非煤系地層淺層天然氣賦存規(guī)律及瓦斯隧道工程防護(hù)方案

蘇培東，黎俊麟，徐正宣，廖宸宇，王 棟

（1.西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 地勘巖土工程設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610031）

目前國(guó)內(nèi)南京、上海、杭州、武漢、成都等城市在開(kāi)展軌道交通建設(shè)時(shí)均受到高濃度瓦斯的危害[1]，其中成都的情況又有別于其他地區(qū)。成都軌道交通穿越非煤系地層，危害隧道工程的瓦斯（油氣領(lǐng)域稱(chēng)為天然氣）在成因機(jī)制上與其他城市的煤層氣、生物氣有著本質(zhì)區(qū)別，賦存規(guī)律也更為復(fù)雜，具有普遍性和隨機(jī)性的分布特點(diǎn)[2]，現(xiàn)有勘察手段難以準(zhǔn)確預(yù)報(bào)和定位，且現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員對(duì)該類(lèi)天然氣認(rèn)識(shí)不足，難以有效提前防護(hù)。為降低瓦斯隧道施工風(fēng)險(xiǎn)，安全高效發(fā)展現(xiàn)代隧道工程，針對(duì)非煤系地層開(kāi)展淺層天然氣賦存規(guī)律及預(yù)測(cè)防范的研究具有重要意義。

長(zhǎng)期以來(lái)，淺層天然氣的相關(guān)研究多從能源開(kāi)采、利用等角度開(kāi)展[3]，其對(duì)隧道等工程建設(shè)的影響并未受到極大關(guān)注。由于非煤系地層淺層天然氣的賦存規(guī)律未得到清晰認(rèn)識(shí)，多起穿越非煤系地層隧道（簡(jiǎn)稱(chēng)非煤隧道）的瓦斯燃爆事故先后發(fā)生，例如達(dá)成鐵路炮臺(tái)山隧道及成洛大道東延線(xiàn)洛帶古鎮(zhèn)隧道的瓦斯爆炸，成都軌道交通18號(hào)線(xiàn)龍泉山隧道多個(gè)區(qū)段出現(xiàn)瓦斯噴涌現(xiàn)象等[4]。為預(yù)防非煤隧道再次出現(xiàn)瓦斯事故，一些學(xué)者開(kāi)始探索研究非煤系淺層天然氣對(duì)隧道工程建設(shè)的影響。1994年，閆光明最先提出了并非只有煤系地層才存在淺層天然氣這一思想[5]。2009年，蘇培東等[6-7]依托成簡(jiǎn)一級(jí)公路龍泉山隧道，首次提出了非煤系淺層天然氣運(yùn)移模式圖；同年，依托蘭渝鐵路廣南段，通過(guò)鉆孔測(cè)試淺層天然氣的方法，半定量地評(píng)價(jià)了隧道受瓦斯的影響程度。2011年，康小兵[8]首次提出了非煤隧道瓦斯形成機(jī)制的3種成因類(lèi)型，為之后研究非煤隧道瓦斯賦存規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。2014年，袁慧[9]基于云頂山1號(hào)隧道，分析了非煤系地層孔隙、裂隙系統(tǒng)在淺層天然氣賦存及運(yùn)移過(guò)程中起到的不同作用。2015年，ZHAO Yanxi 等[10]結(jié)合國(guó)內(nèi)外工程案例發(fā)現(xiàn)，瓦斯是否會(huì)危害工程取決于濃度和儲(chǔ)存條件，指出了孔隙度高或裂隙發(fā)育的巖體是瓦斯富集的有利場(chǎng)所；2019年，ZHANG Kai 等[11]綜合前人的研究成果，選用地質(zhì)構(gòu)造、地質(zhì)巖性、隧址區(qū)巖體完整性、地下水流動(dòng)性、隧道埋深、鉆孔測(cè)得最大瓦斯?jié)舛?、壓力等作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，基于屬性數(shù)學(xué)理論建立了1套非煤隧道勘察階段瓦斯突出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)體系。張小林等[12]、郭高峰等[13]、唐斌[14]聚焦成都市龍泉山地區(qū)，分別以成都軌道交通18號(hào)線(xiàn)龍泉山隧道、成簡(jiǎn)快速路龍泉山1號(hào)、2號(hào)隧道為研究對(duì)象，深入分析了龍泉山含油氣構(gòu)造對(duì)鄰近隧道的影響，研究了隧址瓦斯賦存規(guī)律。上述成果對(duì)研究非煤瓦斯隧道具有指導(dǎo)意義，但仍存在進(jìn)一步研究的空間。包括：就非煤系地層淺層天然氣對(duì)隧道工程的影響而言，目前尚未提煉形成能夠明確揭示這一危害的共性結(jié)論，同時(shí)也缺乏定量化評(píng)價(jià)其危害的方法；就非煤系淺層天然氣的賦存形式而言，研究多認(rèn)為僅有孔隙型、裂隙型、吸附型3種形式，而忽略了天然氣體的水溶特征；就探明非煤系淺層天然氣分布規(guī)律手段而言，目前普遍采用終孔時(shí)單次檢測(cè)的方式，還有待進(jìn)一步改進(jìn)與細(xì)化。

