成都地铁1号线三期区间隧道勘察浅层天然气测试及影响评价研究

潘瑞林 袁永红 罗常锋 肖先俊

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 工程概况

成都地铁1号线三期工程是位于成都天府新区的南北向线路，由二期四河站南端引出，沿天府大道向南，设华阳站、牧华路站、广福站、香山站、段家山站、武汉路站、宁波路站、福州路站、广州路站、兴隆湖站、天府新站共11个车站，线路长14.35 km，全部为地下线。车站采用明挖法施工，区间隧道主要采用盾构法施工。

2 地质特征

2.1 地形地貌及地层岩性

四河站至广福站位于平原区，属岷江水系Ⅱ级阶地，广福站至终点天府新站为侵蚀缓丘区，丘岗、谷地相间分布，地形起伏不大，坡度较平缓，地面高程463～518 m，最大高差约50 m。

平原区地层主要为第四系人工杂填土、粉质黏土、粉土、粉细砂、卵石土，白垩系上统灌口组强-中风化泥质砂岩、泥岩，第四系覆盖层厚10～30 m。缓丘区地层主要为第四系人工杂填土、粉质黏土，白垩系下统天马山组-侏罗系上统蓬莱镇组全-中风化砂岩、泥岩，偶夹砾岩，第四系覆盖层仅局部分布于丘间谷地，厚度一般小于15.0 m。区间隧道洞身和车站结构底板主要位于强-中风化砂岩、泥岩层中。

2.2 地质构造

成都地铁1号线三期工程处于成都断陷盆地东部边缘构造带，广福站至天府新站段南北向斜穿苏码头背斜和苏码头断层(见图1)，苏码头背斜核部和苏码头断层位于段家山站至武汉路站区间。苏码头背斜走向为N30°E，北西翼较缓，倾角约5°，南东翼较北西翼稍陡，倾角约10°，核部出露白垩系下统天马山组-侏罗系上统蓬莱镇组地层，两翼主要出露白垩系地层。苏码头断层发育于苏码头背斜北西翼，距背斜核部约340 m，断层上、下盘地层均为白垩系下统天马山组-侏罗系上统蓬莱镇组地层，断层走向为N30°E，延伸长约30 km，倾向为SE，倾角约19°，断层带宽度约为20 m，该断层为区域压扭性逆断层。

图1 苏码头构造示意

3 苏码头天然气田概况

苏码头天然气田储集层位为侏罗系上统蓬莱镇组，2002年，在1、3、5、6、9 号井(井深604～765 m)均获得工业气流。苏码头气田天然气控制储量为74.38×108m3，可采储量为29.75×108m3，含气面积为94.0 km2，2006年单井平均产气1.0×104m3，产量、压力均较稳定，截止2006年9月累计产气2208×104m3。苏码头构造两翼及轴部中下盖层条件较好，而轴部中上盖层条件相对较差。

地铁1号线三期工程缓丘区广福站至天府新站段的8个区间隧道位于苏码头气田和含气构造带之上，主要穿越白垩系下统天马山组-侏罗系上统蓬莱镇组砂、泥岩地层，埋深5～30 m，下部有天然气储层，背斜圈闭构造的两翼盖层条件较好，而轴部中上盖层条件相对较差，天然气易沿断层带、裂隙带向上运移浸入上部地层，或逸出地表，在浅部某处盖层条件较好的地层内聚集形成天然气气囊。因此，浅层天然气有可能对地铁1号线三期缓丘区的8个区间隧道产生危害，勘察阶段需要进行浅层天然气测试及影响评价。

