浅层有害气体成藏特征对隧道施工的影响

巩书华， 蔡宁波， 刘治宇， 韩征， 申建平， 张良平

(1.湖南省地球物理地球化学调查所， 长沙 410014； 2. 湖南省地质新能源勘探开发工程技术研究中心， 长沙 410014； 3. 中南大学土木工程学院，长沙 410075； 4. 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室， 成都 610000)

随着国家基础工程建设的快速发展，地下工程施工中面临的地质问题呈现复杂化与多样化趋势。其中地下有害气体对地下工程的施工，尤其是地下交通工程，影响越来越大[1-3]。中外均有地铁线与隧道在施工过程中遇到有害气体突出与泄漏引起燃烧、人员中毒、地基失稳等事故的发生，如武汉地铁2号线在汉口火车站-范湖站地铁盾构施工中发现有不明气体泄漏与燃烧，造成人员中毒[4-5]；杭州湾跨海大桥勘察中发生高压浅层气引起的施工事故，危及勘探船只、设备及人员安全[6]；上海某排水隧道内有害气体的大量释放使下伏土层失稳，造成隧道出现断裂位移[7]；国外在地铁隧道掘进中同样存在有害气体泄露导致人员伤亡的事故[8]。

对于浅层气的成因、类型及其对地下工程施工的影响已有学者进行了相关研究。王万春等[9]和沙子萱[10]对中国多地浅层生物气的成因与类型进行了研究，给出了浅层气的判别标志；方燎原[11]以杭州湾大桥施工为背景，分析了浅层气的成因、分布、含气层物理力学性质及其对桥梁工程施工的影响，并提出了超前排气和桥梁基础穿过含气层应适当增加承载力安全储备并采用桩基础措施；Rodríguez等[12]在瓦里安特德帕哈雷斯隧道采用单盾构全断面岩石隧道掘进机(tunnel boring machine，TBM)掘进中发现浅层甲烷气，并通过测量甲烷排放率和平均甲烷流量证实石炭纪地层开挖的隧道中的天然气排放与地下煤矿中的相似，表明可以用采矿经验来预测甲烷流入隧道特征，并可用于指导设计通风系统。丁智[13]分析了盾构隧道穿越含浅层气地层时对施工的影响，根据挤土效应、土体软化、注浆压力以及土体损失等施工因素，提出了含气地层盾构施工引起的土体变形理论计算公式。

以往有害气体对地下工程的影响研究多集中在长江中下游平原及东南沿海等低海拔地区，且相对缺少气体成藏特征对工程施工影响的分析。随着云贵高原高海拔地区城市地铁、公路隧道等地下交通工程的发展，对高海拔地区浅层有害气体的研究也愈发重要。现以昆明地铁2号线施工中遇到的地下有害气体为例，分析地下浅层有害气体成藏特征、气体成因及含气土层的空间分布情况，并结合现场与实验测得气体压力、浓度、流量等数据探讨了区内地下有害气体对拟建地铁工程施工及运营的影响，进而提出有害气体安全排放措施建议。

1 工程概况

昆明地铁2号线二期工程北起于环城南路站，南止于宝丰村站。工程场地位于昆明盆地滇池Ⅱ级阶地。区域地基土主要为第四系人工活动层与全新统及上更新统冲河湖积层。区内无全新世活动断裂与地铁线路相交，构造活动对地铁线路的影响有限(图1)。

图1 区域地质简图Fig.1 Sketch map of regional geology

该工程在前期详勘施钻过程中发现，怡园小区站—广福路站区间(即“官南路段”)与龚家村站—会展中心站区间(即“福保路段”)钻孔有沼气喷出，喷出最大高度为4～6 m，沼气预计压力可达0.4～0.6个大气压，喷发持续时长达3～5 h。由于地下有害气体的释放会对工程场地的稳定性、地铁施工及后期运营的安全性造成一定影响和危害，有必要查明该地下气体成因、分布、浓度、压力及流量等成藏特性，制定合理的治理措施。

2 有害气体成藏特征

2.1 气体组分及成因

研究区钻探资料显示地下气体生气层主要为第四系灰黑色的泥炭质土层，实验测得官南路段泥炭质土层有机质含量在12.12%～58.8%，平均值28.33%；福保路段有机质含量在10.34%～23.97%，平均值15.47%，均具备良好生气条件。通过对所采气样进行气相色谱实验分析，区内绝大部分钻孔均见有害气体，气体成分以甲烷为主，甲烷最高含量为45.6%，并含少量CO及H2S等，不含其他腐蚀金属的成分(图2)。

图2 地下喷出气体组分分析图Fig.2 Analytical diagram of gas composition of underground jet

区内浅层有害气体来源于未成熟泥炭质土层，勘察孔两次所采气样甲烷碳同位素(δ13C1)值分别为-69.4‰和-63.1‰，与邻近施工5号线气体所测数据相近[14]，均小于-55‰，认为该区有害气体属生物成因气，这与前人对昆明盆地浅层气所做分析类型相同[15-16]。