基于此，本文依托成都軌道交通19號(hào)線(xiàn)新碼頭街站—紅蓮村南站區(qū)段（簡(jiǎn)稱(chēng)新紅區(qū)段）中的高瓦斯隧道區(qū)間（簡(jiǎn)稱(chēng)新紅高瓦斯隧道區(qū)間），分析油氣的生儲(chǔ)蓋組合和運(yùn)移模式，提出成都紅層隧道受淺層天然氣危害的關(guān)鍵因素；對(duì)非煤系淺層天然氣賦存形式進(jìn)行分類(lèi)，分析水溶性天然氣形成機(jī)理及其對(duì)工程的危害，并據(jù)此優(yōu)化設(shè)計(jì)鉆孔分層檢測(cè)試驗(yàn)，探明非煤系淺層天然氣的賦存形式和分布規(guī)律；在參考瓦斯隧道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)非煤瓦斯隧道提出覆蓋勘察、設(shè)計(jì)與施工階段的綜合性工程防護(hù)方案，以期為同類(lèi)工程提供借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

成都軌道交通19號(hào)線(xiàn)二期工程定位為快線(xiàn)干線(xiàn)和機(jī)場(chǎng)線(xiàn)，線(xiàn)路自西向東穿越川西北坳陷區(qū)及川中塊狀隆起區(qū)，并以雙洞雙線(xiàn)隧道形式穿越紅層砂泥巖。全線(xiàn)在新碼頭街站—紅蓮村南站區(qū)段（新紅區(qū)段）的部分段落（右線(xiàn)里程YDK100+990—YDK101+656.5）檢測(cè)到高濃度淺層天然氣體，其位置如圖1所示。

新紅高瓦斯隧道采用盾構(gòu)法施工，左右線(xiàn)平行且間距較小。隧道長(zhǎng)666.5 m，埋深12～25 m，地形起伏較大，上覆土層厚度0.5～13.0 m 不等，以人工填土和粉質(zhì)黏土為主；隧道洞身段從侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）紅層中穿越，地下水埋深較淺，約4～10 m。

圖1 新紅高瓦斯隧道區(qū)間位置

隧道位于蘇碼頭背斜核部、背斜軸線(xiàn)近YDK101+100處，同時(shí)發(fā)育龍家梗、李紅塘2條逆斷層，分別于YDK101+007，YDK101+391 與線(xiàn)路相交。

2 油氣地質(zhì)背景及其運(yùn)移機(jī)制

新紅區(qū)段隧道穿越的紅層砂泥巖，自身不具備產(chǎn)生石油天然氣的條件，但其下部的蘇碼頭氣田及斷裂構(gòu)造為淺層天然氣的富集提供了氣源和運(yùn)移通道。

蘇碼頭氣田儲(chǔ)集層位主要為蓬萊鎮(zhèn)組第3段，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，天然氣資源豐富，生氣層為須家河組烴源巖，具有厚度大、分布廣泛、有機(jī)質(zhì)豐度高、生烴期長(zhǎng)、生氣強(qiáng)度高的特征[15]。侏羅系上統(tǒng)砂泥巖地層具備良好的儲(chǔ)蓋條件，砂巖具有低孔、低滲、高含水飽和度的特點(diǎn)，儲(chǔ)集空間以孔隙型為主，具備富集成藏條件；泥巖為致密儲(chǔ)層，起到對(duì)天然氣的封蓋作用。受喜山期形成的斷裂影響，須家河組氣源向淺層蓬萊鎮(zhèn)組運(yùn)移聚集成藏，同時(shí)蘇碼頭背斜構(gòu)造的形成，有利于天然氣向背斜高位運(yùn)移聚集，最終形成了以蓬萊鎮(zhèn)組為主的淺層遠(yuǎn)源次生氣藏[16]，如圖2所示。

