非煤系地层浅层天然气赋存规律及瓦斯隧道工程防护方案

苏培东，黎俊麟，徐正宣，廖宸宇，王 栋

（1.西南石油大学 地球科学与技术学院，四川 成都 610500；2.中铁二院工程集团有限责任公司 地勘岩土工程设计研究院，四川 成都 610031）

目前国内南京、上海、杭州、武汉、成都等城市在开展轨道交通建设时均受到高浓度瓦斯的危害[1]，其中成都的情况又有别于其他地区。成都轨道交通穿越非煤系地层，危害隧道工程的瓦斯（油气领域称为天然气）在成因机制上与其他城市的煤层气、生物气有着本质区别，赋存规律也更为复杂，具有普遍性和随机性的分布特点[2]，现有勘察手段难以准确预报和定位，且现场工程技术人员对该类天然气认识不足，难以有效提前防护。为降低瓦斯隧道施工风险，安全高效发展现代隧道工程，针对非煤系地层开展浅层天然气赋存规律及预测防范的研究具有重要意义。

长期以来，浅层天然气的相关研究多从能源开采、利用等角度开展[3]，其对隧道等工程建设的影响并未受到极大关注。由于非煤系地层浅层天然气的赋存规律未得到清晰认识，多起穿越非煤系地层隧道（简称非煤隧道）的瓦斯燃爆事故先后发生，例如达成铁路炮台山隧道及成洛大道东延线洛带古镇隧道的瓦斯爆炸，成都轨道交通18号线龙泉山隧道多个区段出现瓦斯喷涌现象等[4]。为预防非煤隧道再次出现瓦斯事故，一些学者开始探索研究非煤系浅层天然气对隧道工程建设的影响。1994年，闫光明最先提出了并非只有煤系地层才存在浅层天然气这一思想[5]。2009年，苏培东等[6-7]依托成简一级公路龙泉山隧道，首次提出了非煤系浅层天然气运移模式图；同年，依托兰渝铁路广南段，通过钻孔测试浅层天然气的方法，半定量地评价了隧道受瓦斯的影响程度。2011年，康小兵[8]首次提出了非煤隧道瓦斯形成机制的3种成因类型，为之后研究非煤隧道瓦斯赋存规律奠定了基础。2014年，袁慧[9]基于云顶山1号隧道，分析了非煤系地层孔隙、裂隙系统在浅层天然气赋存及运移过程中起到的不同作用。2015年，ZHAO Yanxi 等[10]结合国内外工程案例发现，瓦斯是否会危害工程取决于浓度和储存条件，指出了孔隙度高或裂隙发育的岩体是瓦斯富集的有利场所；2019年，ZHANG Kai 等[11]综合前人的研究成果，选用地质构造、地质岩性、隧址区岩体完整性、地下水流动性、隧道埋深、钻孔测得最大瓦斯浓度、压力等作为评价指标，基于属性数学理论建立了1套非煤隧道勘察阶段瓦斯突出危险性评价体系。张小林等[12]、郭高峰等[13]、唐斌[14]聚焦成都市龙泉山地区，分别以成都轨道交通18号线龙泉山隧道、成简快速路龙泉山1号、2号隧道为研究对象，深入分析了龙泉山含油气构造对邻近隧道的影响，研究了隧址瓦斯赋存规律。上述成果对研究非煤瓦斯隧道具有指导意义，但仍存在进一步研究的空间。包括：就非煤系地层浅层天然气对隧道工程的影响而言，目前尚未提炼形成能够明确揭示这一危害的共性结论，同时也缺乏定量化评价其危害的方法；就非煤系浅层天然气的赋存形式而言，研究多认为仅有孔隙型、裂隙型、吸附型3种形式，而忽略了天然气体的水溶特征；就探明非煤系浅层天然气分布规律手段而言，目前普遍采用终孔时单次检测的方式，还有待进一步改进与细化。

