一种沼气静压排气施工工法
技术领域
本发明属于盾构隧道沼气排放技术领域，尤其涉及一种沼气静压排气施工工法。
背景技术
近些年随着地铁线路的增多，越来越多的沿海、沿江城市地铁规划线路穿越含沼气地层。浅层沼气主要分布于河口与陆架海区，根据成因可分为两种类型。一种是热成甲烷成因，一般海底2000m以下的有机质在高温高压下由于干酪根裂解而形成碳氢化合物，其性质取决于原始有机物质的特性与地质环境。另一种是生物成因，大量陆源碎屑物质在海底沉积时，带来了丰富的生物碎屑和有机质，甲烷菌从腐烂的有机物中分解出甲烷，形成含气沉积物，在几次海进海退中，淤泥层中的有机质在厌氧菌的生物化学作用下分解发酵，伴随着一定的温度和压力，变成了气态产物，当生成的浅层沼气不可能向大气中扩散时，便不时向周围地层孔隙中运移、积聚，储集在周边地层，形成了浅层沼气藏(见下式)。
工程盾构区间施工穿越上述地层时，浅层沼气会对工程施工和人员产生危害：
1、在地下隧道盾构掘进过程中，当地下积聚的地下气体由于外因作用而突发性释放时，含气层的压力急剧下降，导致气－水界面向喷气口移动，快速的气流对土层产生强烈的冲刷作用，大范围的挠动含气土层，同时严重扰动上覆或下卧地层。随着强烈喷气的结束，土层必然产生急剧沉降，随后土体重新固结下沉。由于地下气体的分布是不均匀的，气压大小不等，地层承载力大小差异较大，故在气体释放过程中往往引起不均匀沉降，进而诱发隧道结构的严重变形，甚至管片断裂损坏。
2、在施工过程中，当浅层沼气大面积涌出时，由于通风不畅会造成一定范围内聚积。由于浅层沼气主要成分为甲烷和氮气，因此，气体浓度过高时，使空气中氧含量明显降低，使人窒息。当空气中甲烷达25％～30％时，可引起头痛、头晕、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速、共济失调。若不及时脱离，可致窒息死亡，而皮肤接触液化本品，可致冻伤。当浓度在5％～15％的爆炸极限范围内时，遇到明火，将发生剧烈的爆炸，严重危害人身安全。
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种沼气静压排气施工工法，旨在解决背景技术中所提到的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种沼气静压排气施工工法，包括以下步骤：
测量定位：根据勘察报告，确定排放孔的间距和平面位置；
管线探测：探测地下管线的位置，确定是否对排放孔进行移位；
静压探杆：通过静压装置将装有活动探头的探杆压至预定深度；静压装置配重不够时在排放口处钻探引孔，然后再采用静压装置将装有活动探头的探杆压至预定深度；
排放沼气：上拔探杆查看是否有沼气；若有沼气逸出，对沼气进行排放；沼气排放完成后或无沼气逸出时，拔出探杆。
优选的，所述管线探测的步骤，包括：
搜集地下管线的资料；
根据地下管线的资料，在排放孔处向下挖探至原状土或下挖深度为2m；若存在管线或原状土挖深大于2m，则对排放孔进行移位并重新挖探，否则无需对排放孔进行移位；
施工场地无法进行开挖时，通过超声波探测的方式确定地下管线位置。
优选的，通过静压装置将装有活动探头的探杆压至预定深度的步骤，包括：
首先安装静压装置；
将装有活动探头的探杆的中心对准排放孔，调节静压装置至水平，然后通过静压装置将将探杆和活动探头压入至设计深度处。
优选的，所述钻探引孔的步骤，包括：
首先在排放孔位置处下套管护壁，然后通过钻机在套管护壁内钻孔至含气层以上5m。
优选的，所述排放沼气的步骤，包括：
测试含气层顶底板埋深：通过逐杆上拔来确定是否有沼气，若有沼气逸出，则通过上拔探杆来确定沼气含气层顶板和底板的深度，底板与顶板的深度之差即为该排放孔处含气层的厚度；若无沼气，则继续逐米上拔探杆直至存在沼气或拔出全部探杆；
