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摘要：地铁站深基坑施工中遇到沼气时，采用高压旋喷桩隔断沼气，同时对基底进行加固的方法实施，达到了预期效果。
主题词：沼气 沼气探测高压旋喷桩加固 隔断 沉降
1 前言
在城市发展越来越快的今天，城市地面交通越来越拥挤，地铁成为一种新型交通工具，目前多个城市均在大力发展地铁行业，如上海、北京、杭州、苏州、无锡等。因地铁施工主要为地下工程施工，施工过程中遇到的不确定因素多且危险，本文主要就地铁车站施工过程所遇到的沼气处理进行探讨。
2 工程概况
某地铁车站主体东西走向，西端基坑北侧约10m位置有一无基础的6层高大厦，北侧约4m有一承插式砼污水管。
本场地施工范围内内自上而下依次为①1层杂填土、①2层素填土、③2层砂质粉土、③3层砂质粉土、③6层粉细砂夹砂质粉土、③7层淤泥质粉质粘土夹粉土、③8层砂质粉土夹粉砂、⑥1层淤泥质粉质粘土、⑥2层淤泥质粉质粘土夹粘土，地质条件比较复杂。
场地浅层地下水主要存于表层填土及③2～③8层中，水位随季节变化，浅层水位年变幅为1.0～2.0m。场地上浅层承压水位于③8层，与上部潜水层连通不具备承压性质。其余二个承压水层位，其一位于⑥3层，水量较小，隔水层为上部的⑥1、⑥2层；其二位于深部的⑿4层、⒁1和⒁2层中，水量較丰富，隔水层为上部的⑥、⑦、⑧土层，对施工无大影响。
3 沼气情况
在西端头基坑围护施工过程中发现有沼气，通过地质补勘发现了西区场地基坑下方全场存在有沼气，沼气层上方距离基坑底部平均仅10m，且压力较大，极有可能对基坑施工造成不利影响。地下气体中主要成分是甲烷（CH4），约占90%～95%，其次为氮气（N2）和二氧化碳（CO2），还有一些微量的一氧化碳（CO），无其他各种烷类。气体数值采用直接测定法、直观估算法、等效换算法三步骤得出。
（1）直接测定法
用静压设备把探杆（探杆中部通气）压入土层预定深度后，接三通设备（见图1），将阀门1关闭，阀门2打开，然后逐渐上拔，待喷气口匀速喷出气体时再将阀门2关闭，打开阀门1，气体首先通过沉淀池将泥砂沉淀，然后可直接从压力表读取压力值。喷出的气体要克服土体间阻力，造成气压损失，直接测定法测出的压力值往往小于真实气压值。喷出的水和泥砂随着气体被一并带出后，最终维持平衡，此时探杆内留有一定高度的水头压力P2（见图2），而地下气体的真实压力P1应该等于上部沉淀池腔内气体压力P3加上P2。根据非饱和土体理论，对气压≤0.05MPa的实测值加以0.05MPa的修正，对气压≤0.15MPa且大于0.05MPa的实测值加以0.1MPa的修正，对气压＞0.15MPa的实测值加以0.2MPa的修正（喷出的气压愈大，气压损失愈大）。
对喷出气体的勘探孔均进行了气压测试，其中实测值最大为0.16MPa，修正值为0.36MPa。
图1 气压测试示意图 图2 气压实测值示意图
（2）直观估算法
根据各测压孔喷出水柱的高度进行估算。气体埋深在地面以下32m左右，最大喷发高度在6m左右，按水头高度估算最大压力为（32＋6）/100＝0.38MPa。
（3）等效换算法
等效换算法即根据土层中气、水平衡的原理，通过计算承压水的压力值换算成气体压力值。
图中Ua为孔隙气压力，Uw为孔隙水压力，S为基质吸力，即因毛细作用存在于气水分界面收缩膜上的表面张力。国内外非饱和土的研究表明，对于类似钱塘江以粉、细砂为主的非饱和土层，其S一般只有几十至100kPa，按最不利条件计算，取S＝100kPa=0.1MPa。
再根据现场实测可知，当钻孔的探杆上拔至离地面32m左右时气体压力最大，此处地面高程5.62m，该场地第一承压水水头高程为-1.96m，故Ua＝Uw＋S＝[32-(5.62+1.96)]/100＋0.1MPa＝0.344MPa。
