含沼氣地層中氣體運移對隧道結構的影響分析

劉桂榮

（上海市基礎工程集團有限公司，上海 200438）

0 引言

我國長江中下游及東南沿海地區的湖相、河流相及海相的沉積平原地層中，廣泛分布著甲烷為主的生物氣（俗稱“沼氣”），氣體運移、富集在砂層透鏡體或砂層頂部，從而形成埋深從幾十米至百余米的第四系淺層天然氣藏［1］。當隧道穿越富含沼氣地層施工時，若處置不當，可能造成有害氣體泄漏，導致安全事故。由于受目前勘察條件所限，很難預先精確探明沼氣分布范圍和狀態，因此在富含沼氣的地層中建造地下隧道存在較高的施工風險［2-4］。

近年來，不少沿海、沿江隧道工程在建設過程中遇到了有害氣體問題，例如上海竹園污水排放口頂管隧道施工期間，淺層氣連同泥水向頂管隧道內突然涌出，使隧道坍塌，造成重大事故［5］；廣州地鐵 3 號線盾構施工時 3 名作業人員因甲烷中毒身亡；當有害氣體逸至隧道內達到一定濃度，可能遇明火引發火災或爆炸。此外，氣體在地層中的匯聚和逸散將引起地層變形，可能對隧道結構產生附加內力和變形。但由于涉及到非飽和土、多相流下的力場-流場耦合等復雜問題，相關的量化分析還鮮有研究和報道。

本文依托上海市天然氣主干管網崇明島-長興島-浦東新區五號溝 LNG 站管道工程的過江隧道，分析有害氣體在地層中的生成和運移特征，建立了地層-有害氣藏-隧道結構的有限元數值分析模型，基于固-液-氣三相耦合控制方程，模擬隧道周圍含氣藏的生成與逸散場景，并分析氣體運移過程中的地層變形與隧道結構受力性狀的變化規律，并與隧道襯砌結構受力設計值進行比較。

1 背景工程介紹

如圖 1 所示，上海市天然氣主干管網崇明島-長興島-浦東新區五號溝 LNG 站管道工程的過江隧道，分為 A 線隧道（崇明島工作井～長興島北工作井）和 B 線隧道（長興島南工作井～浦東曹路工作井）。其中，B 線隧道長約 6 931 m，采用盾構法施工，內徑 3.4 m，外徑 3.96 m，采用單層襯砌，隧道襯砌由鋼筋混凝土管片構成，混凝土強度等級為 C55，抗滲等級為 P12。

圖1 過江隧道示意圖

工程所在的長江北港水域有多處區域淺層氣分布情況異常，在施工期間通過便攜式可燃氣體探測儀檢測到有淺層沼氣溢出情況。結合對區域淺層沼氣分布特征的分析，初步判斷隧道沿線第 ⑤1-1層下部、⑤2層、第⑤3-1層、第 ⑤3-2層以及第 ⑤3-2層為可能的淺層沼氣儲氣層。

2 上海及周邊地區沼氣地層的性狀特征

根據相關地勘報告，上海長江口地區淺層沼氣最小埋深 8 m，最大埋深 30 m 左右，淺層沼氣主要有兩個層位，其一為 20 m 以上氣層，分布在地質歷史時期海侵最大時形成沉積層內（海相層），氣藏一般呈交互狀的扁豆體出現，儲氣層以貝殼、貝殼砂層為主，構成埋藏最淺的儲氣層；其二處于埋深 25 m 左右，為上部海相層沉積，受中部陸相層頂部起伏的控制，主要儲氣層為砂層，一般呈透鏡體或單向尖滅體出現。

氣體在地下水溶解量隨壓力增加、隨溫度降低而增大，其擴散與地層的滲水特性有關［7］。在淤泥質土層中產生的有害氣體不斷在土中運移并部分溶于地下水，當水中的氣體達到飽和后，部分氣體開始游離于土體孔隙中，并逐漸在砂層積聚。若蓋層的封蓋效果較好，氣體以側向遷移為主，最后在儲氣層集中成藏；如封蓋不嚴，氣體則以向上垂直運移為主，產生氣體逸散。儲氣層中的淺層氣側向運移補給特點，將導致沼氣不能完全徹底釋放，局部存在囊狀氣團。施工放氣雖可使氣壓顯著降低，但經過一段時間氣體可能再次聚集［8，9］。

