潘瑞林 袁永紅 羅常鋒 肖先俊

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 工程概況

成都地鐵1號(hào)線三期工程是位于成都天府新區(qū)的南北向線路，由二期四河站南端引出，沿天府大道向南，設(shè)華陽(yáng)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(gè)車(chē)站，線路長(zhǎng)14.35 km，全部為地下線。車(chē)站采用明挖法施工，區(qū)間隧道主要采用盾構(gòu)法施工。

2 地質(zhì)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(qū)，屬岷江水系Ⅱ級(jí)階地，廣福站至終點(diǎn)天府新站為侵蝕緩丘區(qū)，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(qū)地層主要為第四系人工雜填土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂、卵石土，白堊系上統(tǒng)灌口組強(qiáng)-中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、泥巖，第四系覆蓋層厚10～30 m。緩丘區(qū)地層主要為第四系人工雜填土、粉質(zhì)黏土，白堊系下統(tǒng)天馬山組-侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組全-中風(fēng)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(qū)間隧道洞身和車(chē)站結(jié)構(gòu)底板主要位于強(qiáng)-中風(fēng)化砂巖、泥巖層中。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

成都地鐵1號(hào)線三期工程處于成都斷陷盆地東部邊緣構(gòu)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(jiàn)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(qū)間。蘇碼頭背斜走向?yàn)镹30°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(tǒng)天馬山組-侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組地層，兩翼主要出露白堊系地層。蘇碼頭斷層發(fā)育于蘇碼頭背斜北西翼，距背斜核部約340 m，斷層上、下盤(pán)地層均為白堊系下統(tǒng)天馬山組-侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組地層，斷層走向?yàn)镹30°E，延伸長(zhǎng)約30 km，傾向?yàn)镾E，傾角約19°，斷層帶寬度約為20 m，該斷層為區(qū)域壓扭性逆斷層。

圖1 蘇碼頭構(gòu)造示意

3 蘇碼頭天然氣田概況

蘇碼頭天然氣田儲(chǔ)集層位為侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組，2002年，在1、3、5、6、9 號(hào)井(井深604～765 m)均獲得工業(yè)氣流。蘇碼頭氣田天然氣控制儲(chǔ)量為74.38×108m3，可采儲(chǔ)量為29.75×108m3，含氣面積為94.0 km2，2006年單井平均產(chǎn)氣1.0×104m3，產(chǎn)量、壓力均較穩(wěn)定，截止2006年9月累計(jì)產(chǎn)氣2208×104m3。蘇碼頭構(gòu)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(duì)較差。

地鐵1號(hào)線三期工程緩丘區(qū)廣福站至天府新站段的8個(gè)區(qū)間隧道位于蘇碼頭氣田和含氣構(gòu)造帶之上，主要穿越白堊系下統(tǒng)天馬山組-侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組砂、泥巖地層，埋深5～30 m，下部有天然氣儲(chǔ)層，背斜圈閉構(gòu)造的兩翼蓋層條件較好，而軸部中上蓋層條件相對(duì)較差，天然氣易沿?cái)鄬訋А⒘严稁蛏线\(yùn)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(nèi)聚集形成天然氣氣囊。因此，淺層天然氣有可能對(duì)地鐵1號(hào)線三期緩丘區(qū)的8個(gè)區(qū)間隧道產(chǎn)生危害，勘察階段需要進(jìn)行淺層天然氣測(cè)試及影響評(píng)價(jià)。

4 淺層天然氣測(cè)試及鉆孔布置

4.1 淺層天然氣測(cè)試

主要采用鉆孔現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并輔以室內(nèi)分析試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行。

鉆孔現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用SL-808A天然氣、液化石油氣檢測(cè)儀，在測(cè)試鉆孔中測(cè)定天然氣濃度。該儀器采用泵吸式傳感器進(jìn)行天然氣濃度檢測(cè)，響應(yīng)時(shí)間小于10 s。該儀器靈敏度高，響應(yīng)時(shí)間快，穩(wěn)定性好。一般每個(gè)鉆孔測(cè)試4次：鉆孔深度分別為隧道結(jié)構(gòu)底板埋深、底板下10 m、終孔深度時(shí)各實(shí)時(shí)測(cè)試1次，終孔后封口24 h測(cè)第4次，以測(cè)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(xiàn)場(chǎng)取氣樣進(jìn)行室內(nèi)氣相色譜分析試驗(yàn)，測(cè)試氣體中的成分和濃度。

4.2 測(cè)試鉆孔布置

根據(jù)天然氣田圈閉構(gòu)造特征，結(jié)合區(qū)間隧道埋深情況和現(xiàn)場(chǎng)條件，重點(diǎn)對(duì)段武區(qū)間、福廣區(qū)間和廣興區(qū)間隧道布置測(cè)試鉆孔。段武區(qū)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(qū)間和廣興區(qū)間隧道各布置1孔。