圖2 蓬萊鎮(zhèn)組淺層天然運(yùn)移模式

除構(gòu)造地質(zhì)作用對(duì)天然氣成藏的調(diào)整和重新分配，天然氣還將在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)通過(guò)斷裂向淺部地層運(yùn)移浸染。由于氣水雙相流動(dòng)需克服很高的毛細(xì)管壓力，天然氣以溶解于地層水的形式通過(guò)斷裂構(gòu)造向上運(yùn)移，部分氣體運(yùn)移至淺部游離呈氣相，并首先沿高孔滲層段或裂隙運(yùn)移，在適宜位置排替原地層水而聚集。當(dāng)淺部地層水環(huán)境相對(duì)靜止時(shí)，部分氣體仍保持溶解態(tài)，并在漫長(zhǎng)的交替演化過(guò)程中在淺部形成水溶性天然氣。在完成源巖—儲(chǔ)層擴(kuò)散后，天然氣將基于濃度平衡與分子擴(kuò)散原理，在儲(chǔ)層內(nèi)部或地層水中擴(kuò)散，浸染淺表地層，即成為對(duì)隧道工程產(chǎn)生危害的瓦斯。

由圖2可知：新紅高瓦斯隧道區(qū)間位于蘇碼頭背斜核部，且線(xiàn)路穿越龍家梗、李紅塘逆斷層，蓬萊鎮(zhèn)組氣藏中的天然氣可通過(guò)這2個(gè)斷層向上運(yùn)移并浸染淺表部地層；淺表部的蓬萊鎮(zhèn)組砂泥巖互層，不均質(zhì)性強(qiáng)，天然氣在砂巖中儲(chǔ)集并受泥巖封堵保存，是天然氣運(yùn)移富集的有利指向區(qū)。與此相呼應(yīng)，現(xiàn)場(chǎng)淺層天然氣檢測(cè)中也測(cè)出高濃度天然氣體（尤其在斷層破碎帶附近），這驗(yàn)證了天然氣通過(guò)氣源斷裂向上運(yùn)移的機(jī)制。

為探尋受非煤系淺層天然氣危害隧道的共性特征，整理成都地區(qū)相關(guān)隧道案例見(jiàn)表1?？v覽案例可知，在工程地質(zhì)條件和油氣地質(zhì)背景上，案例隧道與新紅高瓦斯隧道區(qū)間具有一定相似性：案例隧道洞身段多位于侏羅系、白堊系紅層中，雖然穿越的是非煤系地層，但因位置原因，或間接或直接受到油氣田影響，導(dǎo)致這些隧道具有有利的油氣地質(zhì)背景，且氣源斷裂發(fā)育，斷裂可溝通深部地層，由此形成的瓦斯運(yùn)移通道，會(huì)使線(xiàn)路鄰近或穿越氣源斷裂帶時(shí)，遭受高濃度瓦斯的危害。

表1 成都地區(qū)非煤瓦斯隧道受淺層天然氣危害的案例

成都紅層地區(qū)淺層天然氣的生儲(chǔ)蓋組合及運(yùn)移模式如圖3所示。由圖可知，雖然侏羅系、白堊系地層自身不具備生氣條件，但其砂泥巖互層的巖性組合為良好的儲(chǔ)蓋一體式結(jié)構(gòu)，在喜山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中，烴源巖充足的須家河組及其儲(chǔ)層受到破壞，油氣重新分布，通過(guò)斷裂由深部向淺部運(yùn)移，形成淺層遠(yuǎn)源次生氣藏，并通過(guò)淺層斷裂進(jìn)一步向地表運(yùn)移浸染，賦存于具備儲(chǔ)集和蓋層條件的侏羅系及白堊系砂泥巖地層中。