放气：上拔探杆，使活动探头与探杆分离，利用含气层与探杆内的压差，在含气层自然能量条件下通过探杆使沼气逐渐释放出来，在沼气释放中，通过闸阀实施控制性放气，并对沼气排放的压力和流量进行测定；
上拔探杆：放气步骤结束后，将剩余探杆全部拔离地面。
优选的，所述排放沼气的步骤后另有封孔、施工孔洞回填及路面恢复的步骤，所述封孔、施工孔洞回填及路面恢复的步骤，包括：
首先用水泥浆从排放孔底向上灌满排放孔；
然后按市政要求对人工挖探的施工孔洞进行回填、捣实、碾压，并按照原貌恢复路面。
优选的，所述沼气排放的压力为小于0.05MPa、流量小于1.5m3/h时则终止沼气排放。
本发明实施例提供的一种沼气静压排气施工工法，适用于粉土层、砂层、淤泥质地层、回填层等多种软质类型地质条件下的沼气排放施工；主要应用于盾构区间隧道、矿山法暗挖隧道及明挖车站工程穿越或邻近沼气含气层的沼气排放施工，具有以下优点：
1、设备简单轻便、操作方便、快速、经济和节省人力，不仅在排放过程中可以通过连接其他仪器测得沼气的压力和流量，还可以通过操作步骤实现在地层中不同深度处分层分段排放和测试；
2、施工工艺完善，相较于传统钻探成孔套管法其成孔孔径较小(孔径为42mm)，对于以粉土、砂土为主的地层不易造成孔壁坍塌；此外该工艺无需采用泥浆护壁，含气层气压与钻孔内水压压差增加，更有利于沼气的排放；同时钻探成孔套管法还存在孔深固定、成本高、工序复杂、工期长等缺点；
3、静压排气法不会出现负压抽气法易带出土体的固体颗粒、破坏土体结构，造成土体沉降过大等问题。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种沼气静压排气施工工法的工艺流程图；
图2为本发明实施例提供的用于沼气静压排气施工工法的施工设备的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的钻探引孔的工艺流程图。
附图中：1、活动探头；2、探杆；3、反力装置；4、枕木；5、三通组件；6、闸阀；7、橡胶输气管；8、气液分离器；9、压力表；10、流量计；11、调节阀；12、水槽；13、气样采集袋；14、静压装置；15、钻孔眼；16、过滤网。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
实施例1
如附图1和2所示，为本发明一个实施例提供的一种沼气静压排气施工工法，包括以下步骤：
1.测量定位：
首先根据设计确定的各沼气排放孔具体位置在电子地形图中采集坐标，然后由测量员采用GPS-RTK方式在ZJCORS平台基础上，按《全球定位系统实时动态测量(RTK)规范》(CH/T2009-2010)要求施测，坐标成果采用当地坐标系，1985国家高程基准；由于本工程点位在陆地上，点位标志采用红色喷漆标示，防止人为破坏；沼气排放孔如需移动时应该经过项目负责人及总包、监理、设计、业主方批准；沼气处理施工结束后统一进行复测；各沼气排放孔孔口高程应根据甲方提供的控制系统引测，将被测点与基准点之间形成一条Ⅱ等闭合线路，各测点初始值均取三次测试的平均值，观测结果采用计算机进行严密平差计算，
2.管线探测：
a.搜集管线资料
施工前制定详细的调查方案，到现场踏勘，找出疑点，然后到相关部门和单位调取管线位置图，收集相关的管线资料；根据管线资料，施工前在沼气排放孔及附近进行现场探查和确认(人工探测)，查明管线的类型、埋深、走向、材质等情况，并在图纸上标注清楚，并与管线权属单位监管人员实地核验；
b.人工挖探
先按要求进行围档，围档周边设昼夜警示灯和警示牌或设置警戒线等道路安全标志，然后人工开挖至原状土或深度2m，原状土挖深大于2m或有特殊情况及时分析，并向项目负责人汇报再研究方案对策；浅部10m宜采用压入法开钻，遇异常立即停止施工，请权属单位确认后重新移位挖探；