隧道內(nèi)天然氣的涌出量與隧道洞身周?chē)烊粴鉂舛?、圍巖裂隙性、氣體的逸散通道情況、洞身開(kāi)挖裸露面積等有關(guān)。天然氣測(cè)試鉆孔的深度：原則上應(yīng)能基本反映隧道開(kāi)挖后隧道洞身周?chē)烊粴獾臐舛炔⒔沂舅淼栏钐幪烊粴鉂舛鹊那闆r。隧道開(kāi)挖后，一般認(rèn)為3倍隧道直徑(寬度)深度范圍以外的圍巖地應(yīng)力基本為原始地應(yīng)力(地應(yīng)力基本保持不變)，圍巖中的裂隙一般不會(huì)因?yàn)榈貞?yīng)力調(diào)整張開(kāi)或產(chǎn)生新的裂隙，不會(huì)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(nèi)，隧道開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力重新調(diào)整，巖體松動(dòng)、裂隙張開(kāi)或產(chǎn)生新的裂隙，氣體向隧道洞內(nèi)逸散較通暢， 3倍隧道直徑(寬度)深度處測(cè)得的氣體濃度可以基本反映隧道開(kāi)挖后隧道洞身周?chē)臍怏w濃度。因此，本次天然氣一般性測(cè)試孔深為隧道結(jié)構(gòu)底板以下3倍隧道直徑(寬度)，控制性測(cè)試孔深度一般為隧道結(jié)構(gòu)底板以下4～6倍隧道直徑(寬度)。本項(xiàng)目盾構(gòu)隧道直徑為6.28 m，結(jié)構(gòu)底板埋深為20～30 m，段武區(qū)間隧道3個(gè)一般性測(cè)試孔深度為41.9～49.7 m，2個(gè)控制性測(cè)試孔深度為61.0～65.8 m，福廣區(qū)間和廣興區(qū)間隧道測(cè)試孔深度為60.0 m。

5 淺層天然氣測(cè)試結(jié)果

5.1 室內(nèi)氣相色譜分析試驗(yàn)結(jié)果

采用氣相色譜法對(duì)5組氣樣進(jìn)行成分和含量分析試驗(yàn)(見(jiàn)表1)。試驗(yàn)結(jié)果表明：①5組氣樣均以氧氣(O2)和氮?dú)?N2)為主，含少量甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)，微量其它含碳?xì)怏w；段武區(qū)間蘇碼頭斷層附近孔內(nèi)檢測(cè)到少量有害氣體一氧化碳(CO)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)H2S、SO2等其它有毒有害氣體。②可燃?xì)怏w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(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果

鉆孔現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果(見(jiàn)表2)表明，①段武區(qū)間5個(gè)鉆孔均有天然氣存在，控制性測(cè)試鉆孔天然氣最大濃度為0.99%，一般性測(cè)試鉆孔隧道結(jié)構(gòu)底板以下3倍隧道直徑(寬度)處最大濃度為0.34%。②福廣區(qū)間和廣興區(qū)間也均有天然氣存在，控制性測(cè)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(cè)結(jié)果

表2 鉆孔天然氣測(cè)試結(jié)果

6 淺層天然氣對(duì)區(qū)間隧道影響評(píng)價(jià)

6.1 測(cè)試結(jié)果分析及評(píng)價(jià)

段武區(qū)間隧道和福廣、廣興2個(gè)代表性區(qū)間隧道現(xiàn)場(chǎng)鉆孔測(cè)試及室內(nèi)氣相色譜分析試驗(yàn)結(jié)果表明，控制性測(cè)試鉆孔天然氣最大濃度為0.884%～0.99%，一般性測(cè)試鉆孔隧道結(jié)構(gòu)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(nèi)分析天然氣濃度為0.118%～0.89%，其結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)鉆孔測(cè)試濃度基本吻合。 3個(gè)區(qū)間隧道均有天然氣存在，但遠(yuǎn)低于瓦斯爆炸的下限濃度(5.0%)。地鐵區(qū)間隧道均已受到蘇碼頭氣田天然氣向上運(yùn)移浸入和逸出的影響，均為瓦斯隧道。此外，段武區(qū)間檢測(cè)到有害氣體一氧化碳(CO)，其濃度為0.007%～0.034%，濃度略偏高(當(dāng)CO濃度高于0.03%時(shí)，會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，有頭疼、嘔吐等癥狀)。

廣福站至終點(diǎn)天府新站段的8個(gè)區(qū)間隧道都處于低緩丘陵區(qū)，屬于同一地質(zhì)構(gòu)造單元，均位于蘇碼頭氣田或含氣構(gòu)造帶之上，按照工程地質(zhì)類(lèi)比法并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆孔測(cè)試及室內(nèi)氣相色譜分析試驗(yàn)綜合分析結(jié)果，8個(gè)區(qū)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(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)瓦斯和一氧化碳監(jiān)測(cè)工作，加強(qiáng)隧道通風(fēng)和瓦斯隧道相關(guān)安全防護(hù)工作。

6.2 淺層天然氣瓦斯隧道分類(lèi)

