成都地鐵1號線三期區間隧道勘察淺層天然氣測試及影響評價研究

潘瑞林 袁永紅 羅常鋒 肖先俊

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 工程概況

成都地鐵1號線三期工程是位于成都天府新區的南北向線路，由二期四河站南端引出，沿天府大道向南，設華陽站、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個車站，線路長14.35 km，全部為地下線。車站采用明挖法施工，區間隧道主要采用盾構法施工。

2 地質特征

2.1 地形地貌及地層巖性

四河站至廣福站位于平原區，屬岷江水系Ⅱ級階地，廣福站至終點天府新站為侵蝕緩丘區，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。

平原區地層主要為第四系人工雜填土、粉質黏土、粉土、粉細砂、卵石土，白堊系上統灌口組強-中風化泥質砂巖、泥巖，第四系覆蓋層厚10～30 m。緩丘區地層主要為第四系人工雜填土、粉質黏土，白堊系下統天馬山組-侏羅系上統蓬萊鎮組全-中風化砂巖、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。區間隧道洞身和車站結構底板主要位于強-中風化砂巖、泥巖層中。

2.2 地質構造

成都地鐵1號線三期工程處于成都斷陷盆地東部邊緣構造帶，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間。蘇碼頭背斜走向為N30°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天馬山組-侏羅系上統蓬萊鎮組地層，兩翼主要出露白堊系地層。蘇碼頭斷層發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天馬山組-侏羅系上統蓬萊鎮組地層，斷層走向為N30°E，延伸長約30 km，傾向為SE，傾角約19°，斷層帶寬度約為20 m，該斷層為區域壓扭性逆斷層。

圖1 蘇碼頭構造示意

3 蘇碼頭天然氣田概況

蘇碼頭天然氣田儲集層位為侏羅系上統蓬萊鎮組，2002年，在1、3、5、6、9 號井(井深604～765 m)均獲得工業氣流。蘇碼頭氣田天然氣控制儲量為74.38×108m3，可采儲量為29.75×108m3，含氣面積為94.0 km2，2006年單井平均產氣1.0×104m3，產量、壓力均較穩定，截止2006年9月累計產氣2208×104m3。蘇碼頭構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較差。

地鐵1號線三期工程緩丘區廣福站至天府新站段的8個區間隧道位于蘇碼頭氣田和含氣構造帶之上，主要穿越白堊系下統天馬山組-侏羅系上統蓬萊鎮組砂、泥巖地層，埋深5～30 m，下部有天然氣儲層，背斜圈閉構造的兩翼蓋層條件較好，而軸部中上蓋層條件相對較差，天然氣易沿斷層帶、裂隙帶向上運移浸入上部地層，或逸出地表，在淺部某處蓋層條件較好的地層內聚集形成天然氣氣囊。因此，淺層天然氣有可能對地鐵1號線三期緩丘區的8個區間隧道產生危害，勘察階段需要進行淺層天然氣測試及影響評價。

4 淺層天然氣測試及鉆孔布置

4.1 淺層天然氣測試

主要采用鉆孔現場測試，并輔以室內分析試驗相結合的方法進行。

鉆孔現場測試采用SL-808A天然氣、液化石油氣檢測儀，在測試鉆孔中測定天然氣濃度。該儀器采用泵吸式傳感器進行天然氣濃度檢測，響應時間小于10 s。該儀器靈敏度高，響應時間快，穩定性好。一般每個鉆孔測試4次：鉆孔深度分別為隧道結構底板埋深、底板下10 m、終孔深度時各實時測試1次，終孔后封口24 h測第4次，以測試天然氣逸出深度、濃度及封口24 h后的最大濃度。

終孔封口24 h后，現場取氣樣進行室內氣相色譜分析試驗，測試氣體中的成分和濃度。

4.2 測試鉆孔布置

根據天然氣田圈閉構造特征，結合區間隧道埋深情況和現場條件，重點對段武區間、福廣區間和廣興區間隧道布置測試鉆孔。段武區間隧道共布置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。福廣區間和廣興區間隧道各布置1孔。