综合各测试结果可以得出，最大气体压力在0.344～0.38MPa之间，平均最大气压为0.36MPa。
图3 等效换算法示意图图4 放气降压后可能情况
4 施工方案比选
本工程在基坑正下方发现存在有沼气，此情况在地铁深基坑施工中较少遇到。因此，及时联系设计单位，并咨询相关专家，针对此特殊情况进行了讨论，并根据讨论结果初步制定出放气及加固两个方案。
（1） 放气方案
采用施工钻孔下钻到沼气层，下放套管，对沼气层实施放气降压，放气时间在6~8个月，并最终测试无沼气方可按正常实施施工，此方案要点在放气上，耗费工期长，实施成本低，无法避免基坑开挖到底后基底隆起，同时可能对环境造成污染。另外对沼气层存气量及范围无法确定，大量放气还可能造成地面较大范围的沉降，将直接对西端北侧大厦及污水管造成极大影响（图4）。
（2） 基坑加固方案在基坑围护结构钻孔咬合桩外侧进行旋喷桩止水帷幕， 该位置旋喷桩穿越高压沼气层，有效隔断基坑内外沼气的联系，消除基坑外部沼气对基坑内施工产生的影响。同时对基坑底部进行旋喷桩加固（标准段位置采取抽条加固，端头井位置采取满堂加固），有效防止在基坑开挖过程中，基底土层受高压沼气影响而产生基底的隆起现象，且施工的工期比较短，不会对周边环境造成破坏。
综合以上两种方案考虑，最终选择了其中的加固方案。
5 方案实施
（1）加固方案实施
坑内采用Φ600咬合200高压旋喷桩进行基底加固，桩长标准段为4m，端头井位置为6m，坑外采用Φ700咬合350高压旋喷桩进行止水帷幕施工，桩长37m，端头井位置宽1.5m和标准段位置1.1m宽两种。
（2）参数设定及计算
施工参数：水灰比按1：1，水泥参量按20%，土容重按1.8t/m3，提升速度按10-20cm/min。因高压旋喷桩施工属较普遍工法，本文不详述。
（3）基坑开挖安全
为确保基坑开挖安全，开挖前对加固体进行取芯检测，以确保加固体质量。开挖过程中严格按要求进行分层分步开挖，并及时架设钢支撑，同时采用沼气探测仪每天进行沼气监测，若施工监测发现沼气，则工人全体撤出施工场地，并采用大功率设备进行通气，待气体消散后再行施工。另外对北侧大厦及污水管同步进行监测，以防止沉降过大对其造成影响。
6 实施结果
基坑开挖过程中，每天上、下午均进行一次沼气监测，一直到结构底板完成混凝土施工，监测仪器未发现沼气溢出。
基坑开挖过程中每天对旁边大厦、污水管、地面沉降监测及基底隆起进行监测，基坑开挖过程中每天上、下午各一次，结构施工过程中每天一次，基底隆起每天一次，目前结构已经施工完成，周边沉降未发生超过规范及设计允许值，施工过程中单日最大沉降大厦为0.13mm，污水管为0.4mm，坑底隆起1.7mm，累计最大沉降大厦为2.1mm，污水管为2.7mm，坑底隆起为3.2mm。
7 结论
随着经济和城市发展，今后地铁施工及地下工程施工势必会越来越多，在施工中可能遇到的特殊情况势必增加，同时遇到沼气的情况亦会增加，本文所述中，针对沼气处理主要从两个大的思路着手，其一采用高压旋喷桩隔断基坑内外围气体，其二对基底进行高压旋喷桩加固处理，以消除基坑内高压气体影响产生基底的隆起。在施工中取得了较好的效果，希望为今后类似工程提供借鉴。
参考：
《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）
《沼气工程技术规范》(NY/T1220.1-2006)
《基坑工程技术规范》(DG/TJ08-61-2010)
《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99
作者：储开进 注册监理工程师
现工作单位：无锡市园林建设监理有限公司
工作简历：1998年8月-2002年8月南通建筑中专专业教师