綜合表1和圖3可以得出結(jié)論：在非煤系地層，線(xiàn)路是否穿越或鄰近氣源斷裂帶，是其是否會(huì)受到瓦斯危害的關(guān)鍵因素。

圖3 成都紅層地區(qū)淺層天然氣生儲(chǔ)蓋組合及運(yùn)移模式

3 非煤系地層淺層天然氣賦存規(guī)律

3.1 非煤系淺層天然氣賦存形式

目前的研究認(rèn)為，非煤系淺層天然氣主要有孔隙型、裂隙型、吸附型3種類(lèi)型，主要以游離態(tài)賦存巖體孔隙中，少量在泥巖體內(nèi)以吸附態(tài)存在。而在新紅高瓦斯隧道區(qū)間的研究工作中，還發(fā)現(xiàn)了以溶解于水的形式存在的淺層天然氣體，以三相耦合形式賦存于地層中，賦存形式如圖4所示。

圖4 穩(wěn)定水面下淺層天然氣賦存形式

1）孔隙型天然氣

孔隙型天然氣與儲(chǔ)層的孔隙類(lèi)型、孔隙大小、孔喉結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng)巖體孔隙相互連通，孔隙度越大時(shí)，巖體儲(chǔ)集空間越大，更利于富集孔隙型天然氣體，反之，將作為蓋層結(jié)構(gòu)對(duì)淺層天然氣起一定的封堵作用。

新紅高瓦斯隧道區(qū)間的儲(chǔ)集層孔隙度平均值為10.62%，滲透率平均值為1.31 mD，具有低孔低滲、高含水飽和度的特點(diǎn)，且由于巖性的非均質(zhì)性，當(dāng)油氣浸染儲(chǔ)層巖體時(shí)，孔隙型天然氣在地層中的分布呈普遍性和隨機(jī)性的特點(diǎn)。

2）裂隙型天然氣

裂隙型天然氣與巖體的裂隙發(fā)育程度和規(guī)模直接相關(guān)，裂隙可作為淺層天然氣的運(yùn)移通道及儲(chǔ)集空間，裂隙發(fā)育的層段滲透性往往高于常規(guī)層段數(shù)倍至十幾倍，更利于淺層天然氣的富集，當(dāng)巖體裂隙呈封閉狀態(tài)或上覆存在蓋層結(jié)構(gòu)時(shí)，淺層天然氣將儲(chǔ)集于裂隙中，形成分布隨機(jī)、規(guī)模不等的天然氣氣囊。

新紅高瓦斯隧道區(qū)間龍家埂和李紅塘2條斷層附近，地層淺層天然氣賦存主要以這種形式為主。

3）吸附性天然氣

吸附性天然氣主要與微小孔隙和地層壓力有關(guān)，當(dāng)巖體孔隙度越大，平均孔徑越小，地層壓力越大，其吸附淺層天然氣量越大。

新紅高瓦斯隧道區(qū)間的隧道埋深淺，地層壓力小，吸附性天然氣含量小。

4）水溶性天然氣

當(dāng)淺表部地層水環(huán)境相對(duì)靜止時(shí)，一部分通過(guò)斷裂運(yùn)移至淺部的天然氣以溶解態(tài)的形式在淺表部地層水?dāng)U散，在漫長(zhǎng)的交替演化過(guò)程中形成水溶性天然氣；當(dāng)靜水環(huán)境被擾動(dòng)時(shí)，溶于水的淺層天然氣又呈現(xiàn)出游離狀態(tài)。相關(guān)研究表明：成都平原淺表地層水溫度、壓力正常，水溶性天然氣主要分布在水文地質(zhì)環(huán)境相對(duì)停滯的氣源斷裂帶周?chē)?，氣水比多?.4～2.0范圍內(nèi)[17]。水文地質(zhì)環(huán)境相對(duì)靜止，且受氣源斷裂的影響，易產(chǎn)生水溶性天然氣。

在新紅高瓦斯隧道區(qū)間現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行降水抽排時(shí)，可觀測(cè)到排水管內(nèi)液體夾有大小不等的氣泡，用排水積氣法進(jìn)行收集，檢測(cè)收集到的氣體瓦斯?jié)舛葹?.3%；靜置排出水體，仍可見(jiàn)瓦斯以微氣泡的形式從水體中游離出來(lái)。需要說(shuō)明的是，該現(xiàn)象僅為降水抽排時(shí)管內(nèi)水溶性天然氣游離現(xiàn)象，當(dāng)停滯水體受擾動(dòng)時(shí)，瓦斯游離過(guò)程隨即開(kāi)始，隨著地下水面的下降，瓦斯賦存環(huán)境將由三相轉(zhuǎn)化為兩相，并根據(jù)濃度擴(kuò)散原理向圍巖的孔、洞、縫中聚集，從而形成濃度較高的天然氣囊，對(duì)隧道施工產(chǎn)生較大危害。

