川西藏东地区隧道围岩有害气体孕育机制及逸出风险评价研究

张吉禄,刘新荣,周小涵,*,祁占锋,刘瀚之,刘煜宇,孙 浩,吴 涛

(1.重庆大学土木工程学院,重庆 400045; 2.中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西 西安 710043;3.重庆交通大学土木工程学院,重庆 400074)

0 引言

根据隧道是否穿越煤层,可将隧道分为煤系隧道和非煤系隧道[1-2]。煤系隧道由于煤层位置较固定,在勘察设计、施工过程中可提前利用成熟技术手段进行预测,并有针对性采取防治措施[3]。随着隧道工程建设规模不断增大,穿越非煤系地层隧道有害气体突出事故也大量增加[4-6],原因在于:1)非煤系隧道有害气体来源复杂,受地层岩性以及构造影响显著; 2)非煤系地层有害气体分布具有随机性,且气体成分相比煤系隧道更为复杂; 3)学术界和工程界均缺乏对非煤系隧道有害气体的深入研究和清晰认识,因此无法在线路规划阶段或施工过程中针对性地进行预测与识别,尤其非煤系复杂地质构造地层中有害气体带来的各种问题和安全事故近年来已引起人们广泛关注。

隧道围岩有害气体逸出量及种类与穿越地层构造密切相关,诸多学者在岩层气体成藏机制及隧道围岩气体运移模式等方面开展了大量研究。其中,针对有害气体成藏机制,王万春等[7]基于气体烃类组分对浅层生物气藏成因类型进行划分,提出不同成因气藏判别方法; 李美俊等[8]基于区域地质演化特征对北部湾盆地CO2成藏机制进行分析,研究表明壳幔混合成因是研究区域CO2的主要生成途径,而断裂活动对高浓度CO2的聚集起到了控制作用; 庞雄奇等[9]对深层及超深层碳酸盐岩和砂岩油气藏地质特征进行总结,并在此基础上根据气藏成因将中国深层及超深层气藏划分为5种类型,并对不同类型气藏含气量进行了评价。在围岩有害气体运移模式研究方面,康小兵[10]基于非煤系地层有害气体孕育机制,提出了隧道有害气体逸出的3种模式:构造连通型、围岩变质型及复合成因型,并针对深埋隧道有害气体逸出评价给出建议;苏培东等[11]以大(理)临(沧)铁路红豆山隧道为例,结合隧道地质构造与现场监测,明确隧道内有害气体为岩浆-幔源及变质混合成因,断层既表现为储气作用,同时也是深部气体向浅层地表运移的通道;李科等[12]以鹧鸪山隧道为例对隧址区地质构造及现场瓦斯渗出参数进行分析,明确鹧鸪山隧道为围岩变质型瓦斯隧道,其瓦斯突涌主要受深埋地层上覆压力影响,千枚岩良好的储气条件为瓦斯突出提供了充足气源。

目前,针对隧道围岩有害气体成因及运移模式的研究多集中于具体隧道案例,对非煤系复杂构造地层有害气体的孕育与赋存机制尚未形成统一认识,尤其当隧道穿越构造活跃区时,由于勘探密度限制无法对有害气体工程影响形成定量评价。川西藏东地区在印度板块与欧亚板块的碰撞和持续压缩下产生大量断裂构造,地层岩性复杂多变。在极复杂地质构造条件下,地层内有害气体孕育机制及气藏分布尚不明确,隧道围岩有害气体运移模式复杂多变,因而现有研究成果无法为川西藏东地区隧道建设有害气体的预测与工程评价提供指导。

根据川西藏东区地质演化的相关研究成果,对区域内有害气体成因进行研究,基于地层岩性与地质构造特点对有害气体赋存及运移模式进行分析,明确区域内主要气藏类型及范围,建立隧道围岩高浓度有害气体逸出风险评价体系,以期为川西藏东极复杂地质构造地层隧道施工有害气体预测提供理论依据。

1 川西藏东地层演化及构造概述

1.1 区域演化及岩层分布特征

川西藏东地区主要地层包括:冈底斯—喜马拉雅地层大区、班公湖—怒江—昌宁板地层大区、羌塘—三江地层大区及扬子地层大区(如图1所示)。各地层区域在青藏高原演化中经历了不同程度的构造作用,区域内构造特点及岩层分布存在较大差异,区域内地层岩性如图2[13]所示。

