含沼气地层中气体运移对隧道结构的影响分析

刘桂荣

（上海市基础工程集团有限公司，上海 200438）

0 引言

我国长江中下游及东南沿海地区的湖相、河流相及海相的沉积平原地层中，广泛分布着甲烷为主的生物气（俗称“沼气”），气体运移、富集在砂层透镜体或砂层顶部，从而形成埋深从几十米至百余米的第四系浅层天然气藏［1］。当隧道穿越富含沼气地层施工时，若处置不当，可能造成有害气体泄漏，导致安全事故。由于受目前勘察条件所限，很难预先精确探明沼气分布范围和状态，因此在富含沼气的地层中建造地下隧道存在较高的施工风险［2-4］。

近年来，不少沿海、沿江隧道工程在建设过程中遇到了有害气体问题，例如上海竹园污水排放口顶管隧道施工期间，浅层气连同泥水向顶管隧道内突然涌出，使隧道坍塌，造成重大事故［5］；广州地铁 3 号线盾构施工时 3 名作业人员因甲烷中毒身亡；当有害气体逸至隧道内达到一定浓度，可能遇明火引发火灾或爆炸。此外，气体在地层中的汇聚和逸散将引起地层变形，可能对隧道结构产生附加内力和变形。但由于涉及到非饱和土、多相流下的力场-流场耦合等复杂问题，相关的量化分析还鲜有研究和报道。

本文依托上海市天然气主干管网崇明岛-长兴岛-浦东新区五号沟 LNG 站管道工程的过江隧道，分析有害气体在地层中的生成和运移特征，建立了地层-有害气藏-隧道结构的有限元数值分析模型，基于固-液-气三相耦合控制方程，模拟隧道周围含气藏的生成与逸散场景，并分析气体运移过程中的地层变形与隧道结构受力性状的变化规律，并与隧道衬砌结构受力设计值进行比较。

1 背景工程介绍

如图 1 所示，上海市天然气主干管网崇明岛-长兴岛-浦东新区五号沟 LNG 站管道工程的过江隧道，分为 A 线隧道（崇明岛工作井～长兴岛北工作井）和 B 线隧道（长兴岛南工作井～浦东曹路工作井）。其中，B 线隧道长约 6 931 m，采用盾构法施工，内径 3.4 m，外径 3.96 m，采用单层衬砌，隧道衬砌由钢筋混凝土管片构成，混凝土强度等级为 C55，抗渗等级为 P12。

图1 过江隧道示意图

工程所在的长江北港水域有多处区域浅层气分布情况异常，在施工期间通过便携式可燃气体探测仪检测到有浅层沼气溢出情况。结合对区域浅层沼气分布特征的分析，初步判断隧道沿线第 ⑤1-1层下部、⑤2层、第⑤3-1层、第 ⑤3-2层以及第 ⑤3-2层为可能的浅层沼气储气层。

2 上海及周边地区沼气地层的性状特征

根据相关地勘报告，上海长江口地区浅层沼气最小埋深 8 m，最大埋深 30 m 左右，浅层沼气主要有两个层位，其一为 20 m 以上气层，分布在地质历史时期海侵最大时形成沉积层内（海相层），气藏一般呈交互状的扁豆体出现，储气层以贝壳、贝壳砂层为主，构成埋藏最浅的储气层；其二处于埋深 25 m 左右，为上部海相层沉积，受中部陆相层顶部起伏的控制，主要储气层为砂层，一般呈透镜体或单向尖灭体出现。

气体在地下水溶解量随压力增加、随温度降低而增大，其扩散与地层的渗水特性有关［7］。在淤泥质土层中产生的有害气体不断在土中运移并部分溶于地下水，当水中的气体达到饱和后，部分气体开始游离于土体孔隙中，并逐渐在砂层积聚。若盖层的封盖效果较好，气体以侧向迁移为主，最后在储气层集中成藏；如封盖不严，气体则以向上垂直运移为主，产生气体逸散。储气层中的浅层气侧向运移补给特点，将导致沼气不能完全彻底释放，局部存在囊状气团。施工放气虽可使气压显著降低，但经过一段时间气体可能再次聚集［8，9］。

3 分析理论与计算模型

3.1 固液气三相耦合分析模型

为了分析沼气汇聚和逸散过程中地层和隧道结构的力学响应，将土体视为由固相骨架、液相水体和气相空气组成的三相孔隙介质，并基于多孔介质理论和连续介质力学原理，建立考虑土骨架变形、水体流动和气体传输的三相耦合分析模型。

模型的主要假设包括：①土体为均质材料；②孔隙水不可压缩；③不考虑土-水特征曲线的滞后特性；④忽略空气在水中的扩散、空气在液相中的溶解以及水蒸气的影响；⑤不考虑相变过程，液相水和气相液体满足广义达西定律；⑥土体颗粒的密度与流体压力和体积变形有关，而水体和空气的密度则分别是孔隙水压和孔隙气压的函数。

为了建立非饱和土固液气三相耦合控制方程，将三相非饱和土（含固相骨架、孔隙水和孔隙气）这一多孔介质等效为连续介质，随后分别从等效多相系统的动量守恒方程和质量守恒方程出发，建立非饱和土固液气三相耦合过程的控制方程组，方程组的基本未知量为位移、孔隙水压力及孔隙气压力。结合土体本构关系、有效应力原理和土-水特征曲线，并赋予相应的初始条件和边界条件（包括第一类 Dirichlet 条件和第二类 Neumann 条件），非饱和土固液气三相耦合的工程问题可通过 Comsol 程序进行求解。