2002年9月-2010年11月无锡市市政建设咨询监理有限公司
2010年12月-2011年5月无锡市轨道交通发展有限公司
主题词：沼气 沼气探测高压旋喷桩加固 隔断 沉降
1 前言
在城市发展越来越快的今天，城市地面交通越来越拥挤，地铁成为一种新型交通工具，目前多个城市均在大力发展地铁行业，如上海、北京、杭州、苏州、无锡等。因地铁施工主要为地下工程施工，施工过程中遇到的不确定因素多且危险，本文主要就地铁车站施工过程所遇到的沼气处理进行探讨。
2 工程概况
某地铁车站主体东西走向，西端基坑北侧约10m位置有一无基础的6层高大厦，北侧约4m有一承插式砼污水管。
本场地施工范围内内自上而下依次为①1层杂填土、①2层素填土、③2层砂质粉土、③3层砂质粉土、③6层粉细砂夹砂质粉土、③7层淤泥质粉质粘土夹粉土、③8层砂质粉土夹粉砂、⑥1层淤泥质粉质粘土、⑥2层淤泥质粉质粘土夹粘土，地质条件比较复杂。
场地浅层地下水主要存于表层填土及③2～③8层中，水位随季节变化，浅层水位年变幅为1.0～2.0m。场地上浅层承压水位于③8层，与上部潜水层连通不具备承压性质。其余二个承压水层位，其一位于⑥3层，水量较小，隔水层为上部的⑥1、⑥2层；其二位于深部的⑿4层、⒁1和⒁2层中，水量較丰富，隔水层为上部的⑥、⑦、⑧土层，对施工无大影响。
3 沼气情况
在西端头基坑围护施工过程中发现有沼气，通过地质补勘发现了西区场地基坑下方全场存在有沼气，沼气层上方距离基坑底部平均仅10m，且压力较大，极有可能对基坑施工造成不利影响。地下气体中主要成分是甲烷（CH4），约占90%～95%，其次为氮气（N2）和二氧化碳（CO2），还有一些微量的一氧化碳（CO），无其他各种烷类。气体数值采用直接测定法、直观估算法、等效换算法三步骤得出。
（1）直接测定法
用静压设备把探杆（探杆中部通气）压入土层预定深度后，接三通设备（见图1），将阀门1关闭，阀门2打开，然后逐渐上拔，待喷气口匀速喷出气体时再将阀门2关闭，打开阀门1，气体首先通过沉淀池将泥砂沉淀，然后可直接从压力表读取压力值。喷出的气体要克服土体间阻力，造成气压损失，直接测定法测出的压力值往往小于真实气压值。喷出的水和泥砂随着气体被一并带出后，最终维持平衡，此时探杆内留有一定高度的水头压力P2（见图2），而地下气体的真实压力P1应该等于上部沉淀池腔内气体压力P3加上P2。根据非饱和土体理论，对气压≤0.05MPa的实测值加以0.05MPa的修正，对气压≤0.15MPa且大于0.05MPa的实测值加以0.1MPa的修正，对气压＞0.15MPa的实测值加以0.2MPa的修正（喷出的气压愈大，气压损失愈大）。
对喷出气体的勘探孔均进行了气压测试，其中实测值最大为0.16MPa，修正值为0.36MPa。
图1 气压测试示意图 图2 气压实测值示意图
（2）直观估算法
根据各测压孔喷出水柱的高度进行估算。气体埋深在地面以下32m左右，最大喷发高度在6m左右，按水头高度估算最大压力为（32＋6）/100＝0.38MPa。
（3）等效换算法
等效换算法即根据土层中气、水平衡的原理，通过计算承压水的压力值换算成气体压力值。
图中Ua为孔隙气压力，Uw为孔隙水压力，S为基质吸力，即因毛细作用存在于气水分界面收缩膜上的表面张力。国内外非饱和土的研究表明，对于类似钱塘江以粉、细砂为主的非饱和土层，其S一般只有几十至100kPa，按最不利条件计算，取S＝100kPa=0.1MPa。
再根据现场实测可知，当钻孔的探杆上拔至离地面32m左右时气体压力最大，此处地面高程5.62m，该场地第一承压水水头高程为-1.96m，故Ua＝Uw＋S＝[32-(5.62+1.96)]/100＋0.1MPa＝0.344MPa。
综合各测试结果可以得出，最大气体压力在0.344～0.38MPa之间，平均最大气压为0.36MPa。
