人员重新进入施工现场，必须经检测人员检测，沼气浓度小于0.25%时，方可恢复施工。一旦工程建设地下空间出现沼气时，施工人员要及时检测浓度并设立相应的应急预案，以便有足够时间通过加强通风稀释沼气浓度，或进行人员撤离。

参考文献：

1.吕少伟、唐益群、叶为民，《浅层沼气赋集层中土的工程性质浅析》，上海地质1998年03期；

2.孔令伟等，《浅层天然气井喷对地质的损伤影响与桩基工程危害分析》，防灾减灾工程学报，2004，12；

3.软土环境工程地质学，人民交通出版社；

4.孙海波等，《浅层地下水中甲烷气体调查与风险评价》，上海地质2010年04期。