基于此，本文依托成都轨道交通19号线新码头街站—红莲村南站区段（简称新红区段）中的高瓦斯隧道区间（简称新红高瓦斯隧道区间），分析油气的生储盖组合和运移模式，提出成都红层隧道受浅层天然气危害的关键因素；对非煤系浅层天然气赋存形式进行分类，分析水溶性天然气形成机理及其对工程的危害，并据此优化设计钻孔分层检测试验，探明非煤系浅层天然气的赋存形式和分布规律；在参考瓦斯隧道技术标准的基础上，针对非煤瓦斯隧道提出覆盖勘察、设计与施工阶段的综合性工程防护方案，以期为同类工程提供借鉴。

1 工程地质概况

成都轨道交通19号线二期工程定位为快线干线和机场线，线路自西向东穿越川西北坳陷区及川中块状隆起区，并以双洞双线隧道形式穿越红层砂泥岩。全线在新码头街站—红莲村南站区段（新红区段）的部分段落（右线里程YDK100+990—YDK101+656.5）检测到高浓度浅层天然气体，其位置如图1所示。

新红高瓦斯隧道采用盾构法施工，左右线平行且间距较小。隧道长666.5 m，埋深12～25 m，地形起伏较大，上覆土层厚度0.5～13.0 m 不等，以人工填土和粉质黏土为主；隧道洞身段从侏罗系上统蓬莱镇组（J3p）红层中穿越，地下水埋深较浅，约4～10 m。

图1 新红高瓦斯隧道区间位置

隧道位于苏码头背斜核部、背斜轴线近YDK101+100处，同时发育龙家梗、李红塘2条逆断层，分别于YDK101+007，YDK101+391 与线路相交。

2 油气地质背景及其运移机制

新红区段隧道穿越的红层砂泥岩，自身不具备产生石油天然气的条件，但其下部的苏码头气田及断裂构造为浅层天然气的富集提供了气源和运移通道。

苏码头气田储集层位主要为蓬莱镇组第3段，天然气控制储量为74.38×108m3，可采储量为29.75×108m3，含气面积为94.0 km2，天然气资源丰富，生气层为须家河组烃源岩，具有厚度大、分布广泛、有机质丰度高、生烃期长、生气强度高的特征[15]。侏罗系上统砂泥岩地层具备良好的储盖条件，砂岩具有低孔、低渗、高含水饱和度的特点，储集空间以孔隙型为主，具备富集成藏条件；泥岩为致密储层，起到对天然气的封盖作用。受喜山期形成的断裂影响，须家河组气源向浅层蓬莱镇组运移聚集成藏，同时苏码头背斜构造的形成，有利于天然气向背斜高位运移聚集，最终形成了以蓬莱镇组为主的浅层远源次生气藏[16]，如图2所示。

图2 蓬莱镇组浅层天然运移模式

除构造地质作用对天然气成藏的调整和重新分配，天然气还将在较长时间内通过断裂向浅部地层运移浸染。由于气水双相流动需克服很高的毛细管压力，天然气以溶解于地层水的形式通过断裂构造向上运移，部分气体运移至浅部游离呈气相，并首先沿高孔渗层段或裂隙运移，在适宜位置排替原地层水而聚集。当浅部地层水环境相对静止时，部分气体仍保持溶解态，并在漫长的交替演化过程中在浅部形成水溶性天然气。在完成源岩—储层扩散后，天然气将基于浓度平衡与分子扩散原理，在储层内部或地层水中扩散，浸染浅表地层，即成为对隧道工程产生危害的瓦斯。

由图2可知：新红高瓦斯隧道区间位于苏码头背斜核部，且线路穿越龙家梗、李红塘逆断层，蓬莱镇组气藏中的天然气可通过这2个断层向上运移并浸染浅表部地层；浅表部的蓬莱镇组砂泥岩互层，不均质性强，天然气在砂岩中储集并受泥岩封堵保存，是天然气运移富集的有利指向区。与此相呼应，现场浅层天然气检测中也测出高浓度天然气体（尤其在断层破碎带附近），这验证了天然气通过气源断裂向上运移的机制。