图1 川西藏东地层分区

图2 川西藏东地区地层岩性分布

川西藏东地区冈底斯—喜马拉雅地层构造活动最为强烈,研究区域大部分为酸性—中酸性岩浆岩带,主要以喜山期、燕山期及元古宙花岗岩为主; 班公湖—怒江—昌宁构造地层是拉萨地体北部弧后一系列小洋盆地消亡遗留的残迹,地层内分布有浅滨相、滨海相、陆相等沉积,且未见高压—超高压变质岩; 羌塘—三江区域地层形成时间主要为三叠纪—白垩纪。其中,川西藏东地区分布最广泛的含煤地层主要形成于三叠纪,而南部地区形成少量侏罗纪沉积地层,在甘孜—玉树断裂带及龙门山断裂带周围形成了燕山期、喜山期酸性—中酸性岩浆岩带; 扬子地层由于二叠纪早期之后的沉积作用,主要以内陆湖盆沉积为主,沉积地层种类较多,沉积中分布含煤组合。

1.2 断裂构造分布特征

受印度板块的挤压作用,青藏高原构造活动强烈,板块过渡地带深大断裂发育密集。川西藏东地区主要为深大断裂构造,主要断裂带分布如图3所示。其中,雅鲁藏布江断裂带、怒江断裂带、金沙江断裂带、鲜水河断裂带属于岩石圈断裂,其余均为地壳断裂。区域内断裂带多以走滑为主,第四纪以来活动明显,且走滑活动速率较快(达5～10 mm/a)[14]。

图3 主要断裂带分布

1.3 地热资源分布特征

青藏高原在新构造运动下的急剧隆升造就下地壳深部熔融型岩浆源区和中部的局部低速熔融层;同时,在上地壳还存在浅成侵位岩浆囊和局部带状熔融体,形成青藏高原特有的“热壳冷幔”现象[13]。青藏高原大地热流整体上呈现“西高东低”的趋势(见图4)。热流值可在一定程度上反映地层内熔融体对浅层岩层影响,热流值越高表明熔融体作用越强烈或者与地表距离越近,川西藏东区域林芝—波密一带大地热流最为显著。

图4 大地热流分布

虽然藏东区域平均地温为中—低地热区,但是局部热害现象严重,高温异常区主要集中于断裂带附近呈“条”状分布,热泉出露点密集[15](见图5)。其中,藏东区域热泉带主要沿八宿—左贡—波密一线展布,川西区域热泉主要沿康定—理塘—巴塘一线展布[14,16]。

图5 区域地质构造与水热分布

1.4 矿产资源分布特征

川西藏东地区强烈的地质构造导致区域内分布大量矿产资源,如图6所示。川西藏东已探明的金属矿包括铜、铅、锌、汞等百余处,其矿脉多呈“带”状分布,集中于板块构造带附近,且在酸性-中酸性岩浆岩内、酸性岩浆岩与碳酸岩交汇处及砂岩沉积地层内赋存较多[17]。

图6 区域矿产资源分布

川西藏东煤炭及石油资源主要分布于盆地内,其中已探明煤矿主要集中于昌都盆地、北部羌塘盆地。按煤炭资源量划分,主要含煤地层依次为:早石炭世马查拉组,晚二叠世妥坝组、晚三叠世土门格拉组、巴贡组[18]。天然气石油资源出产地层种类众多,且与区域地质构造关系密切,无法一一列举,主要分布于羌塘地区。目前在泥页岩、砂岩与碳酸岩中发现石油较多,生油地层主要包括上侏罗统索瓦组、中侏罗统布曲组复合夏里组、巴贡组等,而页岩气主要分布于震旦系陡山沱组、大塘坡组、寒武系筇竹寺组等10余类地层[19]。

2 岩层有害气体孕育机制及组分特征

2.1 岩石伴生有害气体

2.1.1 岩浆岩

岩浆自深部向浅层地表入侵过程伴随着压力减小及温度降低,当岩浆岩中挥发组分丰度超出既定压力和温度条件下的溶解度时,就会发生脱气作用;脱气后,部分挥发气体将沿岩层裂隙或孔隙介质进行运移与储存,最终形成高浓度有害气体气藏。岩浆岩脱气组分按含量划分主要包括H2O、CO2、S(S2-、SO42-)及Cl等[20]。岩浆岩中不同岩石类型及矿物成分含量都会对脱气量产生影响。一般认为岩浆岩中气体含量从超基性、基性、中性到酸性依次减少。其中,CO2以碳酸盐与分子的形式存在于岩浆岩中,而硫化物主要存在于硅酸盐中。

