成都地鐵1號(hào)線三期區(qū)間隧道勘察淺層天然氣測(cè)試及影響評(píng)價(jià)研究

潘瑞林 袁永紅 羅常鋒 肖先俊

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 工程概況

成都地鐵1號(hào)線三期工程是位于成都天府新區(qū)的南北向線路，由二期四河站南端引出，沿天府大道向南，設(shè)華陽站、牧華路站、廣福站、香山站、段家山站、武漢路站、寧波路站、福州路站、廣州路站、興隆湖站、天府新站共11個(gè)車站，線路長(zhǎng)14.35 km，全部為地下線。車站采用明挖法施工，區(qū)間隧道主要采用盾構(gòu)法施工。

2 地質(zhì)特征

2.1 地形地貌及地層巖性

四河站至廣福站位于平原區(qū)，屬岷江水系Ⅱ級(jí)階地，廣福站至終點(diǎn)天府新站為侵蝕緩丘區(qū)，丘崗、谷地相間分布，地形起伏不大，坡度較平緩，地面高程463～518 m，最大高差約50 m。

平原區(qū)地層主要為第四系人工雜填土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂、卵石土，白堊系上統(tǒng)灌口組強(qiáng)-中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、泥巖，第四系覆蓋層厚10～30 m。緩丘區(qū)地層主要為第四系人工雜填土、粉質(zhì)黏土，白堊系下統(tǒng)天馬山組-侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組全-中風(fēng)化砂巖、泥巖，偶夾礫巖，第四系覆蓋層僅局部分布于丘間谷地，厚度一般小于15.0 m。區(qū)間隧道洞身和車站結(jié)構(gòu)底板主要位于強(qiáng)-中風(fēng)化砂巖、泥巖層中。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

成都地鐵1號(hào)線三期工程處于成都斷陷盆地東部邊緣構(gòu)造帶，廣福站至天府新站段南北向斜穿蘇碼頭背斜和蘇碼頭斷層(見圖1)，蘇碼頭背斜核部和蘇碼頭斷層位于段家山站至武漢路站區(qū)間。蘇碼頭背斜走向?yàn)镹30°E，北西翼較緩，傾角約5°，南東翼較北西翼稍陡，傾角約10°，核部出露白堊系下統(tǒng)天馬山組-侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組地層，兩翼主要出露白堊系地層。蘇碼頭斷層發(fā)育于蘇碼頭背斜北西翼，距背斜核部約340 m，斷層上、下盤地層均為白堊系下統(tǒng)天馬山組-侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組地層，斷層走向?yàn)镹30°E，延伸長(zhǎng)約30 km，傾向?yàn)镾E，傾角約19°，斷層帶寬度約為20 m，該斷層為區(qū)域壓扭性逆斷層。

圖1 蘇碼頭構(gòu)造示意

3 蘇碼頭天然氣田概況

蘇碼頭天然氣田儲(chǔ)集層位為侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組，2002年，在1、3、5、6、9 號(hào)井(井深604～765 m)均獲得工業(yè)氣流。蘇碼頭氣田天然氣控制儲(chǔ)量為74.38×108m3，可采儲(chǔ)量為29.75×108m3，含氣面積為94.0 km2，2006年單井平均產(chǎn)氣1.0×104m3，產(chǎn)量、壓力均較穩(wěn)定，截止2006年9月累計(jì)產(chǎn)氣2208×104m3。蘇碼頭構(gòu)造兩翼及軸部中下蓋層條件較好，而軸部中上蓋層條件相對(duì)較差。

地鐵1號(hào)線三期工程緩丘區(qū)廣福站至天府新站段的8個(gè)區(qū)間隧道位于蘇碼頭氣田和含氣構(gòu)造帶之上，主要穿越白堊系下統(tǒng)天馬山組-侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組砂、泥巖地層，埋深5～30 m，下部有天然氣儲(chǔ)層，背斜圈閉構(gòu)造的兩翼蓋層條件較好，而軸部中上蓋層條件相對(duì)較差，天然氣易沿?cái)鄬訋?、裂隙帶向上運(yùn)移浸入上部地層，或逸出地表，在淺部某處蓋層條件較好的地層內(nèi)聚集形成天然氣氣囊。因此，淺層天然氣有可能對(duì)地鐵1號(hào)線三期緩丘區(qū)的8個(gè)區(qū)間隧道產(chǎn)生危害，勘察階段需要進(jìn)行淺層天然氣測(cè)試及影響評(píng)價(jià)。