隧道內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。天然氣測試鉆孔的深度：原則上應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，一般認為3倍隧道直徑(寬度)深度范圍以外的圍巖地應力基本為原始地應力(地應力基本保持不變)，圍巖中的裂隙一般不會因為地應力調整張開或產生新的裂隙，不會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，隧道開挖后圍巖應力重新調整，巖體松動、裂隙張開或產生新的裂隙，氣體向隧道洞內逸散較通暢， 3倍隧道直徑(寬度)深度處測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試孔深為隧道結構底板以下3倍隧道直徑(寬度)，控制性測試孔深度一般為隧道結構底板以下4～6倍隧道直徑(寬度)。本項目盾構隧道直徑為6.28 m，結構底板埋深為20～30 m，段武區間隧道3個一般性測試孔深度為41.9～49.7 m，2個控制性測試孔深度為61.0～65.8 m，福廣區間和廣興區間隧道測試孔深度為60.0 m。

5 淺層天然氣測試結果

5.1 室內氣相色譜分析試驗結果

采用氣相色譜法對5組氣樣進行成分和含量分析試驗(見表1)。試驗結果表明：①5組氣樣均以氧氣(O2)和氮氣(N2)為主，含少量甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)，微量其它含碳氣體；段武區間蘇碼頭斷層附近孔內檢測到少量有害氣體一氧化碳(CO)，沒有發現H2S、SO2等其它有毒有害氣體。②可燃氣體甲烷(CH4)濃度為0.118%～0.89%。③一氧化碳(CO)濃度為0.007%～0.034%。

5.2 鉆孔現場測試結果

鉆孔現場測試結果(見表2)表明，①段武區間5個鉆孔均有天然氣存在，控制性測試鉆孔天然氣最大濃度為0.99%，一般性測試鉆孔隧道結構底板以下3倍隧道直徑(寬度)處最大濃度為0.34%。②福廣區間和廣興區間也均有天然氣存在，控制性測試鉆孔天然氣最大濃度分別為0.884%和0.945%。

表1 天然氣體組分檢測結果

表2 鉆孔天然氣測試結果

6 淺層天然氣對區間隧道影響評價

6.1 測試結果分析及評價

段武區間隧道和福廣、廣興2個代表性區間隧道現場鉆孔測試及室內氣相色譜分析試驗結果表明，控制性測試鉆孔天然氣最大濃度為0.884%～0.99%，一般性測試鉆孔隧道結構底板以下3倍隧道直徑(寬度)處最大濃度為0.024%～0.34%，取樣室內分析天然氣濃度為0.118%～0.89%，其結果與現場鉆孔測試濃度基本吻合。 3個區間隧道均有天然氣存在，但遠低于瓦斯爆炸的下限濃度(5.0%)。地鐵區間隧道均已受到蘇碼頭氣田天然氣向上運移浸入和逸出的影響，均為瓦斯隧道。此外，段武區間檢測到有害氣體一氧化碳(CO)，其濃度為0.007%～0.034%，濃度略偏高(當CO濃度高于0.03%時，會對人體產生危害，有頭疼、嘔吐等癥狀)。

廣福站至終點天府新站段的8個區間隧道都處于低緩丘陵區，屬于同一地質構造單元，均位于蘇碼頭氣田或含氣構造帶之上，按照工程地質類比法并結合現場鉆孔測試及室內氣相色譜分析試驗綜合分析結果，8個區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加強瓦斯和一氧化碳監測工作，加強隧道通風和瓦斯隧道相關安全防護工作。

6.2 淺層天然氣瓦斯隧道分類

《鐵路瓦斯隧道技術規范》(TB 10120—2002)中對瓦斯隧道的分類標準為：①絕對瓦斯涌出量小于0.5 m3/min時為低瓦斯隧道；大于或等于0.5 m3/min時為高瓦斯隧道。②瓦斯突出隧道必須同時滿足4個指標(瓦斯壓力P≥0.74 MPa；瓦斯放散初速度ΔP≥10；煤的堅固性系數f≤0.5；煤的破壞類型為Ⅲ類及以上)。該規范給出了煤層瓦斯壓力、瓦斯放散初速度、煤的堅固系數測定方法和獨頭坑道礦山法煤層瓦斯涌出量的計算方法。《鐵路工程不良地質勘察規程》(TB10027—2012)也給出了單煤層和多煤層隧道瓦斯涌出量的計算方法及公式。

