中俄东线天然气管道工程长江穿越南岸竖井有害气体勘察研究

2020-12-14 04:13刘栋牟浩然汤国毅

环境与发展 2020年10期

刘栋牟浩然汤国毅

摘要：有害气体的存在给盾构施工带来巨大的安全隐患，严重威胁工程质量及施工人员生命安全。通过“JL269系列可燃气体检漏仪”进行初判，利用静力触探改良设备，通过钻探对竖井区域进行有害气体专项勘察。查明其成因、分布、类型、浓度等状况，确定有害气体的运移规律，并为盾构施工提供指导性的建议，确保顺利施工。

关键词：盾构施工;有害气体初判;专项勘察;钻探;静力触探

中图分类号：X831 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）10-0-04

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.10.146

Abstract：The existence of harmful gases brings huge potential safety hazard to shield construction，Serious threat to project quality and life safety of construction personnel. Preliminary judgment is made through jl269 series combustible gas leak detectors，Special survey of harmful gases in shaft area through drilling by using static sounding improvement equipment.Find out the causes， distribution types， concentrations，etc.Determine the migration law of harmful gases，And provide guiding suggestions for shield construction，ensure smooth construction.

Key words：Shield construction;Preliminary judgment of harmful gas;Special investigation;Drilling;Static penetration test

1 概述

2014年5月21日，中国石油与俄罗斯天然气公司签署了《中俄东线天然气购销合同》。此合同的签订将有效提升国内清洁能源的供应，对环境保护和经济发展产生深远的影响。中俄东线天然气管道工程境内段自黑龙江至上海，途径9省。其中长江穿越采用盾构隧道的方式穿越，穿越位置位于海门市经济开发区与常熟经济开发区之间。

长江穿越南岸竖井为接收竖井，内径16m的圆形，位于常熟市经济开发区姚家滩村。在竖井进行勘察施工过程中，发现有不明气体溢出，通过查阅资料以及分析论证，结合竖井的区域地质条件，初步认定为沼气，随后开展有害气体的初判及专项勘察。

2 有害气体的形成

2.1 竖井区域地质条件

勘察区位于长江三角洲平原近前缘地带，主要地层为第四系冲～海积地层，包括黏性土、粉土、砂土以及淤泥质土等地层。第四系底部厚约50m，为浅灰泥质粉砂层及砂质黏土层，中部厚约50～70m，为灰色泥质粉砂层，上部厚约70～110m，为浅灰色砂砾岩层。全新世以来，三角洲以每年平均40m的速度向海伸展，这有利于有机质快速堆积和埋藏，为长江三角洲浅层天然气的生产提供了丰富的物质基础。

根据钻探揭露、原位测试、室内试验成果综合分析，南岸竖井勘察区内地层岩性主要为第四系全新统河流相冲积地层（Q4al）及上更新统河流相沉积地层（Q3al），勘探深度内自上而下可划分为5个主要工程地层和6个亚层，场地各地层特征如表1所示。

2.2 有害气体的形成条件

有害气体是指土层中的有机质在厌氧微生物的作用下，然后通过一定的温度和压力，产生气态产物。此气态产物主要以甲烷为主，也叫浅层生物气，约占全球天然气含量的20%，具体如下式所示：

沉积物有机质+厌氧微生物一定的温度和压力 CH4+CO2+H2O

有害气体形成应具备以下三个条件：（1）具有富含有机物的地层，即生气层。（2）能够储存气体的地层，即储气层，一般为孔隙比较大的粉土层或砂层。（3）具有一定厚度并且能够封盖气体的地层，即盖层。一般为具有一定厚度的淤泥质土或黏性土层，淤泥质土同时具备生气条件，为生气层，在厚度较大的情况下亦为盖层。