4 淺層天然氣測(cè)試及鉆孔布置

4.1 淺層天然氣測(cè)試

主要采用鉆孔現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并輔以室內(nèi)分析試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行。

鉆孔現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用SL-808A天然氣、液化石油氣檢測(cè)儀，在測(cè)試鉆孔中測(cè)定天然氣濃度。該儀器采用泵吸式傳感器進(jìn)行天然氣濃度檢測(cè)，響應(yīng)時(shí)間小于10 s。該儀器靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間快，穩(wěn)定性好。一般每個(gè)鉆孔測(cè)試4次：鉆孔深度分別為隧道結(jié)構(gòu)底板埋深、底板下10 m、終孔深度時(shí)各實(shí)時(shí)測(cè)試1次，終孔后封口24 h測(cè)第4次，以測(cè)試天然氣逸出深度、濃度及封口24 h后的最大濃度。

終孔封口24 h后，現(xiàn)場(chǎng)取氣樣進(jìn)行室內(nèi)氣相色譜分析試驗(yàn)，測(cè)試氣體中的成分和濃度。

4.2 測(cè)試鉆孔布置

根據(jù)天然氣田圈閉構(gòu)造特征，結(jié)合區(qū)間隧道埋深情況和現(xiàn)場(chǎng)條件，重點(diǎn)對(duì)段武區(qū)間、福廣區(qū)間和廣興區(qū)間隧道布置測(cè)試鉆孔。段武區(qū)間隧道共布置5孔，4孔位于蘇碼頭斷層及影響帶， 1孔位于蘇碼頭背斜核部。福廣區(qū)間和廣興區(qū)間隧道各布置1孔。

隧道內(nèi)天然氣的涌出量與隧道洞身周圍天然氣濃度、圍巖裂隙性、氣體的逸散通道情況、洞身開挖裸露面積等有關(guān)。天然氣測(cè)試鉆孔的深度：原則上應(yīng)能基本反映隧道開挖后隧道洞身周圍天然氣的濃度并揭示隧道更深處天然氣濃度的情況。隧道開挖后，一般認(rèn)為3倍隧道直徑(寬度)深度范圍以外的圍巖地應(yīng)力基本為原始地應(yīng)力(地應(yīng)力基本保持不變)，圍巖中的裂隙一般不會(huì)因?yàn)榈貞?yīng)力調(diào)整張開或產(chǎn)生新的裂隙，不會(huì)形成新的向隧道洞身范圍逸散氣體的逸散通道。但在3倍隧道直徑(寬度)深度范圍以內(nèi)，隧道開挖后圍巖應(yīng)力重新調(diào)整，巖體松動(dòng)、裂隙張開或產(chǎn)生新的裂隙，氣體向隧道洞內(nèi)逸散較通暢， 3倍隧道直徑(寬度)深度處測(cè)得的氣體濃度可以基本反映隧道開挖后隧道洞身周圍的氣體濃度。因此，本次天然氣一般性測(cè)試孔深為隧道結(jié)構(gòu)底板以下3倍隧道直徑(寬度)，控制性測(cè)試孔深度一般為隧道結(jié)構(gòu)底板以下4～6倍隧道直徑(寬度)。本項(xiàng)目盾構(gòu)隧道直徑為6.28 m，結(jié)構(gòu)底板埋深為20～30 m，段武區(qū)間隧道3個(gè)一般性測(cè)試孔深度為41.9～49.7 m，2個(gè)控制性測(cè)試孔深度為61.0～65.8 m，福廣區(qū)間和廣興區(qū)間隧道測(cè)試孔深度為60.0 m。