c.超声波探测
对于无法采用人工挖探方式确认管线的区域，可采用超声波雷达进行探测，探测数据经计算机分析后形成检测报告，根据报告结果确认地下有无管线；
3.静压探杆：
a.反力装置安装
首先安装反力装置3、枕木4和静压装置14；对于工程周边相对空旷且无较厚填土区段，可直接采用地锚作为反力装置3；对于无法下地锚区段可采用履带式静压装置14利用自重或增加配重作为反力装置3；
b.静压探头、探杆
排放施工前仔细核对排放孔位的地质资料及沼气埋置深度、压力和储量大小；
静压装置14一般选用双油缸全液压传动设备，将装有活动探头1的探杆2中心对准排放孔，探杆2直径为42mm、壁厚5mm、中部空心，当探头2上拔时，活动探头1与探杆2分离，探杆2与活动探头1的连接部位设有钻孔眼15和过滤网16，便于沼气从钻孔眼15和过滤网16进入探杆2；通过调整枕木4和静压装置14的底座脚垫将静压装置14调至水平并用水准尺复核，再用高强螺栓将静压装置14与地锚连接或铺上重物；之后检查设备仪表是否正常，做好一切准备工作；然后用静压装置14将探杆2和活动探头1压入至设计深度处；
c.钻探引孔：
当工程填土较厚或静压阻力较大而无法静压至预定深度区段则挖探后采用钻探引孔静压法施工，该法相比较静压法而言增加了钻机引孔过程；
1)钻探工艺流程
沼气处理施工当中，机械钻探作为辅助手段采用，钻探主要用于引孔和下套管，具体工艺流程如图3所示，对排放孔进行测量定位后平整施工场地，然后在钻孔点安装钻机，在钻孔点制作泥浆池，然后钻机从泥浆池钻进地下，通过水准仪进行高程复测，确定钻孔深度，钻孔结束后对钻出的孔径进行清理，之后移至下一处转孔点，钻孔完毕后清理场地；
2)钻探工艺
钻进方法和钻进工艺根据岩土类型、岩土可钻性分级和钻探技术要求确定；
采用回转钻机施工，根据孔深和孔径要求选择适应的钻机(XY-100型)；
对地下水位以下的软土层、粉土、砂土则需要采用优质泥浆护壁钻进；
3)钻探施工要求
施工前做好以下准备工作：
投入足够的人员和设备，保证施工周期；
做好地下管线排查，做好施工过程保护，确保钻孔不损坏所有地下管线；
现场各类物资必须罢放整齐，保持现场文明、卫生、整洁；
4)钻探引孔流程
人工挖探坑确定孔位处无管线等设施后，首先下直径127mm孔口钢护管，采用锤击法，直至管壁稳定不晃动，然后采用XY-100型钻机引孔至气源层以上5m，再采用静压工艺进行下部沼气的排放，直至设计深度；引孔钻探采用XY-100型油压钻机，采用回转钻进和泥浆护壁等施工工艺；
4.排放沼气：
a.测试含气层顶底板埋深
通过逐杆上拔来确定是否有沼气，若有沼气逸出，则通过上拔探杆2来确定沼气含气层顶板和底板的深度，含气层底板与顶板埋深之差即为该孔位处含气层的厚度，若无沼气，则继续逐米上拔探杆2直至存在沼气或拔出全部探杆2；
b.测试压力流量
针对探明存在沼气的排放孔，在探明含气层底板埋深后的上拔过程中，待沼气从探杆2上部端头逸出时连接三通组件5，三通组件5与探杆2通过螺纹连接，通过调节各闸阀6的打开或关闭状态，使气体经过橡胶输气管7到达气液分离器8，气液分离器8的作用是把泥浆、细砂与气体分离开来，当整个系统处于平衡的时候即可直接从压力表9读取压力值，测流量时，通过调节各闸阀6的打开或关闭及调节阀11的状态，读取流量计10的流量值；通过流量计10的气体进入水槽12，被气样采集袋13收集；
c.放气