2.2 气体分布特征

福保路段勘察孔揭露两套含气层，第一层顶板埋深 5～12 m，底板埋深8～14 m，厚度为1～3 m；第二层顶深 18～25 m，底深24～28 m，厚度为2～7 m。根据埋深和厚度绘制的含气层三维立体分布图显示(图3)，第一层为一个相互连通的超浅层含气层，赋存于地铁结构线上方，与结构线顶部最小间距约10 m，拟建工程隧道区间盾构施工不会揭露第一含气层，但在车站或其他明挖工程施工时可能揭露该含气层；第二层可以分为东、西两个相对独立的含气区块，与地铁结构线底部基本一致，有部分区段结构线底部界线在含气层中穿过，拟建工程隧道区间盾构施工时将揭露该含气层。

图3 福保路段有害气体三维立体分布图Fig.3 Three-dimensional distribution diagram of harmful gases in Fubao section

官南路段揭露一层含气层，该层顶深26～33 m，底深35～38 m，厚度为2～12 m，呈现中部埋藏深、四周埋藏浅的特点。该含气层可分为东、西两个相对独立的含气区块，均赋存于拟建地铁结构线以下，与地铁结构线底部最小间距约4 m，该区间盾构施工不会揭露含气地层(图4)。

图4 官南路段有害气体三维立体分布图Fig.4 Three-dimensional distribution diagram of harmful gases in Guannan section

按照含气层与地铁隧道结构线之间的关系，可分为5种类型(表1和图5)，其中以含气层包含于隧道上下结构线之间的包含类型和结构线与含气层顶底板为纵贯、穿越类型的危险性最大。本次研究的福保路段地铁结构线穿越下部含气层顶板，其危险性较大，需重点关注；官南路段结构线位于含气层上方，危险性较小。

表1 结构线与含气层关系特征表Table 1 Characteristics of the relationship between structural lines and gas-bearing zones

图5 结构线与含气层关系及危险性评价图Fig.5 The relationship between structural lines and gas-bearing zones and risk assessment diagram

2.3 生储盖特征与保存条件

区内生气源岩主要为泥炭质土层，有机质含量平均大于15%；该土层渗透性弱，渗透系数约为 0.001 mD，导致所生成的甲烷气体无法迅速向外迁移排放，进而形成以自生自储为主的小型气藏，仅少量游离气体运移至邻近储层。由于区内地(土)层压实程度低和成岩作用弱，可作为盖层的粉质黏土层孔隙度、渗透率高(图6)，突破压力较低，封盖能力相对较差[17]。此外，区内浅部无区域性盖层且直接盖层因横向分布范围较小或遭受人类工程破坏，仅起局部封堵作用，保存条件相对较差，导致区内有害气体成藏分布不均匀，也不利于大规模聚集成藏。

图6 福保路勘查区地层综合柱状图Fig.6 The comprehensive histogram of the stratum in the exploration area of Fubao Road

此类浅层生物气藏整体成藏特征是自生自储、物性圈闭为主、含气层连通性差、成藏规模较小，富气性与气压差异均较大。这种小规模不均匀的有害气体成藏模式一定程度上增大了地下工程施工的风险性。

2.4 有害气体甲烷浓度分布特征

福保路段甲烷浓度在0～35.8%，平均7.14%，浓度变化大，沿隧道左、右线呈高-低-高分布；官南路段甲烷浓度值在0～45.2%，平均10.5%，浓度值变化大，沿结构线形成一系列高浓度区。两区段浓度等值线图显示有害气体甲烷的分布是不均匀的，多呈扁豆状或透镜状，也间接表明其连通性差(图7)。

图7 研究区甲烷浓度等值线图Fig.7 Concentration contour map of methane in the study area

2.5 有害气体压力分析

综合压力测试结果得出，福保路段气压较高处集中在Q4～Q6号孔附近，最大气压0.268 MPa；官南路段气压较高处集中在J2～J5号孔，最大气压0.323 MPa(图8)。导致气压较低的原因主要是勘察区间地下有害气体埋藏较浅，为小规模团块状(囊状)浅层气，且前期工程施工破坏含气层上部不透气覆盖层，使得气体提前释放，含气量减少，压力降低。

图8 部分勘探孔气体压力峰值统计图Fig.8 Statistics of gas pressure peaks in some exploration holes

2.6 有害气体流量分析

通过热线风速仪测试监测管口流速，根据已知监测管道面积，计算得到区内勘察孔有害气体流量(表2)。结果显示，福保路区段及官南路区段气体流量均较小，均小于0.1 m3/min，这主要与气体聚集区压力小、赋存规模相对较小有关。

表2 研究区典型勘探孔气体流量峰值统计表Table 2 Peak gas flow statistics of typical exploration holes in the study area

3 浅层有害气体对工程施工影响及处理措施

含有害气体的土层常常会给基础工程施工带来严重影响，甚至会导致重大安全事故的发生[18-19]。其影响主要包括对盾构施工、地基稳定性、工程建成后的运营以及周边已有建筑物等方面。