5 淺層天然氣測(cè)試結(jié)果

5.1 室內(nèi)氣相色譜分析試驗(yàn)結(jié)果

采用氣相色譜法對(duì)5組氣樣進(jìn)行成分和含量分析試驗(yàn)(見表1)。試驗(yàn)結(jié)果表明：①5組氣樣均以氧氣(O2)和氮?dú)?N2)為主，含少量甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)，微量其它含碳?xì)怏w；段武區(qū)間蘇碼頭斷層附近孔內(nèi)檢測(cè)到少量有害氣體一氧化碳(CO)，沒有發(fā)現(xiàn)H2S、SO2等其它有毒有害氣體。②可燃?xì)怏w甲烷(CH4)濃度為0.118%～0.89%。③一氧化碳(CO)濃度為0.007%～0.034%。

5.2 鉆孔現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

鉆孔現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果(見表2)表明，①段武區(qū)間5個(gè)鉆孔均有天然氣存在，控制性測(cè)試鉆孔天然氣最大濃度為0.99%，一般性測(cè)試鉆孔隧道結(jié)構(gòu)底板以下3倍隧道直徑(寬度)處最大濃度為0.34%。②福廣區(qū)間和廣興區(qū)間也均有天然氣存在，控制性測(cè)試鉆孔天然氣最大濃度分別為0.884%和0.945%。

表1 天然氣體組分檢測(cè)結(jié)果

表2 鉆孔天然氣測(cè)試結(jié)果

6 淺層天然氣對(duì)區(qū)間隧道影響評(píng)價(jià)

6.1 測(cè)試結(jié)果分析及評(píng)價(jià)

段武區(qū)間隧道和福廣、廣興2個(gè)代表性區(qū)間隧道現(xiàn)場(chǎng)鉆孔測(cè)試及室內(nèi)氣相色譜分析試驗(yàn)結(jié)果表明，控制性測(cè)試鉆孔天然氣最大濃度為0.884%～0.99%，一般性測(cè)試鉆孔隧道結(jié)構(gòu)底板以下3倍隧道直徑(寬度)處最大濃度為0.024%～0.34%，取樣室內(nèi)分析天然氣濃度為0.118%～0.89%，其結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)鉆孔測(cè)試濃度基本吻合。 3個(gè)區(qū)間隧道均有天然氣存在，但遠(yuǎn)低于瓦斯爆炸的下限濃度(5.0%)。地鐵區(qū)間隧道均已受到蘇碼頭氣田天然氣向上運(yùn)移浸入和逸出的影響，均為瓦斯隧道。此外，段武區(qū)間檢測(cè)到有害氣體一氧化碳(CO)，其濃度為0.007%～0.034%，濃度略偏高(當(dāng)CO濃度高于0.03%時(shí)，會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，有頭疼、嘔吐等癥狀)。

廣福站至終點(diǎn)天府新站段的8個(gè)區(qū)間隧道都處于低緩丘陵區(qū)，屬于同一地質(zhì)構(gòu)造單元，均位于蘇碼頭氣田或含氣構(gòu)造帶之上，按照工程地質(zhì)類比法并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆孔測(cè)試及室內(nèi)氣相色譜分析試驗(yàn)綜合分析結(jié)果，8個(gè)區(qū)間隧道均為瓦斯隧道，且有害氣體一氧化碳(CO)濃度略偏高。在隧道施工過程中應(yīng)加強(qiáng)瓦斯和一氧化碳監(jiān)測(cè)工作，加強(qiáng)隧道通風(fēng)和瓦斯隧道相關(guān)安全防護(hù)工作。