4 浅层天然气测试及钻孔布置

4.1 浅层天然气测试

主要采用钻孔现场测试，并辅以室内分析试验相结合的方法进行。

钻孔现场测试采用SL-808A天然气、液化石油气检测仪，在测试钻孔中测定天然气浓度。该仪器采用泵吸式传感器进行天然气浓度检测，响应时间小于10 s。该仪器灵敏度高，响应时间快，稳定性好。一般每个钻孔测试4次：钻孔深度分别为隧道结构底板埋深、底板下10 m、终孔深度时各实时测试1次，终孔后封口24 h测第4次，以测试天然气逸出深度、浓度及封口24 h后的最大浓度。

终孔封口24 h后，现场取气样进行室内气相色谱分析试验，测试气体中的成分和浓度。

4.2 测试钻孔布置

根据天然气田圈闭构造特征，结合区间隧道埋深情况和现场条件，重点对段武区间、福广区间和广兴区间隧道布置测试钻孔。段武区间隧道共布置5孔，4孔位于苏码头断层及影响带， 1孔位于苏码头背斜核部。福广区间和广兴区间隧道各布置1孔。

隧道内天然气的涌出量与隧道洞身周围天然气浓度、围岩裂隙性、气体的逸散通道情况、洞身开挖裸露面积等有关。天然气测试钻孔的深度：原则上应能基本反映隧道开挖后隧道洞身周围天然气的浓度并揭示隧道更深处天然气浓度的情况。隧道开挖后，一般认为3倍隧道直径(宽度)深度范围以外的围岩地应力基本为原始地应力(地应力基本保持不变)，围岩中的裂隙一般不会因为地应力调整张开或产生新的裂隙，不会形成新的向隧道洞身范围逸散气体的逸散通道。但在3倍隧道直径(宽度)深度范围以内，隧道开挖后围岩应力重新调整，岩体松动、裂隙张开或产生新的裂隙，气体向隧道洞内逸散较通畅， 3倍隧道直径(宽度)深度处测得的气体浓度可以基本反映隧道开挖后隧道洞身周围的气体浓度。因此，本次天然气一般性测试孔深为隧道结构底板以下3倍隧道直径(宽度)，控制性测试孔深度一般为隧道结构底板以下4～6倍隧道直径(宽度)。本项目盾构隧道直径为6.28 m，结构底板埋深为20～30 m，段武区间隧道3个一般性测试孔深度为41.9～49.7 m，2个控制性测试孔深度为61.0～65.8 m，福广区间和广兴区间隧道测试孔深度为60.0 m。

5 浅层天然气测试结果

5.1 室内气相色谱分析试验结果

采用气相色谱法对5组气样进行成分和含量分析试验(见表1)。试验结果表明：①5组气样均以氧气(O2)和氮气(N2)为主，含少量甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)，微量其它含碳气体；段武区间苏码头断层附近孔内检测到少量有害气体一氧化碳(CO)，没有发现H2S、SO2等其它有毒有害气体。②可燃气体甲烷(CH4)浓度为0.118%～0.89%。③一氧化碳(CO)浓度为0.007%～0.034%。

5.2 钻孔现场测试结果

钻孔现场测试结果(见表2)表明，①段武区间5个钻孔均有天然气存在，控制性测试钻孔天然气最大浓度为0.99%，一般性测试钻孔隧道结构底板以下3倍隧道直径(宽度)处最大浓度为0.34%。②福广区间和广兴区间也均有天然气存在，控制性测试钻孔天然气最大浓度分别为0.884%和0.945%。

表1 天然气体组分检测结果

表2 钻孔天然气测试结果

6 浅层天然气对区间隧道影响评价

6.1 测试结果分析及评价

段武区间隧道和福广、广兴2个代表性区间隧道现场钻孔测试及室内气相色谱分析试验结果表明，控制性测试钻孔天然气最大浓度为0.884%～0.99%，一般性测试钻孔隧道结构底板以下3倍隧道直径(宽度)处最大浓度为0.024%～0.34%，取样室内分析天然气浓度为0.118%～0.89%，其结果与现场钻孔测试浓度基本吻合。 3个区间隧道均有天然气存在，但远低于瓦斯爆炸的下限浓度(5.0%)。地铁区间隧道均已受到苏码头气田天然气向上运移浸入和逸出的影响，均为瓦斯隧道。此外，段武区间检测到有害气体一氧化碳(CO)，其浓度为0.007%～0.034%，浓度略偏高(当CO浓度高于0.03%时，会对人体产生危害，有头疼、呕吐等症状)。

