劉桂榮

（上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，上海 200438）

0 引言

我國長江中下游及東南沿海地區(qū)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(yùn)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(dāng)隧道穿越富含沼氣地層施工時，若處置不當(dāng)，可能造成有害氣體泄漏，導(dǎo)致安全事故。由于受目前勘察條件所限，很難預(yù)先精確探明沼氣分布范圍和狀態(tài)，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(fēng)險［2-4］。

近年來，不少沿海、沿江隧道工程在建設(shè)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(nèi)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(gòu)施工時 3 名作業(yè)人員因甲烷中毒身亡；當(dāng)有害氣體逸至隧道內(nèi)達(dá)到一定濃度，可能遇明火引發(fā)火災(zāi)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)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(fù)雜問題，相關(guān)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(wǎng)崇明島-長興島-浦東新區(qū)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(yùn)移特征，建立了地層-有害氣藏-隧道結(jié)構(gòu)的有限元數(shù)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(yùn)移過程中的地層變形與隧道結(jié)構(gòu)受力性狀的變化規(guī)律，并與隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力設(shè)計值進(jìn)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(wǎng)崇明島-長興島-浦東新區(qū)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(gòu)法施工，內(nèi)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(gòu)成，混凝土強(qiáng)度等級為 C55，抗?jié)B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(qū)域淺層氣分布情況異常，在施工期間通過便攜式可燃?xì)怏w探測儀檢測到有淺層沼氣溢出情況。結(jié)合對區(qū)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(qū)沼氣地層的性狀特征

根據(jù)相關(guān)地勘報告，上海長江口地區(qū)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(zhì)歷史時期海侵最大時形成沉積層內(nèi)（海相層），氣藏一般呈交互狀的扁豆體出現(xiàn)，儲氣層以貝殼、貝殼砂層為主，構(gòu)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(xiàn)。

氣體在地下水溶解量隨壓力增加、隨溫度降低而增大，其擴(kuò)散與地層的滲水特性有關(guān)［7］。在淤泥質(zhì)土層中產(chǎn)生的有害氣體不斷在土中運(yùn)移并部分溶于地下水，當(dāng)水中的氣體達(dá)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(cè)向遷移為主，最后在儲氣層集中成藏；如封蓋不嚴(yán)，氣體則以向上垂直運(yùn)移為主，產(chǎn)生氣體逸散。儲氣層中的淺層氣側(cè)向運(yùn)移補(bǔ)給特點(diǎn)，將導(dǎo)致沼氣不能完全徹底釋放，局部存在囊狀氣團(tuán)。施工放氣雖可使氣壓顯著降低，但經(jīng)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(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，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(zhì)，并基于多孔介質(zhì)理論和連續(xù)介質(zhì)力學(xué)原理，建立考慮土骨架變形、水體流動和氣體傳輸?shù)娜囫詈戏治瞿Ｐ汀?/p>

模型的主要假設(shè)包括：①土體為均質(zhì)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(kuò)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(dá)西定律；⑥土體顆粒的密度與流體壓力和體積變形有關(guān)，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(shù)。

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(zhì)等效為連續(xù)介質(zhì)，隨后分別從等效多相系統(tǒng)的動量守恒方程和質(zhì)量守恒方程出發(fā)，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(jié)合土體本構(gòu)關(guān)系、有效應(yīng)力原理和土-水特征曲線，并賦予相應(yīng)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(jìn)行求解。

3.2 數(shù)值建模

根據(jù)依托工程的地質(zhì)勘探報告，選取隧道過江段的典型地質(zhì)剖面進(jìn)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(diǎn)距地層表面為 20 m，隧道內(nèi)徑 3.4 m，隧道管片厚度 0.28 m。利用對稱性取隧道結(jié)構(gòu)的一半進(jìn)行建模，模型計算域?qū)挾热?45 m。由于缺乏地層中沼氣分布范圍的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，在此考慮最不利工況，假設(shè)氣藏包裹著隧道結(jié)構(gòu)，氣藏截面大致呈上窄下寬的梯形。隧道結(jié)構(gòu)及氣藏處的局部計算網(wǎng)格如圖 3 所示。

圖3 含氣藏地層的二維地層模型網(wǎng)格劃分

土體采用擴(kuò)展巴塞羅那非飽和土本構(gòu)模型［10，11］，參數(shù)參照地勘報告和相關(guān)工程案例，不同地層的物理力學(xué)參數(shù)如表 1 所示，與兩相流分析相關(guān)的計算參數(shù)如表 2 所示。

表1 地層參數(shù)

表2 兩相流分析的模型參數(shù)