6.2 淺層天然氣瓦斯隧道分類

《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》(TB 10120—2002)中對(duì)瓦斯隧道的分類標(biāo)準(zhǔn)為：①絕對(duì)瓦斯涌出量小于0.5 m3/min時(shí)為低瓦斯隧道；大于或等于0.5 m3/min時(shí)為高瓦斯隧道。②瓦斯突出隧道必須同時(shí)滿足4個(gè)指標(biāo)(瓦斯壓力P≥0.74 MPa；瓦斯放散初速度ΔP≥10；煤的堅(jiān)固性系數(shù)f≤0.5；煤的破壞類型為Ⅲ類及以上)。該規(guī)范給出了煤層瓦斯壓力、瓦斯放散初速度、煤的堅(jiān)固系數(shù)測(cè)定方法和獨(dú)頭坑道礦山法煤層瓦斯涌出量的計(jì)算方法。《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB10027—2012)也給出了單煤層和多煤層隧道瓦斯涌出量的計(jì)算方法及公式。

上述規(guī)范劃分標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)測(cè)定、計(jì)算方法均適用于煤層瓦斯隧道。雖然高勤運(yùn)[4]提出可用上述規(guī)范(程)中的公式預(yù)測(cè)非煤地層隧道瓦斯涌出量，并在蘭渝鐵路化馬隧道施工階段炭質(zhì)板巖地層中取得了較好的結(jié)果，但淺層天然氣瓦斯隧道與之有較大差異，主要表現(xiàn)在：①隧道所處淺層天然氣壓力相對(duì)較小，難以準(zhǔn)確測(cè)定；②隧道穿越地段大多為非生烴層，其淺層天然氣大多沿?cái)鄬印⒘严稄纳畈肯蛏线\(yùn)移，逸出到隧道洞身或局部形成相對(duì)獨(dú)立的氣囊，其濃度和分布具有不均勻性和各向異性，瓦斯涌出量難以準(zhǔn)確計(jì)算，增大了分類評(píng)價(jià)難度。因此，不宜按《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》(TB 10120—2002)和《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB10027—2012)的方法和標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算、預(yù)測(cè)隧道瓦斯涌出量。

白正偉[5]在蘭渝鐵路梅嶺關(guān)隧道施工中將工作面超前鉆孔模擬為隧道開挖情況，測(cè)試超前鉆孔天然氣單位面積、單位時(shí)間的瓦斯涌出量，參考隧道施工分臺(tái)階開挖的實(shí)際工況，提出了隧道開挖時(shí)瓦斯涌出量的計(jì)算公式。蘇培東等[6]通過四川大量鐵路、公路天然氣隧道勘察測(cè)試與施工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析對(duì)比，提出淺層天然氣的定性識(shí)別方法和淺層天然氣的運(yùn)移模式，建立了淺層天然氣溢出量估算模型，并初步提出淺層天然氣高瓦斯隧道的判別標(biāo)準(zhǔn)：①隧道控制性測(cè)試鉆孔天然氣最大濃度大于1.5%，且隧道主要測(cè)試鉆孔有天然氣顯示；②即使隧道控制性測(cè)試鉆孔天然氣最大濃度小于1.5%，但隧道所處構(gòu)造部位為天然氣聚集區(qū)或運(yùn)移、逸出的有利指向區(qū)；③隧道直接穿越油氣生烴層或儲(chǔ)集層；④隧道長(zhǎng)度大于1 000 m。符合以上4個(gè)條件即判定為高瓦斯隧道。

本工程瓦斯隧道類型的判別主要參考蘇培東[6]提出的判別標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合隧道洞身以上是否有較好的天然氣蓋層、是否有形成氣囊的有利地層條件進(jìn)行綜合判定。段武、福廣、廣興3個(gè)區(qū)間隧道的判定結(jié)果見表3。

表3 區(qū)間隧道天然氣瓦斯隧道類型判定

6.3 施工驗(yàn)證結(jié)果

本工程8個(gè)區(qū)間隧道均按低瓦斯隧道設(shè)計(jì)，采用盾構(gòu)法施工。每個(gè)盾構(gòu)隧道設(shè)立兩臺(tái)風(fēng)機(jī)(一臺(tái)啟用通風(fēng)，另一臺(tái)備用)，風(fēng)量為1 500～2 281 m3/min。目前8個(gè)區(qū)間隧道均已順利貫通，正常通風(fēng)條件下，施工監(jiān)測(cè)的瓦斯?jié)舛葹?.02%～0.18%，均未達(dá)到報(bào)警濃度(0.5%)。說明8個(gè)區(qū)間隧道的判定結(jié)果與實(shí)際相符。