酸性岩浆岩中SiO2含量(质量分数)最高(>63%),其与金属氧化物反应可生成硅酸盐,在脱气过程中金属矿物易从硅酸盐中出熔,从而形成金属矿脉,主要金属矿产包括钨、锡、铍、铜、铅、锌、铁、金、铌、钽、稀土等矿物。其中,锌、铅矿粉尘具有毒性,影响神经、血液系统及骨骼;铜矿伴生含硫气体也会危害身体健康。因此,对于酸性岩浆岩,其有害气体不仅来源于岩浆脱气,还来源于金属矿中的赋存。

中性岩浆岩中SiO2含量(质量分数)介于52%～63%,岩浆岩脱气过程也可形成多种矿脉,主要包括铁、铜、铅、锌等,但其储量要小于酸性岩浆岩。

基性(45%～52%)与超基性(<45%)岩浆岩中碱质含量高的碱性岩浆岩一般被认为是良好的CO2成藏地层。现有研究表明,碱性程度与CO2含量呈正相关,目前所发现的碱性岩浆岩气藏中碱性玄武岩的CO2含量最高[21]。

此外,岩浆岩中有害气体含量还与构造活动时间密切相关。构造活动时间越近,构造活动越强烈,一般高浓度有害气体含量也就越多。目前所发现的大型CO2气藏多形成于新生代时期[22]。

岩浆岩作为一种低孔隙度岩体,其自身就是良好的储气盖层。一般岩浆岩形成的有害气体多赋存于脱气岩层内,形成大小不一的气囊,在多期地质构造作用下气囊压力逐渐增加,其孕育及赋存示意如图7所示。

图7 岩浆岩孕育有害气体赋存模式

2.1.2 变质岩

川西藏东地区主要有害气体赋存变质岩为矽卡岩。矽卡岩主要形成于酸性岩浆岩与碳酸岩接触区域,是一种富矿岩石。一方面,矽卡岩在变质过程中因酸性物质与碳酸盐反应而释放大量CO2,形成CO2的富集,其中钙质矽卡岩的CO2含量最高。相关研究表明,矽卡岩化碳排放量不亚于火山活动释放CO2[23],部分矽卡岩形成过程CO2释放化学反应方程如表1所示。另一方面,矽卡岩是铁、铜、金、钨、锌、钼、锡等矿物形成的矿床,与金属矿相关的有害气体及剧毒矿物粉尘也容易在该类岩石中产生富集[24]。

表1 部分矽卡岩形成过程CO2释放化学反应方程

矽卡岩内CO2及其他有害气体的赋存量与矽卡岩变质过程热液活动频率及形成时间也存在较明显的联系。一般而言,热液活动越频繁、形成时间越晚,岩层内有害气体的释放量越大。

矽卡岩释放的CO2主要赋存空间分布与矿脉分布以及碳酸岩与岩浆岩接触带分布保持一致。由于赋存环境岩石为低孔隙度岩石,因此CO2在该类区域主要通过气囊形式赋存。此外,有少量气体在形成过程中以晶体包裹体形式赋存于岩石内部,其赋存模式如图8所示。

图8 变质岩孕育有害气体赋存模式

2.1.3 沉积岩

青藏高原特殊的演化历史使研究区域内沉积岩分布类型众多,川西藏东地区主要为海相沉积,其中煤矿、石油、天然气主要孕育于昌都盆地内[18-19],其伴生有害气体主要为CH4。其中煤层中的CH4以吸附态和游离态2种形式存在于大孔隙的煤岩内,当环境压力降低或温度升高时释放有害气体。而石油和天然气成因主要有无机成因和有机成因2种,其大量储存于页岩及泥岩等盖层中[25]。沉积岩地层典型有害气体赋存模式如图9所示。此外,研究区域内沉积岩也存在一定规模的金属矿,主要包括铁、铝、锰等,其中铁矿可伴生一定的CO、CO2及H2S,而其他种类金属矿有害气体富集现象不明显。

图9 沉积岩孕育有害气体赋存模式

2.2 深大断裂运移有害气体

断裂带内有害气体主要来源于深部地幔脱气及断裂带周围岩体内的岩层气体。断裂带对有害气体的运移主要体现在断裂带的扩散及对流作用[26],不同断裂深度及构造特征均对断裂带内有害气体种类与含量产生显著影响。

2.2.1 断裂带深度对有害气体运移影响

根据断裂带内深部有害气体赋存与运移模式可将断裂带有害气体赋存模式分为A、B、C 3种类型[11],见图10。其中,类型A为岩石圈断裂,通常切割深度可达到莫霍面或地幔,因此深部脱气产生CO2、H2S、SO2等气体可通过断裂直接运移至浅部并赋存;类型B为深层地壳断裂,其切割较深,虽然深部有害气体无法直接进入断裂内,但是断裂带下部高渗透性岩层及破碎带等为深部气体的运移提供了通道,因此,该类断裂带中通常也赋存一定深部有害气体,但是含量相较于岩石圈断裂一般较少;而类型C为浅层地壳断裂,其内一般不含深部有害气体,断裂带内有害气体主要由断裂带两侧岩层产生并于断裂带内富集,有害气体类型与周围岩层密切相关。