为探寻受非煤系浅层天然气危害隧道的共性特征，整理成都地区相关隧道案例见表1。纵览案例可知，在工程地质条件和油气地质背景上，案例隧道与新红高瓦斯隧道区间具有一定相似性：案例隧道洞身段多位于侏罗系、白垩系红层中，虽然穿越的是非煤系地层，但因位置原因，或间接或直接受到油气田影响，导致这些隧道具有有利的油气地质背景，且气源断裂发育，断裂可沟通深部地层，由此形成的瓦斯运移通道，会使线路邻近或穿越气源断裂带时，遭受高浓度瓦斯的危害。

表1 成都地区非煤瓦斯隧道受浅层天然气危害的案例

成都红层地区浅层天然气的生储盖组合及运移模式如图3所示。由图可知，虽然侏罗系、白垩系地层自身不具备生气条件，但其砂泥岩互层的岩性组合为良好的储盖一体式结构，在喜山构造运动中，烃源岩充足的须家河组及其储层受到破坏，油气重新分布，通过断裂由深部向浅部运移，形成浅层远源次生气藏，并通过浅层断裂进一步向地表运移浸染，赋存于具备储集和盖层条件的侏罗系及白垩系砂泥岩地层中。

综合表1和图3可以得出结论：在非煤系地层，线路是否穿越或邻近气源断裂带，是其是否会受到瓦斯危害的关键因素。

图3 成都红层地区浅层天然气生储盖组合及运移模式

3 非煤系地层浅层天然气赋存规律

3.1 非煤系浅层天然气赋存形式

目前的研究认为，非煤系浅层天然气主要有孔隙型、裂隙型、吸附型3种类型，主要以游离态赋存岩体孔隙中，少量在泥岩体内以吸附态存在。而在新红高瓦斯隧道区间的研究工作中，还发现了以溶解于水的形式存在的浅层天然气体，以三相耦合形式赋存于地层中，赋存形式如图4所示。

图4 稳定水面下浅层天然气赋存形式

1）孔隙型天然气

孔隙型天然气与储层的孔隙类型、孔隙大小、孔喉结构有关，当岩体孔隙相互连通，孔隙度越大时，岩体储集空间越大，更利于富集孔隙型天然气体，反之，将作为盖层结构对浅层天然气起一定的封堵作用。

新红高瓦斯隧道区间的储集层孔隙度平均值为10.62%，渗透率平均值为1.31 mD，具有低孔低渗、高含水饱和度的特点，且由于岩性的非均质性，当油气浸染储层岩体时，孔隙型天然气在地层中的分布呈普遍性和随机性的特点。

2）裂隙型天然气

裂隙型天然气与岩体的裂隙发育程度和规模直接相关，裂隙可作为浅层天然气的运移通道及储集空间，裂隙发育的层段渗透性往往高于常规层段数倍至十几倍，更利于浅层天然气的富集，当岩体裂隙呈封闭状态或上覆存在盖层结构时，浅层天然气将储集于裂隙中，形成分布随机、规模不等的天然气气囊。

新红高瓦斯隧道区间龙家埂和李红塘2条断层附近，地层浅层天然气赋存主要以这种形式为主。

3）吸附性天然气

吸附性天然气主要与微小孔隙和地层压力有关，当岩体孔隙度越大，平均孔径越小，地层压力越大，其吸附浅层天然气量越大。

新红高瓦斯隧道区间的隧道埋深浅，地层压力小，吸附性天然气含量小。

4）水溶性天然气

当浅表部地层水环境相对静止时，一部分通过断裂运移至浅部的天然气以溶解态的形式在浅表部地层水扩散，在漫长的交替演化过程中形成水溶性天然气；当静水环境被扰动时，溶于水的浅层天然气又呈现出游离状态。相关研究表明：成都平原浅表地层水温度、压力正常，水溶性天然气主要分布在水文地质环境相对停滞的气源断裂带周围，气水比多在0.4～2.0范围内[17]。水文地质环境相对静止，且受气源断裂的影响，易产生水溶性天然气。

在新红高瓦斯隧道区间现场进行降水抽排时，可观测到排水管内液体夹有大小不等的气泡，用排水积气法进行收集，检测收集到的气体瓦斯浓度为2.3%；静置排出水体，仍可见瓦斯以微气泡的形式从水体中游离出来。需要说明的是，该现象仅为降水抽排时管内水溶性天然气游离现象，当停滞水体受扰动时，瓦斯游离过程随即开始，随着地下水面的下降，瓦斯赋存环境将由三相转化为两相，并根据浓度扩散原理向围岩的孔、洞、缝中聚集，从而形成浓度较高的天然气囊，对隧道施工产生较大危害。