广福站至终点天府新站段的8个区间隧道都处于低缓丘陵区，属于同一地质构造单元，均位于苏码头气田或含气构造带之上，按照工程地质类比法并结合现场钻孔测试及室内气相色谱分析试验综合分析结果，8个区间隧道均为瓦斯隧道，且有害气体一氧化碳(CO)浓度略偏高。在隧道施工过程中应加强瓦斯和一氧化碳监测工作，加强隧道通风和瓦斯隧道相关安全防护工作。

6.2 浅层天然气瓦斯隧道分类

《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB 10120—2002)中对瓦斯隧道的分类标准为：①绝对瓦斯涌出量小于0.5 m3/min时为低瓦斯隧道；大于或等于0.5 m3/min时为高瓦斯隧道。②瓦斯突出隧道必须同时满足4个指标(瓦斯压力P≥0.74 MPa；瓦斯放散初速度ΔP≥10；煤的坚固性系数f≤0.5；煤的破坏类型为Ⅲ类及以上)。该规范给出了煤层瓦斯压力、瓦斯放散初速度、煤的坚固系数测定方法和独头坑道矿山法煤层瓦斯涌出量的计算方法。《铁路工程不良地质勘察规程》(TB10027—2012)也给出了单煤层和多煤层隧道瓦斯涌出量的计算方法及公式。

上述规范划分标准和指标测定、计算方法均适用于煤层瓦斯隧道。虽然高勤运[4]提出可用上述规范(程)中的公式预测非煤地层隧道瓦斯涌出量，并在兰渝铁路化马隧道施工阶段炭质板岩地层中取得了较好的结果，但浅层天然气瓦斯隧道与之有较大差异，主要表现在：①隧道所处浅层天然气压力相对较小，难以准确测定；②隧道穿越地段大多为非生烃层，其浅层天然气大多沿断层、裂隙从深部向上运移，逸出到隧道洞身或局部形成相对独立的气囊，其浓度和分布具有不均匀性和各向异性，瓦斯涌出量难以准确计算，增大了分类评价难度。因此，不宜按《铁路瓦斯隧道技术规范》(TB 10120—2002)和《铁路工程不良地质勘察规程》(TB10027—2012)的方法和标准计算、预测隧道瓦斯涌出量。

白正伟[5]在兰渝铁路梅岭关隧道施工中将工作面超前钻孔模拟为隧道开挖情况，测试超前钻孔天然气单位面积、单位时间的瓦斯涌出量，参考隧道施工分台阶开挖的实际工况，提出了隧道开挖时瓦斯涌出量的计算公式。苏培东等[6]通过四川大量铁路、公路天然气隧道勘察测试与施工实测数据的分析对比，提出浅层天然气的定性识别方法和浅层天然气的运移模式，建立了浅层天然气溢出量估算模型，并初步提出浅层天然气高瓦斯隧道的判别标准：①隧道控制性测试钻孔天然气最大浓度大于1.5%，且隧道主要测试钻孔有天然气显示；②即使隧道控制性测试钻孔天然气最大浓度小于1.5%，但隧道所处构造部位为天然气聚集区或运移、逸出的有利指向区；③隧道直接穿越油气生烃层或储集层；④隧道长度大于1 000 m。符合以上4个条件即判定为高瓦斯隧道。

本工程瓦斯隧道类型的判别主要参考苏培东[6]提出的判别标准，并结合隧道洞身以上是否有较好的天然气盖层、是否有形成气囊的有利地层条件进行综合判定。段武、福广、广兴3个区间隧道的判定结果见表3。