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(shè)氣藏下底面為浸潤線，即該位置以上為非飽和區(qū)域，以下為飽和區(qū)域，此時氣藏中的氣體達(dá)到常壓條件下能夠穩(wěn)定儲藏的最大量。假設(shè)沼氣只賦存于氣藏內(nèi)，氣藏內(nèi)部各處氣壓連通，由于氣體質(zhì)量的存在，氣壓沿高程方向線性變化，但氣體密度遠(yuǎn)小于水相密度，氣壓在氣藏內(nèi)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(zhì)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(lián)網(wǎng)讓資訊變得更便利，新媒體時代的到來帶來了海量的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)相關(guān)信息，足不出戶便能縱觀天下。通過對大數(shù)據(jù)的分析，可以了解市場供需、用戶需求、消費(fèi)習(xí)慣、心理偏好等，敏銳的找到突破口。比如“餓了么”“美團(tuán)”“滴滴”等新應(yīng)用就是為滿足市場需求而量身打造適合當(dāng)代人用戶體驗(yàn)的成功案例，這些平臺一經(jīng)推出，受到一致好評和廣泛應(yīng)用。師范生可結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)，借助網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)+，尋找?guī)煼额惓晒Ψ独?。相?yīng)地，我們在獲取數(shù)據(jù)的同時也在貢獻(xiàn)數(shù)據(jù)，崇尚個性的年代大家習(xí)慣性的將自己衣、食、住、行和小創(chuàng)意分享在社交網(wǎng)站上，這也給師范生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供了新的啟發(fā)和更大的可能。

式中：pg0為初始?xì)鈮?，Pa；Z為深度，m；h為土層上方的水深，m；m為土水特征參數(shù)。

4 計算結(jié)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(jù)場地的潮位數(shù)據(jù)，取水深為 17.2 m，根據(jù)式（1）計算得到氣藏內(nèi)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(chǎn)生相應(yīng)位移。在含氣地層中沿豎向自下而上均勻設(shè)置 5 個監(jiān)測點(diǎn)（見圖 2），各監(jiān)測點(diǎn)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(jiān)測點(diǎn) 5 處的抬升量最大，當(dāng)氣藏內(nèi)氣壓達(dá)到 0.546 MPa 時，該點(diǎn)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(jié)構(gòu)的受力性狀。在氣體匯聚過程中，土體附加變形導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)的受力性狀發(fā)生變化，引起內(nèi)力增加。當(dāng)氣體匯聚至氣壓為 0.546 MPa 時，每延米隧道的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布情況如圖 5 所示。其中，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大正彎矩為 54 kNm，約為設(shè)計值 50 %，最大負(fù)彎矩為 99 kNm，約為設(shè)計值得 87 %。隧道襯砌結(jié)構(gòu)所受軸力最大值為 2 032 kN，按 C55 混凝土抗壓強(qiáng)度估算，每延米襯砌結(jié)構(gòu)所能承受的最大軸力約為 9 940 kN。該計算工況下襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩及軸力均未超過設(shè)計允許值，襯砌結(jié)構(gòu)安全。

圖5 氣體匯聚工況下襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)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(shè)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(fā)生逸散，達(dá)到再次穩(wěn)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(chǎn)生逐漸增加的豎向沉降，其中監(jiān)測點(diǎn) 5 處的沉降最大，當(dāng)?shù)貙又械臍鈮航抵?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(jié)構(gòu)的受力性狀。當(dāng)氣體逸散至氣壓達(dá)到 0.347 MPa 時，每延米隧道的襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布情況如圖 7 所示。其中，隧道襯砌結(jié)構(gòu)的最大正彎矩為 46 kN·m，最大負(fù)彎矩為 87 kN·m，分別為設(shè)計值的 43 % 和 79 % 左右。隧道襯砌結(jié)構(gòu)的軸力最大值約 1 842 kN，為襯砌結(jié)構(gòu)所能承受最大設(shè)計軸力的 18.5 %。襯砌結(jié)構(gòu)的彎矩及軸力同樣均未超過設(shè)計允許值，襯砌結(jié)構(gòu)安全。

圖7 氣體逸散工況下襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布

4.3 建議應(yīng)急加固措施

根據(jù)相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合對氣藏區(qū)域隧道外周土體注漿加固后隧道地層及襯砌受力數(shù)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(yù)留附加注漿孔，當(dāng)氣體匯聚及逸散過程引起的隧道周圍土體變形及襯砌結(jié)構(gòu)受力較大時，并出現(xiàn)超過設(shè)計值趨勢情況，應(yīng)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(fēng)險。

5 結(jié)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(jìn)行了數(shù)值模擬，重點(diǎn)分析了氣體運(yùn)移過程對隧道周圍土體變形和隧道結(jié)構(gòu)受力性狀的影響，驗(yàn)證了該工程施工中在氣體匯聚與逸散下隧道結(jié)構(gòu)受力的安全性，并經(jīng)分析提出了當(dāng)隧道襯砌出現(xiàn)較大受力工況時的應(yīng)急加固措施，為背景工程在富含沼氣區(qū)域?qū)崿F(xiàn)盾構(gòu)隧道順利掘進(jìn)提供了理論計算依據(jù)和安全保障，對后續(xù)長江口及長三角區(qū)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