由于水溶性天然氣的存在，勘察階段現(xiàn)場(chǎng)天然氣檢測(cè)結(jié)果可能偏低，這可能對(duì)天然氣的定量化研究產(chǎn)生一定影響。因此，當(dāng)線(xiàn)路穿越或鄰近氣源斷裂帶且地下水豐富時(shí)，有必要進(jìn)行氣水比試驗(yàn)，探明地層中淺層天然氣濃度。

3.2 非煤系淺層天然氣空間分布規(guī)律

3.2.1 分層檢測(cè)試驗(yàn)

為準(zhǔn)確探明非煤系淺層天然氣的空間分布規(guī)律，采用分層檢測(cè)方法，研究新紅高瓦斯隧道區(qū)間瓦斯氣體沿地層深度方向的濃度分布特征，查明隧道穿越深度地層瓦斯氣體濃度情況。

按左、右線(xiàn)交叉布置的形式，在新紅高瓦斯隧道區(qū)間設(shè)置分層檢測(cè)鉆孔26個(gè)（原設(shè)置鉆孔27個(gè)，因Z04鉆孔施工時(shí)塌孔，故產(chǎn)生有效數(shù)據(jù)的鉆孔為26個(gè)），單線(xiàn)鉆孔間距50 m，鉆孔平面布置圖如圖5所示。

圖5 分層檢測(cè)鉆孔平面布置圖

施鉆過(guò)程中，分別在隧道頂板、底板、終孔處進(jìn)行地層瓦斯?jié)舛葯z測(cè)，且檢測(cè)前將套管下至特定位置并封孔12 h，待孔內(nèi)水位穩(wěn)定后再行檢測(cè)。對(duì)應(yīng)的分層檢測(cè)方法如圖6所示。

圖6 分層檢測(cè)實(shí)施方式示意圖

3.2.2 分層檢測(cè)結(jié)果

匯總所有鉆孔的檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由表可知：26個(gè)鉆孔均有瓦斯顯示，其中濃度超1%的鉆孔共20個(gè)，占總檢測(cè)鉆孔的76.90%；濃度超2%的鉆孔共10個(gè)，占總檢測(cè)鉆孔的38.50%；檢測(cè)得到的最大瓦斯?jié)舛葹?.24%；多數(shù)鉆孔的瓦斯?jié)舛仍诘?段分層檢測(cè)時(shí)激增。檢測(cè)數(shù)據(jù)不僅驗(yàn)證了對(duì)淺層天然氣（瓦斯）對(duì)淺表部地層的浸染具有普遍性，而且還體現(xiàn)出隨深度增加，地層含高濃度淺層天然氣概率增大的規(guī)律。

3.2.3 非煤系淺層天然氣空間分布特征

為研究地層中瓦斯?jié)舛入S地層深度的變化，將表2中的分層檢測(cè)數(shù)據(jù)與隧道工程地質(zhì)縱斷面圖相結(jié)合，針對(duì)每個(gè)檢測(cè)孔繪制瓦斯?jié)舛?深度折線(xiàn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，以1%作為高瓦斯的判定參考值，將濃度-深度折線(xiàn)上的所有1%連接，擬合得到高低瓦斯縱向分界線(xiàn)，分界線(xiàn)高程460 m 左右。該分界線(xiàn)以上區(qū)域，隧道受非煤系淺層天然氣危害程度相對(duì)較小，施工風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。隧道縱斷面瓦斯?jié)舛?深度關(guān)系及其擬合分界線(xiàn)如圖7所示。

根據(jù)前文分層檢測(cè)得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以單個(gè)檢測(cè)鉆孔為區(qū)塊，對(duì)隧道頂板上部、洞身段、底板下部，分別繪制不同高程下的平面瓦斯?jié)舛确植紙D，并將3個(gè)高程面疊合，得到新紅高瓦斯隧道區(qū)間的瓦斯?jié)舛确植寄Ｐ?，如圖8所示。依據(jù)鉆孔揭示的地層巖性，結(jié)合圖8，可知新紅高瓦斯隧道區(qū)間的瓦斯在空間分布上具有如下特征。