图10 断裂带有害气体赋存模式

2.2.2 断裂带构造对有害气体运移的影响

断裂带构造对有害气体的影响主要体现在不同断裂类型、断裂活动特征及断裂结构等方面[27-28]。不同断裂类型对裂隙渗透性存在影响,相同条件下,走滑断层一般渗透性更高,更有利于有害气体的运移,尤其相比逆断层,逆断层所形成的断裂一般为非开放性断裂。断裂活动对有害气体含量产生影响,断层滑动速率越快,说明构造活动越强烈,而有害气体含量与活动强弱及地震活动强度呈正相关。断裂结构对有害气体运移的影响主要体现在分支断裂深部有害气体含量总体低于主断裂。

2.3 水热循环运移有害气体

2.3.1 水热循环对有害气体赋存的影响

水热循环对有害气体运移的影响主要体现在高地温将加速裂隙内冷热水循环,而在水循环的同时也加速了深部气体向浅层地表的运移,但是不同地热分布特征及地下水循环模式对有害气体运移效果也存在较大影响。

地热对地下水循环的影响主要体现在地温与热源类型2方面。其中,地温增加将降低水中气体的溶解度,使更多气体处于游离态,也提高了岩层间有害气体的浓度;热源类型主要影响裂隙内冷热水循环效率,其中幔源、软流层热源主要通过加热深大断裂中的流体(水)来改变浅部地层温度的分布,区域地温分布特征表现为自断裂带向四周快速衰减。

深部热源加热的地下水热流值相对更高,对断裂内水的循环效率提升更高;而中部地壳熔融层热源、上地壳热源是青藏高原“热壳冷幔”的典型特点,在地层的挤压、剪切等构造运动作用下,该类热源通过热传导使区域内地层温度普遍升高,无论在断裂带还是岩体内温度差距均较小,且该类热流值相对深部热源较小,对裂隙水的加热效果及运移效率相对前者要低。

断裂带内地下水主要通过大气降水补给,冷水进入断裂带后,经高温加热向地表迁移而产生热泉。根据断裂带内水热运移模型不同,可将断裂带水循环系统分为5种类型[29](如图11所示)。类型Ⅰ,深大主断裂控制:该类水循环系统在深大断裂内运移,导热性能高,对深部有害气体运移效果好,受外界环境影响小。类型Ⅱ,次级断裂控制:水循环主要来自主断裂,是主断裂水循环系统的分支,其含水量、导热性能、深部有害气体含量等均低于主断裂。类型Ⅲ,次断裂与可溶岩控制:水循环来自主断裂,但是地下水分布、导热性能等受次断裂及可溶岩影响显著,且深度越浅受环境影响越大;循环过程水中物质与可溶岩反应易形成溶腔,进而赋存有害气体,但该类型水循环系统携带的深部有害气体含量相对类型Ⅰ较低。类型Ⅳ,深大主断裂与高渗透性岩石控制:水循环经高渗透性岩石进入主断裂,并经主断裂加热后携带深部有害气体从高渗透性岩石区域逸出,该类地下水循环系统导热性能较好,相比类型Ⅰ,地下水逸出通道富水量及有害气体含量较低,深部有害气体主要赋存于高渗透性岩石内部。类型Ⅴ,浅层断裂控制:水循环通过高渗透性岩石或裂隙进入断裂内,通常该类断裂带深度较浅,断裂带内水温受周围环境影响显著,其水循环系统基本不含深部有害气体,而类型Ⅰ深大主断裂控制水热循环对深部有害气体的运移效率最高。

图11 断裂带水热循环运移有害气体模式

2.3.2 水热循环运移有害气体模式

水热活动对断裂带内有害气体运移的影响主要包含2方面:1)当有害气体为可溶气体时,由于断裂带内富集地下水,深部有害气体溶于地下水,从高浓度向低浓度区域扩散,同时断裂带内水热循环也进一步加速了深部溶质向浅部运移的过程; 2)当有害气体为不可溶气体时,在断裂带水热运移的动力作用下该类气体与裂隙水形成水-气二相渗流,自深部运移至浅部地层赋存。断裂带运移有害气体模式如图12所示。水热活动运移有害气体与断裂带富集气体种类及来源一致,均为深部地层释放的有害气体。