7 結(jié)論

(1)成都地鐵1號(hào)線三期工程緩丘區(qū)廣福站至天府新站段的8個(gè)區(qū)間隧道位于蘇碼頭氣田或含氣構(gòu)造帶之上，下部天然氣易沿?cái)鄬訋А⒘严稁蛏线\(yùn)移浸入上部地層或逸出地表，在淺部某處蓋層條件較好的地層內(nèi)可能聚集形成天然氣氣囊，淺層天然氣對(duì)區(qū)間隧道有一定的影響和危害。

(2)鉆孔測(cè)試及取樣室內(nèi)氣相色譜分析試驗(yàn)均有天然氣顯示，天然氣最大濃度為0.99%。根據(jù)控制性測(cè)試鉆孔天然氣最大濃度、隧道所處構(gòu)造部位、隧道是否穿越油氣生烴層或儲(chǔ)集層、洞身以上是否有形成氣囊的有利地層條件及隧道長(zhǎng)度等因素，綜合分析判定其均為低瓦斯隧道。隧道施工驗(yàn)證了評(píng)價(jià)結(jié)果的正確性。

(3)勘察階段采用鉆孔現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并輔以室內(nèi)氣相色譜分析相結(jié)合的天然氣測(cè)試方法可行。測(cè)試鉆孔布置應(yīng)具有代表性，能反映和揭示隧道天然氣濃度及分布變化情況，一般性測(cè)試孔深度可為隧道結(jié)構(gòu)底板以下3倍隧道直徑(寬度)，控制性測(cè)試孔深度可為隧道結(jié)構(gòu)底板以下4～6倍隧道直徑(寬度)。

[1] 住建部，國(guó)家質(zhì)檢總局.GB50307—2012 城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2012

[2] 鐵道部.TB10120—2002 鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2003

[3] 鐵道部.TB10027—2012 鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2012

[4] 高勤運(yùn).隧道瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法在非煤地層中的應(yīng)用研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2014，58(4)：87-89

[5] 白正偉.非煤系瓦斯隧道天然氣儲(chǔ)滲特征與瓦斯超前預(yù)報(bào)及參數(shù)測(cè)試的研究[J].國(guó)防交通工程與技術(shù)，2015(1)：31-35

[6] 蘇培東，廖軍兆，王奇，等.四川盆地龍泉山含油氣構(gòu)造淺層天然氣對(duì)隧道工程危害研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2014，22(6)：1287-1292

[7] 袁云海.四川紅層地層隧道中天然氣賦存分析及處理措施初探[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2013，58(1)：23-28

[8] 蘇培東，李作兵，范曉麗.蘭渝鐵路梅嶺關(guān)隧道淺層天然氣預(yù)測(cè)研究[J].路基工程，2011(1)：28-30

[9] 蘇培東，李作兵，范曉麗，等.成-簡(jiǎn)一級(jí)公路龍泉山隧道淺層天然氣檢測(cè)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009，46(4)：52-57

[10] 劉文伍.淺層天然氣對(duì)新龍泉山隧道的影響分析[J].山西建筑，2013，39(24)：178-180

[11] 張貴銅.鐵路隧道瓦斯等級(jí)劃分的探討[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2012(10)：75-79

[12] 劉楊，姚海波.天然氣高瓦斯山嶺隧道地質(zhì)災(zāi)害的特點(diǎn)與預(yù)報(bào)[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2011(3)：69-71

[13] 李鵬，蔣雅君，楊龍偉，等.非煤系構(gòu)造連通型瓦斯隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014，58(11)：103-107

[14] 馬永生，蔡勛育，趙培榮，等.四川盆地大中型天然氣田分布特征與勘探方向[J].石油學(xué)報(bào)，2010，31(3)：347-354