3 有害气体勘察

3.1 安全防护措施

有害气体具有易燃、易爆、易中毒的特性，若在勘察施工过程中不引起足够重视，极易带来损失乃至威胁生命安全。因此，在盾构施工过程中必须采取相应的安全措施。（1）增强宣贯力度，提高安全防范意识。施工前，组织项目参与人员进行安全技术交底。（2）施工过程中严禁吸烟、严禁明火出现。（3）保证施工现场通风条件良好。（4）把相关安全管理规定落到实处。遵循“安全第一，预防为主”的原则，施工现场配备安全员，实时监督。（5）操作规范，保证零事故。技术员在现场进行技术指导。（6）安全规范使用柴油，柴油桶与储气装置之间保持25m以上安全距离。

3.2 初判及成果

根据勘察区的工程地质条件并结合邻区类似项目的勘察结果，对本勘察区可能遇到的有害气体进行了初判，并确定在钻探过程中全线采用“JL269系列可燃气体检漏仪”（图1所示），对所有钻孔进行初判，采用每个回次进行检测的方法，当发现有害氣体后再进行专项勘察。

对全部钻探孔的每一个回次都进行有害气体的初判，初判结果如表2所示。当仪器报警后再进行有害气体复判，即有害气体专项勘察。

3.3 专项勘察

3.3.1 测试孔布置

部署方案宜充分利用钻探详勘资料，在勘察区域内，有害气体勘探孔应最大程度遍布勘察区范围，并与勘探钻孔错开。考虑勘察区区域地质条件以及有害气体形成原因，其气囊范围的非连续性、非连贯性，布置有害气体勘探孔8个，相邻勘探孔间距小于10m。钻探孔及有害气体勘探孔部署情况如图2所示。

3.3.2 有害气体探测设备

针对本次勘察项目的特点，采用的探测设备由静力触探设备改装而成，其原理如图3所示。通过查阅文献，此改装后的设备在一些城市的地铁及城市地下工程施工过程中均有很好的应用效果，得到了广泛的认可。此装置探杆是中空的，探头为凿空的气体探头，探杆上部通过橡胶软管连接过滤罐，过滤罐内注有一定量的水，可以过滤有害气体夹带的泥浆。过滤罐顶端设置放气阀，放气阀与气压表及流量表相连，以探明含气土层的顶底板埋深及气体压力和流量等相关参数。经放气阀排出的有害气体进行点火燃烧，以免污染大气环境（图4）。并且收集有害气体样本进行专业分析，记录气体的排放情况，并绘制观测曲线，得到有害气体的大致分布情况。

3.3.3 有害气体探测施工流程

有害气体专项勘察施工现场如图5所示，其探测施工的具体流程如下：（1）将钻杆压入地下，用“JL269系列可燃气体检漏仪”检测是否有气体;（2）若存在有害气体，记录有害气体溢出的初始深度Ha，然后持续下压钻杆，直至无气体溢出，记录其终止深度Hb;（3）钻杆压至不再有气体溢出后，开始上拔，至（Ha+Hb）/2深度处停止，以该深度作为观测深度;（4）打开阀1和阀4，关闭阀2、阀3。静置5min后观察并记录气压表的初始读数P0;（5）打开阀3，开始放气，记录流量表初始读数K0;（6）每隔30 min记录一次气压表和流量表读数，直至气压表读数小于等于0.04MPa为止，试验结束。勘察过程中的废气经过滤罐的喷嘴点火燃烧，以免污染大气环境。