（1）在隧道頂板上部地層，瓦斯?jié)舛绕毡樾∮?.1%，僅 在ZDK101+520—610 及YDK101+440—525層段瓦斯?jié)舛雀哂?.3%。根據(jù)Z11 與Y11鉆孔揭示地層，該層段巖芯較破碎，分析李紅塘逆斷層對(duì)該層段有一定影響，由于巖體裂隙發(fā)育、孔滲結(jié)構(gòu)較好，瓦斯可通過(guò)氣源斷裂帶向該層段浸染擴(kuò)散，形成裂隙型淺層天然氣囊。

（2）在隧道洞身段地層，高濃度瓦斯主要分布于蘇碼頭背斜軸部及龍家埂逆斷層附近，且其分布規(guī)律與巖性有較強(qiáng)的相關(guān)性，砂巖層中檢測(cè)到的瓦斯?jié)舛让黠@高于泥巖層。ZDK101+190—ZDK101+500 洞身段巖性以泥巖為主，其側(cè)向展布較連續(xù)，與其下部的砂巖形成有利于瓦斯儲(chǔ)集的儲(chǔ)蓋結(jié)構(gòu)。

表2 新紅高瓦斯隧道區(qū)間分層檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖7 隧道縱斷面天然氣濃度-深度關(guān)系及擬合分界線(xiàn)

（3）隧道底板下部地層，瓦斯?jié)舛绕毡榇笥?.0%，且其分布規(guī)律與斷層構(gòu)造聯(lián)系緊密，高濃度瓦斯賦存于斷層2側(cè)。從第3層的瓦斯?jié)舛确植紒?lái)看，瓦斯賦存規(guī)律是巖性與構(gòu)造共同作用的結(jié)果，除砂巖中賦存高濃度瓦斯外，裂隙發(fā)育的泥巖同樣含有高濃度瓦斯，且以裂隙型賦存的瓦斯?jié)舛容^孔隙型更高。

圖8 新紅高瓦斯隧道區(qū)間瓦斯?jié)舛确植寄Ｐ?/p>

（4）新紅高瓦斯隧道區(qū)間具有有利的油氣地質(zhì)背景，受龍家埂、李紅塘逆斷層影響，淺表地層受淺層天然氣浸染普遍，但從分層檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，多數(shù)鉆孔的瓦斯?jié)舛仍诘?段分層檢測(cè)時(shí)激增，存在隨深度增加地層含高濃度淺層天然氣概率增大的規(guī)律；若以1%作為高瓦斯的判定參考值，該區(qū)間高低瓦斯縱向分界線(xiàn)高程約460 m左右。

3.3 非煤系淺層天然氣分布的關(guān)聯(lián)因素

（1）影響非煤系淺層天然氣分布規(guī)律因素較多，一般性地，深度越深，地層含高濃度淺層天然氣的概率越大。這也說(shuō)明淺層天然氣的富集需要有一定厚度的封蓋條件，表部地層因封蓋條件不足，淺層天然氣易向地表逸散。故在新紅高瓦斯隧道區(qū)間第1層分層檢測(cè)時(shí)少有高濃度天然氣體。

（2）非煤系淺層天然氣分布與氣源斷裂有著密不可分的關(guān)系：其一，氣源斷裂帶可作為深部油氣向淺部運(yùn)移的通道，是紅層砂泥巖地區(qū)淺表部地層賦存淺層天然氣的前提條件；其二，斷裂構(gòu)造造成區(qū)段巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，其滲透性往往高于常規(guī)層段數(shù)倍至十幾倍，更利于非煤系淺層天然氣的富集與浸染擴(kuò)散。故新紅高瓦斯隧道區(qū)間高濃度淺層天然氣體主要賦存于斷層2側(cè)，高低瓦斯縱向分界線(xiàn)高程約460 m左右。

（3）從巖性的角度上看，非煤系淺層天然氣的分布規(guī)律與巖性有較強(qiáng)的相關(guān)性，低孔低滲的砂巖相較于致密的泥巖易富集淺層天然氣。新紅高瓦斯隧道區(qū)間的現(xiàn)象也較好地驗(yàn)證了這一點(diǎn)：ZDK101+190—ZDK101+500段瓦斯于隧道底板下部砂巖層段富集，而上部泥巖層段作為蓋層，因此瓦斯?jié)舛容^低。