《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》(TB 10120—2002)中對(duì)瓦斯隧道的分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)為：①絕對(duì)瓦斯涌出量小于0.5 m3/min時(shí)為低瓦斯隧道；大于或等于0.5 m3/min時(shí)為高瓦斯隧道。②瓦斯突出隧道必須同時(shí)滿足4個(gè)指標(biāo)(瓦斯壓力P≥0.74 MPa；瓦斯放散初速度ΔP≥10；煤的堅(jiān)固性系數(shù)f≤0.5；煤的破壞類(lèi)型為Ⅲ類(lèi)及以上)。該規(guī)范給出了煤層瓦斯壓力、瓦斯放散初速度、煤的堅(jiān)固系數(shù)測(cè)定方法和獨(dú)頭坑道礦山法煤層瓦斯涌出量的計(jì)算方法?！惰F路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB10027—2012)也給出了單煤層和多煤層隧道瓦斯涌出量的計(jì)算方法及公式。

上述規(guī)范劃分標(biāo)準(zhǔn)和指標(biāo)測(cè)定、計(jì)算方法均適用于煤層瓦斯隧道。雖然高勤運(yùn)[4]提出可用上述規(guī)范(程)中的公式預(yù)測(cè)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(zhì)板巖地層中取得了較好的結(jié)果，但淺層天然氣瓦斯隧道與之有較大差異，主要表現(xiàn)在：①隧道所處淺層天然氣壓力相對(duì)較小，難以準(zhǔn)確測(cè)定；②隧道穿越地段大多為非生烴層，其淺層天然氣大多沿?cái)鄬?、裂隙從深部向上運(yùn)移，逸出到隧道洞身或局部形成相對(duì)獨(dú)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(zhǔn)確計(jì)算，增大了分類(lèi)評(píng)價(jià)難度。因此，不宜按《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》(TB 10120—2002)和《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB10027—2012)的方法和標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算、預(yù)測(cè)隧道瓦斯涌出量。

白正偉[5]在蘭渝鐵路梅嶺關(guān)隧道施工中將工作面超前鉆孔模擬為隧道開(kāi)挖情況，測(cè)試超前鉆孔天然氣單位面積、單位時(shí)間的瓦斯涌出量，參考隧道施工分臺(tái)階開(kāi)挖的實(shí)際工況，提出了隧道開(kāi)挖時(shí)瓦斯涌出量的計(jì)算公式。蘇培東等[6]通過(guò)四川大量鐵路、公路天然氣隧道勘察測(cè)試與施工實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析對(duì)比，提出淺層天然氣的定性識(shí)別方法和淺層天然氣的運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)：①隧道控制性測(cè)試鉆孔天然氣最大濃度大于1.5%，且隧道主要測(cè)試鉆孔有天然氣顯示；②即使隧道控制性測(cè)試鉆孔天然氣最大濃度小于1.5%，但隧道所處構(gòu)造部位為天然氣聚集區(qū)或運(yùn)移、逸出的有利指向區(qū)；③隧道直接穿越油氣生烴層或儲(chǔ)集層；④隧道長(zhǎng)度大于1 000 m。符合以上4個(gè)條件即判定為高瓦斯隧道。

本工程瓦斯隧道類(lèi)型的判別主要參考蘇培東[6]提出的判別標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)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(jìn)行綜合判定。段武、福廣、廣興3個(gè)區(qū)間隧道的判定結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 區(qū)間隧道天然氣瓦斯隧道類(lèi)型判定

6.3 施工驗(yàn)證結(jié)果

本工程8個(gè)區(qū)間隧道均按低瓦斯隧道設(shè)計(jì)，采用盾構(gòu)法施工。每個(gè)盾構(gòu)隧道設(shè)立兩臺(tái)風(fēng)機(jī)(一臺(tái)啟用通風(fēng)，另一臺(tái)備用)，風(fēng)量為1 500～2 281 m3/min。目前8個(gè)區(qū)間隧道均已順利貫通，正常通風(fēng)條件下，施工監(jiān)測(cè)的瓦斯?jié)舛葹?.02%～0.18%，均未達(dá)到報(bào)警濃度(0.5%)。說(shuō)明8個(gè)區(qū)間隧道的判定結(jié)果與實(shí)際相符。

7 結(jié)論

(1)成都地鐵1號(hào)線三期工程緩丘區(qū)廣福站至天府新站段的8個(gè)區(qū)間隧道位于蘇碼頭氣田或含氣構(gòu)造帶之上，下部天然氣易沿?cái)鄬訋?、裂隙帶向上運(yùn)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(nèi)可能聚集形成天然氣氣囊，淺層天然氣對(duì)區(qū)間隧道有一定的影響和危害。

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

(3)勘察階段采用鉆孔現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，并輔以室內(nèi)氣相色譜分析相結(jié)合的天然氣測(cè)試方法可行。測(cè)試鉆孔布置應(yīng)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(cè)試孔深度可為隧道結(jié)構(gòu)底板以下3倍隧道直徑(寬度)，控制性測(cè)試孔深度可為隧道結(jié)構(gòu)底板以下4～6倍隧道直徑(寬度)。

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