3.3.4 有害气体成分

采用双阀铝箔采样袋对GAS-5、GAS-6、GAS-7号孔的第一和第二层有害气体进行收集，并委托上海微谱检测技术有限公司进行专业检测，检测结果如表3所示。

通过专业检测可以发现，这些浅层有害气体主要为甲烷型，甲烷含量最多，比例占到79%～91%，其次是氮气，并含少量的氧气、二氧化碳等其他成分。

3.4 勘察结果分析

有害气体勘察结果如表4所示。

以GAS-6号孔和GAS-8号孔为例，绘制单孔观测曲线进行分析，包括气体流量和气体总量随时间的变化，以及气体流量和气压随观测时间的变化。GAS-6号孔气体流量、总量及气压的变化曲线如图6和7所示，GAS-8号孔气体流量、总量及气压的变化曲线如图8和9所示。从变化曲线可以看出，在有害气体排出的过程中，气体瞬时流量先升高，然后大约4h后开始下降，下降趋势近似呈线性关系。气体总量持续升高，最后趋于稳定。气压总体上呈下降趋势，整体也呈近似线性关系。一般排气1h后气压明显下降。当气体压力小于等于0.04MPa时，需耗时10h以上。

4 有害气体运移与成藏分析

综合勘察区地层及勘察成果，南岸竖井区域共发现2个气层，有害气体主要呈囊状分布于粉土或淤泥质粉质黏土层中，而且规律性较差。具体分析结果如下：第一个气层位于13～15m的深度。竖井钻孔所揭示的地层显示，0～25m主要为粉土和淤泥质粉质黏土，其中GAS-1号孔14m深度、GAS-5号孔14m深度、GAS-6号孔14m深度、GAS-7号孔14m深度以及GAS-8号孔14m深度的地层都为淤泥质粉质黏土，含有丰富的有机质，为有害气体的生成提供了物质基础，根据土工试验成果，0～25m地层中土样的孔隙比很小，无法形成有效的气体运移通道，故推断此层气为自生自储型，根据勘察结果，此气层的气量较大。第二个气层位于28～32m的深度，根据竖井钻孔勘察揭示，该深度范围为粉砂，其中GAS-1号孔28m深度、GAS-6号孔28m深度、GAS-7号孔26m深度、GAS-8号孔32m深度的地层都为粉细砂。粉细砂土层的孔隙度较大，气体有较好的运移条件。由于静探和竖井钻孔的深度有限，第二层气体以下的深度未钻遇到有机质含量丰富的地层。此外，勘察区域不存在流体封存箱，无法形成异常压力，故第一层烃源层生成的气体无法向下运移，因此，推断第二层气体为“古生新储”型，并且该层气体的烃源层位于钻孔深度以下的位置。根据勘察结果，此气层的气量很小。根据勘察区相关地质资料以及沉积地层的条件，推断南岸竖井区域第三个气层位于60～80m的深度，而且此气层为生气层。由于静探钻孔的深度有限，本次勘察未钻遇到此气层。推断此气层的气体沿着运移通道向上运移，并储集在30m左右埋深的砂层中。

5 有害气体平面展布分析

综合勘察结果，对勘察区有害气体进行横向分析，分别推断出第一层和第二层有害气体的平面分布情况，如图10和图11所示。其中红色区域表示有害气体高富集区，黄色区域表示有害气体低分布区。

综合第一层和第二层有害气体的分布，得到南岸竖井勘察区有害气体的平面展布情况，如图12 所示。

6 结论

通过本次有害气体勘察可以得到如下结论：（1）有害气体主要分布于粉土或淤泥质粉质黏土层中，呈囊状且规律性较差。在有害气体排出的过程中，瞬时流量和气体气压总体上都呈下降趋势，且大致呈线性关系。（2）有害气体为甲烷型，甲烷含量最多，其次是氮气，并含少量氧气、二氧化碳等。（3）本次勘察过程中共发现2个气层，第一个气层位于13～15m的深度，此气层为“自生自储”型且气量较大。第二个气层位于28～32m的深度，此气层为“古生新储”型且气量很小。

7 建议

有害气体的存在会给盾构施工带来巨大的安全隐患，通过以上分析，主要有以下几点建议：（1）盾构施工前，布置相应钻孔进行预放气。有害气体排放过程中要注意环保，充分燃烧后再排放。（2）施工时严格遵守安全规则，严禁吸烟与明火出现，并配备足够的灭火设施。（3）设立专职检测人员加强有害气体的检测。（4）保证施工现场通风条件良好。

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