由于水溶性天然气的存在，勘察阶段现场天然气检测结果可能偏低，这可能对天然气的定量化研究产生一定影响。因此，当线路穿越或邻近气源断裂带且地下水丰富时，有必要进行气水比试验，探明地层中浅层天然气浓度。

3.2 非煤系浅层天然气空间分布规律

3.2.1 分层检测试验

为准确探明非煤系浅层天然气的空间分布规律，采用分层检测方法，研究新红高瓦斯隧道区间瓦斯气体沿地层深度方向的浓度分布特征，查明隧道穿越深度地层瓦斯气体浓度情况。

按左、右线交叉布置的形式，在新红高瓦斯隧道区间设置分层检测钻孔26个（原设置钻孔27个，因Z04钻孔施工时塌孔，故产生有效数据的钻孔为26个），单线钻孔间距50 m，钻孔平面布置图如图5所示。

图5 分层检测钻孔平面布置图

施钻过程中，分别在隧道顶板、底板、终孔处进行地层瓦斯浓度检测，且检测前将套管下至特定位置并封孔12 h，待孔内水位稳定后再行检测。对应的分层检测方法如图6所示。

图6 分层检测实施方式示意图

3.2.2 分层检测结果

汇总所有钻孔的检测数据见表2。由表可知：26个钻孔均有瓦斯显示，其中浓度超1%的钻孔共20个，占总检测钻孔的76.90%；浓度超2%的钻孔共10个，占总检测钻孔的38.50%；检测得到的最大瓦斯浓度为2.24%；多数钻孔的瓦斯浓度在第3段分层检测时激增。检测数据不仅验证了对浅层天然气（瓦斯）对浅表部地层的浸染具有普遍性，而且还体现出随深度增加，地层含高浓度浅层天然气概率增大的规律。

3.2.3 非煤系浅层天然气空间分布特征

为研究地层中瓦斯浓度随地层深度的变化，将表2中的分层检测数据与隧道工程地质纵断面图相结合，针对每个检测孔绘制瓦斯浓度-深度折线。根据经验，以1%作为高瓦斯的判定参考值，将浓度-深度折线上的所有1%连接，拟合得到高低瓦斯纵向分界线，分界线高程460 m 左右。该分界线以上区域，隧道受非煤系浅层天然气危害程度相对较小，施工风险相对较低。隧道纵断面瓦斯浓度-深度关系及其拟合分界线如图7所示。

根据前文分层检测得到的试验数据，以单个检测钻孔为区块，对隧道顶板上部、洞身段、底板下部，分别绘制不同高程下的平面瓦斯浓度分布图，并将3个高程面叠合，得到新红高瓦斯隧道区间的瓦斯浓度分布模型，如图8所示。依据钻孔揭示的地层岩性，结合图8，可知新红高瓦斯隧道区间的瓦斯在空间分布上具有如下特征。

（1）在隧道顶板上部地层，瓦斯浓度普遍小于0.1%，仅 在ZDK101+520—610 及YDK101+440—525层段瓦斯浓度高于0.3%。根据Z11 与Y11钻孔揭示地层，该层段岩芯较破碎，分析李红塘逆断层对该层段有一定影响，由于岩体裂隙发育、孔渗结构较好，瓦斯可通过气源断裂带向该层段浸染扩散，形成裂隙型浅层天然气囊。

（2）在隧道洞身段地层，高浓度瓦斯主要分布于苏码头背斜轴部及龙家埂逆断层附近，且其分布规律与岩性有较强的相关性，砂岩层中检测到的瓦斯浓度明显高于泥岩层。ZDK101+190—ZDK101+500 洞身段岩性以泥岩为主，其侧向展布较连续，与其下部的砂岩形成有利于瓦斯储集的储盖结构。