3 分析理論與計算模型

3.1 固液氣三相耦合分析模型

為了分析沼氣匯聚和逸散過程中地層和隧道結構的力學響應，將土體視為由固相骨架、液相水體和氣相空氣組成的三相孔隙介質，并基于多孔介質理論和連續介質力學原理，建立考慮土骨架變形、水體流動和氣體傳輸的三相耦合分析模型。

模型的主要假設包括：①土體為均質材料；②孔隙水不可壓縮；③不考慮土-水特征曲線的滯后特性；④忽略空氣在水中的擴散、空氣在液相中的溶解以及水蒸氣的影響；⑤不考慮相變過程，液相水和氣相液體滿足廣義達西定律；⑥土體顆粒的密度與流體壓力和體積變形有關，而水體和空氣的密度則分別是孔隙水壓和孔隙氣壓的函數。

為了建立非飽和土固液氣三相耦合控制方程，將三相非飽和土（含固相骨架、孔隙水和孔隙氣）這一多孔介質等效為連續介質，隨后分別從等效多相系統的動量守恒方程和質量守恒方程出發，建立非飽和土固液氣三相耦合過程的控制方程組，方程組的基本未知量為位移、孔隙水壓力及孔隙氣壓力。結合土體本構關系、有效應力原理和土-水特征曲線，并賦予相應的初始條件和邊界條件（包括第一類 Dirichlet 條件和第二類 Neumann 條件），非飽和土固液氣三相耦合的工程問題可通過 Comsol 程序進行求解。

3.2 數值建模

根據依托工程的地質勘探報告，選取隧道過江段的典型地質剖面進行二維建模，地層分布如圖 2 所示。

圖2 隧道及含氣地層的模型簡圖（單位：m）

隧道中心點距地層表面為 20 m，隧道內徑 3.4 m，隧道管片厚度 0.28 m。利用對稱性取隧道結構的一半進行建模，模型計算域寬度取 45 m。由于缺乏地層中沼氣分布范圍的準確數據，在此考慮最不利工況，假設氣藏包裹著隧道結構，氣藏截面大致呈上窄下寬的梯形。隧道結構及氣藏處的局部計算網格如圖 3 所示。

圖3 含氣藏地層的二維地層模型網格劃分

土體采用擴展巴塞羅那非飽和土本構模型［10，11］，參數參照地勘報告和相關工程案例，不同地層的物理力學參數如表 1 所示，與兩相流分析相關的計算參數如表 2 所示。

表1 地層參數

表2 兩相流分析的模型參數

考慮氣體匯聚與逸散兩種工況。為考慮沼氣存在的不利影響，假設氣藏下底面為浸潤線，即該位置以上為非飽和區域，以下為飽和區域，此時氣藏中的氣體達到常壓條件下能夠穩定儲藏的最大量。假設沼氣只賦存于氣藏內，氣藏內部各處氣壓連通，由于氣體質量的存在，氣壓沿高程方向線性變化，但氣體密度遠小于水相密度，氣壓在氣藏內部的變化可忽略。在飽和-非飽和界限處，水相飽和度為 1，基質吸力為 0，氣壓與水壓相等；在飽和-非飽和界限以上，氣壓線性減小。初始的氣壓pg0計算如式（1）所示。

互聯網讓資訊變得更便利，新媒體時代的到來帶來了海量的創新創業相關信息，足不出戶便能縱觀天下。通過對大數據的分析，可以了解市場供需、用戶需求、消費習慣、心理偏好等，敏銳的找到突破口。比如“餓了么”“美團”“滴滴”等新應用就是為滿足市場需求而量身打造適合當代人用戶體驗的成功案例，這些平臺一經推出，受到一致好評和廣泛應用。師范生可結合專業特點，借助網聯網+，尋找師范類成功范例。相應地，我們在獲取數據的同時也在貢獻數據，崇尚個性的年代大家習慣性的將自己衣、食、住、行和小創意分享在社交網站上，這也給師范生創新創業提供了新的啟發和更大的可能。