表3 区间隧道天然气瓦斯隧道类型判定

6.3 施工验证结果

本工程8个区间隧道均按低瓦斯隧道设计，采用盾构法施工。每个盾构隧道设立两台风机(一台启用通风，另一台备用)，风量为1 500～2 281 m3/min。目前8个区间隧道均已顺利贯通，正常通风条件下，施工监测的瓦斯浓度为0.02%～0.18%，均未达到报警浓度(0.5%)。说明8个区间隧道的判定结果与实际相符。

7 结论

(1)成都地铁1号线三期工程缓丘区广福站至天府新站段的8个区间隧道位于苏码头气田或含气构造带之上，下部天然气易沿断层带、裂隙带向上运移浸入上部地层或逸出地表，在浅部某处盖层条件较好的地层内可能聚集形成天然气气囊，浅层天然气对区间隧道有一定的影响和危害。

(2)钻孔测试及取样室内气相色谱分析试验均有天然气显示，天然气最大浓度为0.99%。根据控制性测试钻孔天然气最大浓度、隧道所处构造部位、隧道是否穿越油气生烃层或储集层、洞身以上是否有形成气囊的有利地层条件及隧道长度等因素，综合分析判定其均为低瓦斯隧道。隧道施工验证了评价结果的正确性。

(3)勘察阶段采用钻孔现场测试，并辅以室内气相色谱分析相结合的天然气测试方法可行。测试钻孔布置应具有代表性，能反映和揭示隧道天然气浓度及分布变化情况，一般性测试孔深度可为隧道结构底板以下3倍隧道直径(宽度)，控制性测试孔深度可为隧道结构底板以下4～6倍隧道直径(宽度)。

[1] 住建部，国家质检总局.GB50307—2012 城市轨道交通岩土工程勘察规范[S].北京：中国计划出版社，2012

[2] 铁道部.TB10120—2002 铁路瓦斯隧道技术规范[S].北京：中国铁道出版社，2003

[3] 铁道部.TB10027—2012 铁路工程不良地质勘察规程[S].北京：中国铁道出版社，2012

[4] 高勤运.隧道瓦斯涌出量预测方法在非煤地层中的应用研究[J].铁道标准设计,2014，58(4)：87-89

[5] 白正伟.非煤系瓦斯隧道天然气储渗特征与瓦斯超前预报及参数测试的研究[J].国防交通工程与技术，2015(1)：31-35

[6] 苏培东，廖军兆，王奇，等.四川盆地龙泉山含油气构造浅层天然气对隧道工程危害研究[J].工程地质学报，2014，22(6)：1287-1292

[7] 袁云海.四川红层地层隧道中天然气赋存分析及处理措施初探[J].现代隧道技术，2013，58(1)：23-28

[8] 苏培东，李作兵，范晓丽.兰渝铁路梅岭关隧道浅层天然气预测研究[J].路基工程，2011(1)：28-30

[9] 苏培东，李作兵，范晓丽，等.成-简一级公路龙泉山隧道浅层天然气检测研究[J].现代隧道技术，2009，46(4)：52-57

[10] 刘文伍.浅层天然气对新龙泉山隧道的影响分析[J].山西建筑，2013，39(24)：178-180

[11] 张贵铜.铁路隧道瓦斯等级划分的探讨[J].铁道工程学报，2012(10)：75-79

[12] 刘杨，姚海波.天然气高瓦斯山岭隧道地质灾害的特点与预报[J].铁道工程学报，2011(3)：69-71

[13] 李鹏，蒋雅君，杨龙伟，等.非煤系构造连通型瓦斯隧道超前地质预报技术[J].铁道标准设计，2014，58(11)：103-107

[14] 马永生，蔡勋育，赵培荣，等.四川盆地大中型天然气田分布特征与勘探方向[J].石油学报，2010，31(3)：347-354