当探头和探杆2静压至含气层深度时，略微上拔，将活动探头1甩入土中，利用含气层与探杆2内的压差，在含气层的地壳压力下通过探杆2使气体逐渐释放出来，减小气量、降低压力；当排放孔内气压和流量特大时，发生喷砂冒气柱时若出现喷发泥、砂状况时候，则及时连接气液分离器8，测定气压、流量及沼气浓度等；必要时调节减压阀及出气口闸阀6，减小出气口的流量，必要时可关闭出气口闸阀6，静置一段时间再慢慢打开出气口闸阀6；若仍无气体喷出，则收回探杆2进行下一孔的施工；在放气过程中，可通过闸阀6实施控制性放气；观察气压状态，控制放气流量，连续记录有关参数；放气全程需拍照，记录气体释放初始时间、放气气压变化衰减规律和喷发特征；调试闸阀6，气压在经一段时间后减弱，当测定气压为小于0.05MPa时则终止放气阶段；当沼气难以通过地壳压力放完时，可采用空压机送风、压风，将外界空气送入含气层，提高含气层的压力，进而使沼气释放完全；
d.上拔探杆
当所有测试完毕后，匀速将剩余探杆2全部拔离地面；
5.封孔、施工孔洞回填及路面恢复：
沼气排放孔施工结束后均进行有效封孔，封孔材料采用32.5MPa的纯水泥浆，水灰比为0.5～0.7，水泥用量根据孔深而定；按照每5kg/m水泥控制，水泥浆搅拌均匀后，用BW＝250的泥浆泵通过钻杆将其送入孔底，泥浆泵压力为0.3～0.5MPa，水泥浆从孔底往上回灌，灌满后观测10分钟，浆面稳定后停止灌浆；封孔后，对人工挖探的施工孔洞按市政要求回填、捣实、碾压，并按照原貌恢复路面。
此外，在施工工法的操作中应注意下述质量控制措施：
1.沼气排放孔定位采用GPS施测，等外水准方法进行孔口高程测量，回路闭合差满足测量精度要求；采用常规导线测量方法测定孔位坐标，测量精度至少达到图根点要求，放孔时，如需移动孔位，则需事先征得业主和设计批准；
2.浅层沼气测试设备进场前必须对设备仪表进行检查，并按施工组织方案制定事先指导书(即单孔任务书)，指明工程要求标准及可能出现问题的处理方法；
3.均衡放气原则：沼气释放的速率应不产生对放气孔周围地层的显著拢动，进行缓慢均衡放气，以不带出泥砂为控制标准，释放过程注重压力的动态平衡；
4.排放标准：满足按照图纸设计要求，一般沼气压力小于0.05MPa、流量小于1.5m3/h，可有效降低因沼气而导致工程事故的风险。
另有一些安全措施：
1.施工过程中，严格按照《建筑施工安全检查标准》(JGJ59)、《施工现场临时用电安全技术规范》(JGJ46)、《建筑机械使用安全技术规程》(JGJ33)等安全施工规范标准进行执行；
2.钻机作业台架搭设必须牢固可靠，并固定在场地基础上，以免钻孔过程中出现台架垮塌、倾覆；
3.安全性原则：配备瓦斯报警仪、警示灯、警示服等、加大通风、注重防火防喷的措施；
4.排放施工前，对全体人员进行安全教育，强化甲烷等沼气危害的防范教育，严禁吸烟；
5.要配备有沼气(甲烷型)监控警报仪，发现警报，及时采取措施；
6.在施工时，要保证防火和防中毒措施到位，保证空气流通；
7.加强火源的管理，杜绝使用明火，严禁使用其他可燃物；
8.规范电气线路连接及设备的使用，防止火花的出现；
9.施工人员穿防静电衣服，以防止静电；
10.现场准备灭火器、铁锹及灭火水龙头，并接好水泵，随时准备；
11.在施工范围外10m设置警戒线，杜绝无关人员进场围观。
另有一些环保措施：
1.施工过程中，严格按照《建筑施工场界噪音排放标准》(GB12523-2011)、《建设工程施工现场安全防护场容卫生环境保护及保卫消防标准》(DB11/945-2012)、《绿色施工管理规程》(DB11/383-2006)等环保施工规范标准进行执行；
2.施工过程中产生的建筑垃圾和废料要集中放置到规定区域，并及时回收清理；
3.及时清除施工过程中产生的油污；
4.浆液拌制须在规定区域内，不得随意设置搅拌区。
本发明方法产生的效益分析如下：
1.经济效益：
a.施工间接成本分析
工程施工中如若不提前进行沼气排放，则盾构隧道施工时始终处于高瓦斯风险区，需要建立有效的瓦斯监测、报警及通风系统，施工机械设备要有防爆装置，人员配备防静电服等，这将严重影响盾构施工进度，增加施工风险；