（4）非煤系淺層天然氣分布規(guī)律系構(gòu)造與巖性共同作用的結(jié)果，一般情況下，砂巖相較于泥巖孔滲結(jié)構(gòu)更好，更利于富集淺層天然氣，但在構(gòu)造作用的影響下，鄰近斷層巖體較破碎，原孔滲結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，裂隙發(fā)育泥巖層段也可富集高濃度淺層天然氣。

4 非煤瓦斯隧道的工程防護(hù)方案

由于非煤系淺層天然氣賦存具有普遍性和隨機(jī)性，預(yù)測(cè)及防范難度大，需要在充分認(rèn)識(shí)工區(qū)段淺層天然氣賦存規(guī)律的基礎(chǔ)上，針對(duì)性地規(guī)避、防范淺層天然氣危害。目前，非煤瓦斯隧道研究尚處于起步階段，還未形成統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，故只能參考瓦斯隧道技術(shù)進(jìn)行施工及防護(hù)，形成的工程防護(hù)方案基本實(shí)現(xiàn)流程如圖9所示。

1）隧道勘察設(shè)計(jì)階段

圖9 非煤瓦斯隧道工程防護(hù)方案

首先，分析線(xiàn)路與鄰近油氣田或含油氣構(gòu)造關(guān)系，查明是否存在以氣源斷裂帶作為深部油氣運(yùn)移通道的天然氣導(dǎo)向線(xiàn)路，同時(shí)結(jié)合淺層天然氣分層檢測(cè)手段、氣水比試驗(yàn)，探明隧址區(qū)的瓦斯空間分布特征，論證線(xiàn)路受淺層天然氣危害的可能性，判定隧道瓦斯等級(jí)并按其設(shè)計(jì)隧道通風(fēng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)機(jī)械及電氣設(shè)備進(jìn)行防爆改造，建立風(fēng)電閉鎖、瓦電閉鎖和聲光報(bào)警系統(tǒng)及瓦斯超限時(shí)相應(yīng)的應(yīng)急處理措施。

對(duì)于高瓦斯工區(qū)，應(yīng)結(jié)合淺層天然氣分層檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果，劃分高低瓦斯縱向分界線(xiàn)，在線(xiàn)路設(shè)計(jì)要求允許的條件下抬升隧道埋深，盡量繞避高瓦斯區(qū)段；對(duì)于無(wú)法繞避的高瓦斯區(qū)段，可通過(guò)機(jī)械設(shè)備制造負(fù)壓，利用鉆孔、管路、裂隙等通道，抽排地層中賦存的瓦斯氣體，將高瓦斯?jié)舛鹊貙愚D(zhuǎn)化為低瓦斯?jié)舛鹊貙?，從而降低隧道施工風(fēng)險(xiǎn)。

2）隧道施工階段

在以超前地質(zhì)預(yù)報(bào)為指導(dǎo)的基礎(chǔ)上，主要通過(guò)嚴(yán)控掘進(jìn)技術(shù)控制地層瓦斯進(jìn)入隧道、系統(tǒng)通風(fēng)稀釋隧道內(nèi)瓦斯、自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)驗(yàn)證預(yù)防相結(jié)合的方式，確保隧道安全施工。

從超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的角度，類(lèi)似新紅高瓦斯隧道區(qū)間這樣左、右線(xiàn)間距較小且相互平行的雙洞雙線(xiàn)隧道，可在施工工藝上采用超前導(dǎo)洞預(yù)報(bào)法，利用超前施工單洞隧道的方法揭示地質(zhì)特征，并通過(guò)單線(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的瓦斯儲(chǔ)氣構(gòu)造，推測(cè)另一側(cè)高濃度瓦斯段落。以新紅高瓦斯隧道區(qū)間為例，鑒于其高濃度天然氣體與裂隙的較強(qiáng)相關(guān)性，可考慮按如下步驟開(kāi)展：①選用目前較成熟的隧道地震彈性波超前預(yù)報(bào)技術(shù)（Tunnel Seismic Prediction ahead，TSP），探測(cè)掌子面前方地質(zhì)構(gòu)造、圍巖節(jié)理裂隙的發(fā)育情況；②將TSP、超前鉆孔2種方法結(jié)合，根據(jù)TSP技術(shù)預(yù)報(bào)成果，把巖體裂隙發(fā)育帶作為超前鉆孔的重點(diǎn)探測(cè)區(qū)域，進(jìn)而針對(duì)性地采用超前鉆孔精準(zhǔn)探測(cè)復(fù)雜區(qū)段地質(zhì)及淺層天然氣情況，從而既消除TSP的多解性問(wèn)題，又取得經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)效果。超前鉆孔形成的鉆孔，也可作為瓦斯排放孔，當(dāng)?shù)貙犹烊粴鉂舛容^高時(shí)，可通過(guò)排放孔對(duì)該層段進(jìn)行瓦斯預(yù)抽排處理。