表2 新红高瓦斯隧道区间分层检测试验数据统计

图7 隧道纵断面天然气浓度-深度关系及拟合分界线

（3）隧道底板下部地层，瓦斯浓度普遍大于1.0%，且其分布规律与断层构造联系紧密，高浓度瓦斯赋存于断层2侧。从第3层的瓦斯浓度分布来看，瓦斯赋存规律是岩性与构造共同作用的结果，除砂岩中赋存高浓度瓦斯外，裂隙发育的泥岩同样含有高浓度瓦斯，且以裂隙型赋存的瓦斯浓度较孔隙型更高。

图8 新红高瓦斯隧道区间瓦斯浓度分布模型

（4）新红高瓦斯隧道区间具有有利的油气地质背景，受龙家埂、李红塘逆断层影响，浅表地层受浅层天然气浸染普遍，但从分层检测试验结果来看，多数钻孔的瓦斯浓度在第3段分层检测时激增，存在随深度增加地层含高浓度浅层天然气概率增大的规律；若以1%作为高瓦斯的判定参考值，该区间高低瓦斯纵向分界线高程约460 m左右。

3.3 非煤系浅层天然气分布的关联因素

（1）影响非煤系浅层天然气分布规律因素较多，一般性地，深度越深，地层含高浓度浅层天然气的概率越大。这也说明浅层天然气的富集需要有一定厚度的封盖条件，表部地层因封盖条件不足，浅层天然气易向地表逸散。故在新红高瓦斯隧道区间第1层分层检测时少有高浓度天然气体。

（2）非煤系浅层天然气分布与气源断裂有着密不可分的关系：其一，气源断裂带可作为深部油气向浅部运移的通道，是红层砂泥岩地区浅表部地层赋存浅层天然气的前提条件；其二，断裂构造造成区段岩体节理裂隙发育，其渗透性往往高于常规层段数倍至十几倍，更利于非煤系浅层天然气的富集与浸染扩散。故新红高瓦斯隧道区间高浓度浅层天然气体主要赋存于断层2侧，高低瓦斯纵向分界线高程约460 m左右。

（3）从岩性的角度上看，非煤系浅层天然气的分布规律与岩性有较强的相关性，低孔低渗的砂岩相较于致密的泥岩易富集浅层天然气。新红高瓦斯隧道区间的现象也较好地验证了这一点：ZDK101+190—ZDK101+500段瓦斯于隧道底板下部砂岩层段富集，而上部泥岩层段作为盖层，因此瓦斯浓度较低。

（4）非煤系浅层天然气分布规律系构造与岩性共同作用的结果，一般情况下，砂岩相较于泥岩孔渗结构更好，更利于富集浅层天然气，但在构造作用的影响下，邻近断层岩体较破碎，原孔渗结构发生改变，裂隙发育泥岩层段也可富集高浓度浅层天然气。

4 非煤瓦斯隧道的工程防护方案

由于非煤系浅层天然气赋存具有普遍性和随机性，预测及防范难度大，需要在充分认识工区段浅层天然气赋存规律的基础上，针对性地规避、防范浅层天然气危害。目前，非煤瓦斯隧道研究尚处于起步阶段，还未形成统一的行业标准，故只能参考瓦斯隧道技术进行施工及防护，形成的工程防护方案基本实现流程如图9所示。

1）隧道勘察设计阶段

图9 非煤瓦斯隧道工程防护方案

首先，分析线路与邻近油气田或含油气构造关系，查明是否存在以气源断裂带作为深部油气运移通道的天然气导向线路，同时结合浅层天然气分层检测手段、气水比试验，探明隧址区的瓦斯空间分布特征，论证线路受浅层天然气危害的可能性，判定隧道瓦斯等级并按其设计隧道通风、监测系统，对机械及电气设备进行防爆改造，建立风电闭锁、瓦电闭锁和声光报警系统及瓦斯超限时相应的应急处理措施。

对于高瓦斯工区，应结合浅层天然气分层检测试验结果，划分高低瓦斯纵向分界线，在线路设计要求允许的条件下抬升隧道埋深，尽量绕避高瓦斯区段；对于无法绕避的高瓦斯区段，可通过机械设备制造负压，利用钻孔、管路、裂隙等通道，抽排地层中赋存的瓦斯气体，将高瓦斯浓度地层转化为低瓦斯浓度地层，从而降低隧道施工风险。