图3 等效换算法示意图图4 放气降压后可能情况
4 施工方案比选
本工程在基坑正下方发现存在有沼气，此情况在地铁深基坑施工中较少遇到。因此，及时联系设计单位，并咨询相关专家，针对此特殊情况进行了讨论，并根据讨论结果初步制定出放气及加固两个方案。
（1） 放气方案
采用施工钻孔下钻到沼气层，下放套管，对沼气层实施放气降压，放气时间在6~8个月，并最终测试无沼气方可按正常实施施工，此方案要点在放气上，耗费工期长，实施成本低，无法避免基坑开挖到底后基底隆起，同时可能对环境造成污染。另外对沼气层存气量及范围无法确定，大量放气还可能造成地面较大范围的沉降，将直接对西端北侧大厦及污水管造成极大影响（图4）。
（2） 基坑加固方案在基坑围护结构钻孔咬合桩外侧进行旋喷桩止水帷幕， 该位置旋喷桩穿越高压沼气层，有效隔断基坑内外沼气的联系，消除基坑外部沼气对基坑内施工产生的影响。同时对基坑底部进行旋喷桩加固（标准段位置采取抽条加固，端头井位置采取满堂加固），有效防止在基坑开挖过程中，基底土层受高压沼气影响而产生基底的隆起现象，且施工的工期比较短，不会对周边环境造成破坏。
综合以上两种方案考虑，最终选择了其中的加固方案。
5 方案实施
（1）加固方案实施
坑内采用Φ600咬合200高压旋喷桩进行基底加固，桩长标准段为4m，端头井位置为6m，坑外采用Φ700咬合350高压旋喷桩进行止水帷幕施工，桩长37m，端头井位置宽1.5m和标准段位置1.1m宽两种。
（2）参数设定及计算
施工参数：水灰比按1：1，水泥参量按20%，土容重按1.8t/m3，提升速度按10-20cm/min。因高压旋喷桩施工属较普遍工法，本文不详述。
（3）基坑开挖安全
为确保基坑开挖安全，开挖前对加固体进行取芯检测，以确保加固体质量。开挖过程中严格按要求进行分层分步开挖，并及时架设钢支撑，同时采用沼气探测仪每天进行沼气监测，若施工监测发现沼气，则工人全体撤出施工场地，并采用大功率设备进行通气，待气体消散后再行施工。另外对北侧大厦及污水管同步进行监测，以防止沉降过大对其造成影响。
6 实施结果
基坑开挖过程中，每天上、下午均进行一次沼气监测，一直到结构底板完成混凝土施工，监测仪器未发现沼气溢出。
基坑开挖过程中每天对旁边大厦、污水管、地面沉降监测及基底隆起进行监测，基坑开挖过程中每天上、下午各一次，结构施工过程中每天一次，基底隆起每天一次，目前结构已经施工完成，周边沉降未发生超过规范及设计允许值，施工过程中单日最大沉降大厦为0.13mm，污水管为0.4mm，坑底隆起1.7mm，累计最大沉降大厦为2.1mm，污水管为2.7mm，坑底隆起为3.2mm。
7 结论
随着经济和城市发展，今后地铁施工及地下工程施工势必会越来越多，在施工中可能遇到的特殊情况势必增加，同时遇到沼气的情况亦会增加，本文所述中，针对沼气处理主要从两个大的思路着手，其一采用高压旋喷桩隔断基坑内外围气体，其二对基底进行高压旋喷桩加固处理，以消除基坑内高压气体影响产生基底的隆起。在施工中取得了较好的效果，希望为今后类似工程提供借鉴。
参考：
《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）
《沼气工程技术规范》(NY/T1220.1-2006)
《基坑工程技术规范》(DG/TJ08-61-2010)
《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-99
作者：储开进 注册监理工程师
现工作单位：无锡市园林建设监理有限公司
工作简历：1998年8月-2002年8月南通建筑中专专业教师
2002年9月-2010年11月无锡市市政建设咨询监理有限公司
2010年12月-2011年5月无锡市轨道交通发展有限公司