式中：pg0為初始氣壓，Pa；Z為深度，m；h為土層上方的水深，m；m為土水特征參數。

4 計算結果分析及建議加固措施

4.1 氣體匯聚工況

1）地層變形。

在氣體匯聚過程中，根據場地的潮位數據，取水深為 17.2 m，根據式（1）計算得到氣藏內的氣壓初始值為 0.389 MPa。隨著時間的推移，氣藏中的氣體逐漸積聚，氣壓增至 0.546 MPa。

隨著氣體在氣藏中匯聚，隧道周圍的土體產生相應位移。在含氣地層中沿豎向自下而上均勻設置 5 個監測點（見圖 2），各監測點在氣體匯聚過程中的豎向位移變化如圖 4 所示。隨著氣藏含氣量增大和氣壓升高，隧道周邊土體抬升量增加，其中監測點 5 處的抬升量最大，當氣藏內氣壓達到 0.546 MPa 時，該點處的豎向位移量約 7 mm。

圖4 氣體匯聚工況下隧道周圍土體的豎向位移變化

2）隧道結構的受力性狀。在氣體匯聚過程中，土體附加變形導致隧道襯砌結構的受力性狀發生變化，引起內力增加。當氣體匯聚至氣壓為 0.546 MPa 時，每延米隧道的襯砌結構內力分布情況如圖 5 所示。其中，隧道襯砌結構的最大正彎矩為 54 kNm，約為設計值 50 %，最大負彎矩為 99 kNm，約為設計值得 87 %。隧道襯砌結構所受軸力最大值為 2 032 kN，按 C55 混凝土抗壓強度估算，每延米襯砌結構所能承受的最大軸力約為 9 940 kN。該計算工況下襯砌結構的彎矩及軸力均未超過設計允許值，襯砌結構安全。

圖5 氣體匯聚工況下襯砌結構的內力分布

4.2 氣體逸散工況

1）地層變形。在氣體逸散工況中，仍假設初始水深為 17.2 m，即氣藏中的氣壓初始值為 0.389 MPa。隨著時間的推移，氣藏中的氣體發生逸散，達到再次穩定時，氣藏中的氣壓為 0.347 MPa。

圖 6 為氣體逸散工況下隧道周邊土體的豎向位移變化情況。隨著地層中氣體不斷溢出，氣壓下降，地層產生逐漸增加的豎向沉降，其中監測點 5 處的沉降最大，當地層中的氣壓降至 0.347 MPa 時，該處沉降量約為 2 mm。

圖6 氣體逸散工況下隧道周圍土體的沉降變化

2）隧道結構的受力性狀。當氣體逸散至氣壓達到 0.347 MPa 時，每延米隧道的襯砌結構內力分布情況如圖 7 所示。其中，隧道襯砌結構的最大正彎矩為 46 kN·m，最大負彎矩為 87 kN·m，分別為設計值的 43 % 和 79 % 左右。隧道襯砌結構的軸力最大值約 1 842 kN，為襯砌結構所能承受最大設計軸力的 18.5 %。襯砌結構的彎矩及軸力同樣均未超過設計允許值，襯砌結構安全。

圖7 氣體逸散工況下襯砌結構的內力分布

4.3 建議應急加固措施

根據相關施工經驗，并結合對氣藏區域隧道外周土體注漿加固后隧道地層及襯砌受力數值模擬分析，隧道外周加固土體可明顯減少隧道周圍地層位移和襯砌受力值。因此管片需考慮預留附加注漿孔，當氣體匯聚及逸散過程引起的隧道周圍土體變形及襯砌結構受力較大時，并出現超過設計值趨勢情況，應及時采取由隧道向外周圍巖注漿加固的措施，必要時選擇雙液快凝型漿液，可有效降低工程風險。

5 結語

本文依托背景工程，建立了非飽和土固液氣三相耦合分析模型，對隧道周圍氣藏的氣體生成和逸散過程進行了數值模擬，重點分析了氣體運移過程對隧道周圍土體變形和隧道結構受力性狀的影響，驗證了該工程施工中在氣體匯聚與逸散下隧道結構受力的安全性，并經分析提出了當隧道襯砌出現較大受力工況時的應急加固措施，為背景工程在富含沼氣區域實現盾構隧道順利掘進提供了理論計算依據和安全保障，對后續長江口及長三角區域富含沼氣地層中類似隧道施工具有重要的參考和借鑒意義。Q