2）隧道施工阶段

在以超前地质预报为指导的基础上，主要通过严控掘进技术控制地层瓦斯进入隧道、系统通风稀释隧道内瓦斯、自动化实时监测验证预防相结合的方式，确保隧道安全施工。

从超前地质预报的角度，类似新红高瓦斯隧道区间这样左、右线间距较小且相互平行的双洞双线隧道，可在施工工艺上采用超前导洞预报法，利用超前施工单洞隧道的方法揭示地质特征，并通过单线已发现的瓦斯储气构造，推测另一侧高浓度瓦斯段落。以新红高瓦斯隧道区间为例，鉴于其高浓度天然气体与裂隙的较强相关性，可考虑按如下步骤开展：①选用目前较成熟的隧道地震弹性波超前预报技术（Tunnel Seismic Prediction ahead，TSP），探测掌子面前方地质构造、围岩节理裂隙的发育情况；②将TSP、超前钻孔2种方法结合，根据TSP技术预报成果，把岩体裂隙发育带作为超前钻孔的重点探测区域，进而针对性地采用超前钻孔精准探测复杂区段地质及浅层天然气情况，从而既消除TSP的多解性问题，又取得经济、准确的预报效果。超前钻孔形成的钻孔，也可作为瓦斯排放孔，当地层天然气浓度较高时，可通过排放孔对该层段进行瓦斯预抽排处理。

盾构掘进过程中，应确保通风和监测系统的正常运行，严格控制掘进参数，保压慢掘，同步注浆，并向土仓内注入优质泡沫、膨润土、水等，从而提高渣土的易性和流塑性、降低渣土透气性，尽量减少瓦斯逸出。最后分批次出渣。在监测土仓内瓦斯浓度超1%时，应调节闸门开启度，在开口处形成土塞效应；同时应加强盾尾油脂的注入确保盾尾密封、提高管片拼接及衬砌质量，防止地层瓦斯渗入成型隧道。

应采用人工检测和自动监测相结合的方式，确保检测过程全跟踪、全覆盖，同时依据《铁路瓦斯隧道技术规范》，考虑高瓦斯隧道的盾构施工风险，结合目前已有研究优化调整限值，形成瓦斯超限及相应处理措施见表3。如在掘进及通风系统正常工作条件下遇到隧道内瓦斯浓度超限的情况，应根据表3 采取相应的处理措施。如遇停工，需再查明原因后，直到工作面回风流中瓦斯浓度低于0.25%才可恢复施工。

表3 瓦斯超限及相应处理措施

5 结 论

（1）依托成都轨道交通19号线新红高瓦斯隧道区间，分析红层地区浅层天然气生储盖组合及运移模式，发现当线路穿越或邻近气源断裂带时，浅层天然气会在储盖一体式结构的红层砂泥岩中富集，从而确定气源断裂是隧道受到浅层天然气危害的关键。

（2）提出水溶性天然气的赋存形式，该类型天然气溶于水，不能有效地通过钻孔检测，可能导致浅层天然气定量化评价结果偏低。当线路穿越或邻近气源断裂带且地下水丰富时，有必要开展气水比试验，进而确定水溶性天然气浓度及含量，修正浅层天然气定量化评价结果。

（3）非煤系地层浅层天然气赋存规律系构造与岩性共同作用的结果，砂岩较泥岩更易富集浅层天然气，但受构造断裂影响，气体也可以以裂隙型的储集形式赋存于地层中；新红高瓦斯隧道区间的高低瓦斯纵向分界线高程约460 m 左右，隧道顶板上部地层的天然气浓度普遍小于0.1%，底板下部地层的天然气浓度普遍大于1.0%，纵向上随深度增加，地层含高浓度浅层天然气的概率增大，隧道受浅层天然气危害程度也就越大。

（4）提出1套针对非煤瓦斯隧道的工程防护方案，通过修正线路设计方案、预抽排浅层天然气、超前地质预报、控制掘进技术、系统通风、自动监测等措施相结合的方式，预测防范浅层天然气对隧道工程的危害。