暂不考虑瓦斯施工配套设施及风险发生后的相关抢险费用，仅从施工设备租赁及项目管理费分析，预计施工进度由15环/天降至8～10环/天，工程共计6000环，累计施工天数增加约1000天，按照单线盾构隧道设备租赁及人员管理费用5000元，5000×1000＝5000000元；
区间沼气处理单孔费用10000元，盾构区间全线共布设200个沼气排放孔，沼气处理费用10000×200＝2000000元；
经对比分析，沼气提前排放处理后比不排放处理可节约成本3000000元。
b.工期效益对比
沼气不进行处理：盾构掘进约8～10环/天，共计6000环，共计施工天数约667天；
沼气进行处理：盾构掘进约15环/天，共计6000环，共计施工天数约400天；
由此可见，沼气提前处理后，施工总天数节约267天。
2.社会效益：
采用静压排气法进行施工区域沼气排放，可有效降低施工风险，防止地下隧道盾构掘进过程中地下气体由于外因作用而突发性释放造成含气层的压力急剧下降，从而严重扰动上覆或下卧地层，甚至气体释放过程中引起不均匀沉降，进而诱发隧道结构的严重变形，甚至管片断裂损坏，最终避免施工区域出现大面积坍塌，保证行人及过往车辆安全。
3.环境效益：
静压排气法相较于钻探成孔法，其孔径更小，回填浆液量变少，减少了化学浆液对地层的污染；
静压排气法可对排气过程进行有效控制，能防止因气压较大产生喷涌事故，从而避免周边环境收到损害。
本发明方法适用于粉土层、砂层、淤泥质地层、回填层等多种软质类型地质条件下的沼气排放施工；主要应用于盾构区间隧道、矿山法暗挖隧道及明挖车站工程穿越或邻近沼气含气层的沼气排放施工，具有以下优点：
1、设备简单轻便、操作方便、快速、经济和节省人力，不仅在排放过程中可以通过连接其他仪器测得沼气的压力和流量，还可以通过操作步骤实现在地层中不同深度处分层分段排放和测试；
2、施工工艺完善，相较于传统钻探成孔套管法其成孔孔径较小(孔径为42mm)，对于以粉土、砂土为主的地层不易造成孔壁坍塌；此外该工艺无需采用泥浆护壁，含气层气压与钻孔内水压压差增加，更有利于沼气的排放；同时钻探成孔套管法还存在孔深固定、成本高、工序复杂、工期长等缺点；
3、静压排气法不会出现负压抽气法易带出土体的固体颗粒、破坏土体结构，造成土体沉降过大等问题。
实施例2
将实施例1中的沼气静压排气施工工法应用于杭州地铁8号线一期工程河景路站至青六路站区间、青六路站至青蓬路站区间、青蓬路站至义蓬东二路站区间工程。
其中，景路站至青六路站区间为地下盾构区间，本区间主要下穿建一村居民区及小四埠直河，区间起终点里程为：右DK10+738.712～右DK11+726.680，右线长987.968m；左DK10+738.712～左DK11+726.678，左线长链2.223m，左线长990.189m，区间设置一个联络通道。
其中，青六路站至青蓬路站区间为地下盾构区间，线路出青六路站后向东延伸，下穿居民区后向东南方向偏转，下穿河流、居民区后向东偏转，下穿头蓬直河、居民区、头蓬中桥、综合管廊后进入青蓬路站，区间起止里程为右K11+965.735～右K13+433.140，区间设置两个联络通道。
其中，青蓬路站至义蓬东二路站区间为盾构区间，下穿民居、河流后进入义蓬东二路站，区间起止里程为右K13+662.28～右K15+187.72，区间设置一个联络通道。
上述区间内的沼气排放采用本发明方法进行施工，于2019年4月开始，至2019年6月结束，期间共完成沼气排放孔200个，排放孔气压终孔压力小于0.05Mpa，放气区域平均地表沉降小于3mm，盾构区间施工时，洞内气体监测中未发现甲烷、一氧化碳、硫化氢等有害气体，盾构施工安全、平稳，既保证了施工速度，也提高了施工安全系数，得到了业主、总包部、设计、监理单位的认可，取得了良好的社会效益。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