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)確保通風(fēng)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，保壓慢掘，同步注漿，并向土倉(cāng)內(nèi)注入優(yōu)質(zhì)泡沫、膨潤(rùn)土、水等，從而提高渣土的易性和流塑性、降低渣土透氣性，盡量減少瓦斯逸出。最后分批次出渣。在監(jiān)測(cè)土倉(cāng)內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸?%時(shí)，應(yīng)調(diào)節(jié)閘門(mén)開(kāi)啟度，在開(kāi)口處形成土塞效應(yīng)；同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)盾尾油脂的注入確保盾尾密封、提高管片拼接及襯砌質(zhì)量，防止地層瓦斯?jié)B入成型隧道。

應(yīng)采用人工檢測(cè)和自動(dòng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方式，確保檢測(cè)過(guò)程全跟蹤、全覆蓋，同時(shí)依據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》，考慮高瓦斯隧道的盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合目前已有研究?jī)?yōu)化調(diào)整限值，形成瓦斯超限及相應(yīng)處理措施見(jiàn)表3。如在掘進(jìn)及通風(fēng)系統(tǒng)正常工作條件下遇到隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸薜那闆r，應(yīng)根據(jù)表3 采取相應(yīng)的處理措施。如遇停工，需再查明原因后，直到工作面回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛鹊陀?.25%才可恢復(fù)施工。

表3 瓦斯超限及相應(yīng)處理措施

5 結(jié) 論

（1）依托成都軌道交通19號(hào)線(xiàn)新紅高瓦斯隧道區(qū)間，分析紅層地區(qū)淺層天然氣生儲(chǔ)蓋組合及運(yùn)移模式，發(fā)現(xiàn)當(dāng)線(xiàn)路穿越或鄰近氣源斷裂帶時(shí)，淺層天然氣會(huì)在儲(chǔ)蓋一體式結(jié)構(gòu)的紅層砂泥巖中富集，從而確定氣源斷裂是隧道受到淺層天然氣危害的關(guān)鍵。

（2）提出水溶性天然氣的賦存形式，該類(lèi)型天然氣溶于水，不能有效地通過(guò)鉆孔檢測(cè)，可能導(dǎo)致淺層天然氣定量化評(píng)價(jià)結(jié)果偏低。當(dāng)線(xiàn)路穿越或鄰近氣源斷裂帶且地下水豐富時(shí)，有必要開(kāi)展氣水比試驗(yàn)，進(jìn)而確定水溶性天然氣濃度及含量，修正淺層天然氣定量化評(píng)價(jià)結(jié)果。

（3）非煤系地層淺層天然氣賦存規(guī)律系構(gòu)造與巖性共同作用的結(jié)果，砂巖較泥巖更易富集淺層天然氣，但受構(gòu)造斷裂影響，氣體也可以以裂隙型的儲(chǔ)集形式賦存于地層中；新紅高瓦斯隧道區(qū)間的高低瓦斯縱向分界線(xiàn)高程約460 m 左右，隧道頂板上部地層的天然氣濃度普遍小于0.1%，底板下部地層的天然氣濃度普遍大于1.0%，縱向上隨深度增加，地層含高濃度淺層天然氣的概率增大，隧道受淺層天然氣危害程度也就越大。

（4）提出1套針對(duì)非煤瓦斯隧道的工程防護(hù)方案，通過(guò)修正線(xiàn)路設(shè)計(jì)方案、預(yù)抽排淺層天然氣、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、控制掘進(jìn)技術(shù)、系統(tǒng)通風(fēng)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)等措施相結(jié)合的方式，預(yù)測(cè)防范淺層天然氣對(duì)隧道工程的危害。