3.1 对盾构施工的影响

高压有害气体对盾构施工的影响主要体现在土压平衡盾构影响地面沉降和掘进方向的控制、泥水平衡盾构排气与注浆困难以及有害气体溢出造成安全事故等方面[19]。本次研究昆明地铁2号线两个路段均未揭露高压力、大储气量的含气体，因此对盾构施工不会产生大的影响和危害。但由于在岩土工程详察过程中揭露过可较长时间强烈喷发的高压有毒有害气体，不能排除在未进行勘察或没有布置勘探孔的地段存在相对封闭、独立的有害气体储存体的可能。因此，在施工过程中要对地下有毒有害气体进行同步探测，预防浅层有害气体突然释放。

3.2 对地基稳定性的影响

根据中外有害气体勘察与防治成功经验分析，地下有毒有害气体释放对地基稳定性的影响主要有两种形式：一是大量高压气体突然释放，带走含气地层中的泥沙颗粒，导致含气地层强度明显降低，引发基坑侧壁或隧道顶及侧壁垮塌破坏；二是当有害气体含气层分布在拟建建筑物以下时，气体释放将使得含气地层孔隙度增大，地层承载力降低，在一定荷载下沉降量增大。这会导致建筑物地基产生不均匀沉降，进而威胁建筑物安全[20]。

本次两个勘察区间有害气藏均为低压、小型气体聚集区，一般不会发生第一种情况。但建筑物应力变形影响范围内地层中有害气体的释放，必将使地基承载力降低而产生不均匀沉降，威胁建筑物安全，因此区内会存在第二种情况风险。

3.3 对地下工程后期运营及周边建筑物的影响

地下高浓度高压力状态有害气体会引起人员中毒窒息或气体爆炸事故，甚至会导致隧道坍塌，发生特别重大安全事故。本次研究区段内有害气体压力较小，浓度低，对地铁2号线后期运营影响小，但不排除局部存在小型高压含气层的可能性。因此，仍应做好地下有害气体监测和防范工作，确保工程运营绝对安全。可在隧道设计及施工过程中选用高质量密封材料，对于后期安全运营可以起到安全保障作用。

3.4 处理措施建议

浅层有害气体影响着地下工程施工、人员安全以及后期工程运营等方面，目前对于地下浅层有害气体有效的处理措施多采用超前排气和通风措施[21-22]，并加强现场监测。

针对本区间有害气体压力、流量及分布特点，可在本区间重点里程范围进行超前排气，排气孔施工工艺可采用钻孔加套管的方法来完成。排气孔的布置主要依据前期勘察孔测得气体压力与浓度情况[23]，在CH4浓度大于0.5%或H2S浓度超过0.000 66%、CO浓度超过0.002 4%的勘察点以5 m为孔距，在隧道结构线左右外侧3 m处布置放气孔。福保路段第二含气层与地铁结构线底部基本一致，有部分区段结构线底部界线在含气层中穿过，重点布置排放气孔21个(图9)。官南路段揭露的含气层与地铁结构线底部最小间距4 m，该区间盾构施工不会揭露含气层，暂不考虑布置排放气孔。

图9 福保路段排放气孔布置图Fig.9 Layout of the exhaust holes in Fubao Section

此外，鉴于研究区为含瓦斯高原地区隧道施工，可采用压入式机械通风降低隧道内有害气体浓度[24]。区内除小型中、低压气囊外，土层中亦不同程度含有游离有害气体，该部分气体在隧道内聚集同样存在一定危险，故需易泄漏位置进行实时监测，并给施工人员配备便携检测器，确保隧道施工与人员设备的安全。

4 结论

(1)昆明市轨道交通2号线二期工程福保路段与官南路段第四系泥炭质土层所含有害气体是以甲烷为主要成分的小型、低压浅层生物气，甲烷最高含量占45.6%，伴生有CO、H2S等有毒气体。

(2)福保路段揭露两层含气层：第一层位于结构线上方，不影响盾构施工，但在车站或其他明挖工程施工时可能揭露该含气层；第二层与地铁结构线底部基本一致，部分区段结构线在含气层中穿过，存在一定危险性。官南路段揭露一层位于地铁结构线以下的含气层，基本不影响该区隧道间内盾构施工。

(3)研究区浅层气属自生自储气藏，缺乏区域性盖层并遭受人类工程破坏，盖层封盖与保存条件较差，导致区内气藏不均匀零散分布。本次福保路段测得孔位气体压力最高为0.268 MPa，官南路段最高为0.325 MPa，较低气体压力与流量均于表面工程破坏有关。

(4)研究区段有害气体释放对盾构施工、周边建筑物和工程后期运营产生显著影响的可能性小、影响程度低。但当含气层位于建筑物基础应力变形影响范围内时，将对地基沉降产生影响，且在工程前期揭露有小型高压气体聚集区，不排除勘察区间或周边存在小型高压气体聚集区的可能性，故建议在施工过程中要对地下有害气体进行同步探测，对于高压气层采取提前排气措施与压入式机械通风处理。