3.2 数值建模

根据依托工程的地质勘探报告，选取隧道过江段的典型地质剖面进行二维建模，地层分布如图 2 所示。

图2 隧道及含气地层的模型简图（单位：m）

隧道中心点距地层表面为 20 m，隧道内径 3.4 m，隧道管片厚度 0.28 m。利用对称性取隧道结构的一半进行建模，模型计算域宽度取 45 m。由于缺乏地层中沼气分布范围的准确数据，在此考虑最不利工况，假设气藏包裹着隧道结构，气藏截面大致呈上窄下宽的梯形。隧道结构及气藏处的局部计算网格如图 3 所示。

图3 含气藏地层的二维地层模型网格划分

土体采用扩展巴塞罗那非饱和土本构模型［10，11］，参数参照地勘报告和相关工程案例，不同地层的物理力学参数如表 1 所示，与两相流分析相关的计算参数如表 2 所示。

表1 地层参数

表2 两相流分析的模型参数

考虑气体汇聚与逸散两种工况。为考虑沼气存在的不利影响，假设气藏下底面为浸润线，即该位置以上为非饱和区域，以下为饱和区域，此时气藏中的气体达到常压条件下能够稳定储藏的最大量。假设沼气只赋存于气藏内，气藏内部各处气压连通，由于气体质量的存在，气压沿高程方向线性变化，但气体密度远小于水相密度，气压在气藏内部的变化可忽略。在饱和-非饱和界限处，水相饱和度为 1，基质吸力为 0，气压与水压相等；在饱和-非饱和界限以上，气压线性减小。初始的气压pg0计算如式（1）所示。

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式中：pg0为初始气压，Pa；Z为深度，m；h为土层上方的水深，m；m为土水特征参数。

4 计算结果分析及建议加固措施

4.1 气体汇聚工况

1）地层变形。

在气体汇聚过程中，根据场地的潮位数据，取水深为 17.2 m，根据式（1）计算得到气藏内的气压初始值为 0.389 MPa。随着时间的推移，气藏中的气体逐渐积聚，气压增至 0.546 MPa。

随着气体在气藏中汇聚，隧道周围的土体产生相应位移。在含气地层中沿竖向自下而上均匀设置 5 个监测点（见图 2），各监测点在气体汇聚过程中的竖向位移变化如图 4 所示。随着气藏含气量增大和气压升高，隧道周边土体抬升量增加，其中监测点 5 处的抬升量最大，当气藏内气压达到 0.546 MPa 时，该点处的竖向位移量约 7 mm。

图4 气体汇聚工况下隧道周围土体的竖向位移变化

2）隧道结构的受力性状。在气体汇聚过程中，土体附加变形导致隧道衬砌结构的受力性状发生变化，引起内力增加。当气体汇聚至气压为 0.546 MPa 时，每延米隧道的衬砌结构内力分布情况如图 5 所示。其中，隧道衬砌结构的最大正弯矩为 54 kNm，约为设计值 50 %，最大负弯矩为 99 kNm，约为设计值得 87 %。隧道衬砌结构所受轴力最大值为 2 032 kN，按 C55 混凝土抗压强度估算，每延米衬砌结构所能承受的最大轴力约为 9 940 kN。该计算工况下衬砌结构的弯矩及轴力均未超过设计允许值，衬砌结构安全。

图5 气体汇聚工况下衬砌结构的内力分布

4.2 气体逸散工况

1）地层变形。在气体逸散工况中，仍假设初始水深为 17.2 m，即气藏中的气压初始值为 0.389 MPa。随着时间的推移，气藏中的气体发生逸散，达到再次稳定时，气藏中的气压为 0.347 MPa。

图 6 为气体逸散工况下隧道周边土体的竖向位移变化情况。随着地层中气体不断溢出，气压下降，地层产生逐渐增加的竖向沉降，其中监测点 5 处的沉降最大，当地层中的气压降至 0.347 MPa 时，该处沉降量约为 2 mm。

图6 气体逸散工况下隧道周围土体的沉降变化

2）隧道结构的受力性状。当气体逸散至气压达到 0.347 MPa 时，每延米隧道的衬砌结构内力分布情况如图 7 所示。其中，隧道衬砌结构的最大正弯矩为 46 kN·m，最大负弯矩为 87 kN·m，分别为设计值的 43 % 和 79 % 左右。隧道衬砌结构的轴力最大值约 1 842 kN，为衬砌结构所能承受最大设计轴力的 18.5 %。衬砌结构的弯矩及轴力同样均未超过设计允许值，衬砌结构安全。

图7 气体逸散工况下衬砌结构的内力分布

4.3 建议应急加固措施

根据相关施工经验，并结合对气藏区域隧道外周土体注浆加固后隧道地层及衬砌受力数值模拟分析，隧道外周加固土体可明显减少隧道周围地层位移和衬砌受力值。因此管片需考虑预留附加注浆孔，当气体汇聚及逸散过程引起的隧道周围土体变形及衬砌结构受力较大时，并出现超过设计值趋势情况，应及时采取由隧道向外周围岩注浆加固的措施，必要时选择双液快凝型浆液，可有效降低工程风险。

5 结语

本文依托背景工程，建立了非饱和土固液气三相耦合分析模型，对隧道周围气藏的气体生成和逸散过程进行了数值模拟，重点分析了气体运移过程对隧道周围土体变形和隧道结构受力性状的影响，验证了该工程施工中在气体汇聚与逸散下隧道结构受力的安全性，并经分析提出了当隧道衬砌出现较大受力工况时的应急加固措施，为背景工程在富含沼气区域实现盾构隧道顺利掘进提供了理论计算依据和安全保障，对后续长江口及长三角区域富含沼气地层中类似隧道施工具有重要的参考和借鉴意义。Q