上述規范劃分標準和指標測定、計算方法均適用于煤層瓦斯隧道。雖然高勤運[4]提出可用上述規范(程)中的公式預測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板巖地層中取得了較好的結果，但淺層天然氣瓦斯隧道與之有較大差異，主要表現在：①隧道所處淺層天然氣壓力相對較小，難以準確測定；②隧道穿越地段大多為非生烴層，其淺層天然氣大多沿斷層、裂隙從深部向上運移，逸出到隧道洞身或局部形成相對獨立的氣囊，其濃度和分布具有不均勻性和各向異性，瓦斯涌出量難以準確計算，增大了分類評價難度。因此，不宜按《鐵路瓦斯隧道技術規范》(TB 10120—2002)和《鐵路工程不良地質勘察規程》(TB10027—2012)的方法和標準計算、預測隧道瓦斯涌出量。

白正偉[5]在蘭渝鐵路梅嶺關隧道施工中將工作面超前鉆孔模擬為隧道開挖情況，測試超前鉆孔天然氣單位面積、單位時間的瓦斯涌出量，參考隧道施工分臺階開挖的實際工況，提出了隧道開挖時瓦斯涌出量的計算公式。蘇培東等[6]通過四川大量鐵路、公路天然氣隧道勘察測試與施工實測數據的分析對比，提出淺層天然氣的定性識別方法和淺層天然氣的運移模式，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準：①隧道控制性測試鉆孔天然氣最大濃度大于1.5%，且隧道主要測試鉆孔有天然氣顯示；②即使隧道控制性測試鉆孔天然氣最大濃度小于1.5%，但隧道所處構造部位為天然氣聚集區或運移、逸出的有利指向區；③隧道直接穿越油氣生烴層或儲集層；④隧道長度大于1 000 m。符合以上4個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]提出的判別標準，并結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行綜合判定。段武、福廣、廣興3個區間隧道的判定結果見表3。

表3 區間隧道天然氣瓦斯隧道類型判定

6.3 施工驗證結果

本工程8個區間隧道均按低瓦斯隧道設計，采用盾構法施工。每個盾構隧道設立兩臺風機(一臺啟用通風，另一臺備用)，風量為1 500～2 281 m3/min。目前8個區間隧道均已順利貫通，正常通風條件下，施工監測的瓦斯濃度為0.02%～0.18%，均未達到報警濃度(0.5%)。說明8個區間隧道的判定結果與實際相符。

7 結論

(1)成都地鐵1號線三期工程緩丘區廣福站至天府新站段的8個區間隧道位于蘇碼頭氣田或含氣構造帶之上，下部天然氣易沿斷層帶、裂隙帶向上運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可能聚集形成天然氣氣囊，淺層天然氣對區間隧道有一定的影響和危害。

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

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

[1] 住建部，國家質檢總局.GB50307—2012 城市軌道交通巖土工程勘察規范[S].北京：中國計劃出版社，2012

[2] 鐵道部.TB10120—2002 鐵路瓦斯隧道技術規范[S].北京：中國鐵道出版社，2003

[3] 鐵道部.TB10027—2012 鐵路工程不良地質勘察規程[S].北京：中國鐵道出版社，2012

[4] 高勤運.隧道瓦斯涌出量預測方法在非煤地層中的應用研究[J].鐵道標準設計,2014，58(4)：87-89

[5] 白正偉.非煤系瓦斯隧道天然氣儲滲特征與瓦斯超前預報及參數測試的研究[J].國防交通工程與技術，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造淺層天然氣對隧道工程危害研究[J].工程地質學報，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].現代隧道技術，2013，58(1)：23-28

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

[9] 蘇培東，李作兵，范曉麗，等.成-簡一級公路龍泉山隧道淺層天然氣檢測研究[J].現代隧道技術，2009，46(4)：52-57

[10] 劉文伍.淺層天然氣對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.鐵路隧道瓦斯等級劃分的探討[J].鐵道工程學報，2012(10)：75-79

[12] 劉楊，姚海波.天然氣高瓦斯山嶺隧道地質災害的特點與預報[J].鐵道工程學報，2011(3)：69-71

[13] 李鵬，蔣雅君，楊龍偉，等.非煤系構造連通型瓦斯隧道超前地質預報技術[J].鐵道標準設計，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].石油學報，2010，31(3)：347-354