(a) 可溶气体

对于非断裂带影响区域,地层热源类型以及地温分布也对有害气体赋存产生一定影响。研究表明:岩浆岩地层局部高地温现象与岩浆活动密切相关,岩浆活动程度越强烈、活动时间越晚,地温就越高,岩层内岩浆岩脱气伴生有害气体赋存的含量也就越高。

3 复杂地层有害气体逸出风险评价体系

3.1 地层主要有害气体赋存区域分布

根据岩石类型及地质演化划分,川西藏东地层赋存有害气体主要种类及分布如图13所示。岩层有害气体主要赋存于昌都盆地以西及龙门山断裂以东区域,其中,断裂带附近花岗岩地层主要赋存CO2、SO2、H2S等岩浆岩冷凝脱气释放的有害气体; 林芝东南部混杂岩带由于兼具沉积岩及岩浆岩等多种岩石,因此该区域岩石释放有害气体来源及成因众多,无代表性有害气体; 班公湖—怒江地层、羌塘—三江地层多以三叠系与白垩系沉积为主,比如盆地与昌都盆地的聚煤效应使该区域岩层内CH4产生大量聚集; 扬子地层内地层沉积时期分布广泛,但是在龙门山断裂附近存在较多油气资源,生油地层主要为二叠系及寒武系泥质灰岩及炭质页岩,并在隐伏断裂或各类盖层内富集,因此该区域岩层内也广泛分布CH4;在德格—甘孜—白玉附近存在较多铁、铜矿脉,故该区域岩石伴生CO2与SO2较多;在川西藏东区域内还零星分布有超铁镁质岩(基性岩),主要产生CO2有害气体。此外,在理塘西侧还分布有规模不等的锌铅矿,虽然不伴生有害气体,但是施工过程产生的锌铅粉尘对身体有毒性。

图13 川西藏东地层赋存有害气体种类及分布

断裂带赋存有害气体(CO2、SO2、H2S)区域划分主要参考断裂带热水影响区域进行,其中深部有害气体主要赋存于雅鲁藏布江断裂带、怒江断裂带、金沙江断裂带、甘孜理塘断裂带及鲜水河断裂带周围。

3.2 有害气体逸出风险评价方法

3.2.1 评价体系指标因素

川西藏东地质构造复杂,地层有害气体的赋存不仅有岩石孕育有害气体还有断裂带运移深部有害气体;不同环境有害气体孕育过程差异显著,且赋存模式与种类也存在明显差异,因此对岩层内有害气体赋存状态的评价需同时考虑地质演化、岩石类型、地层结构等众多因素。

根据川西藏东地质演化特点,建立复杂地质有害气体逸出风险评价体系(见图14),评价体系各因素分值通过对相关领域专家调查问卷获得。研究区域内隧道围岩高浓度有害气体逸出气源主要包括岩层孕育有害气体与断裂带运移有害气体2类。其中,岩层孕育有害气体主要赋存于多孔岩体储层或闭合裂隙内。开放型断裂带对岩层有害气体赋存能力较差,但是深大断裂为深部有害气体运移赋存提供了有利条件;而水热活动可在一定程度上加速地层内有害气体的运移效率或提高赋存含量,因此评价体系中地层岩性与断裂构造为主要控制因素。

图14 复杂地层有害气体逸出风险评价体系

地层岩性按照岩石成岩类型进行划分,主要分为岩浆岩、变质岩与沉积岩。岩浆岩孕育有害气体含量主要与岩石酸碱性质及成岩时期相关,岩石中碱度越高、形成时期越晚,有害气体储量越大。研究区域内变质岩孕育有害气体多发生于矽卡岩内,矽卡岩孕育有害气体含量与种类根据其产出矿物不同而有所差异,一般钙质矽卡岩内CO2含量较高。

矽卡岩矿物含量及有害气体储量均与热液活动呈正相关。沉积岩有害气体主要赋存于矿层及储气层内,按照不同矿物划分为油气储层、含煤地层、富矿地层及其他地层,当矿层大量聚集时,在矿层或高渗透性储气层内极易赋存高浓度有害气体。因此,沉积岩中有害气体含量与所处区域地质构造密切相关,盆地内沉积岩矿物储量最高,且有害气体赋存也最高。

断裂构造内有害气体浓度与种类主要受断裂带深度、活动速率及地层构造影响。其中断裂深度对断裂带有害气体赋存含量及种类影响最为显著,当断裂带深度达到岩石圈时,断裂带内赋存高浓度深部有害气体。通常断裂带的构造活动会使断层内有害气体含量出现突变,构造活动越频繁,深部有害气体通过断层向浅层地表运移的速率也越快。此外,断层地质构造也对有害气体的运移速率与含量产生影响,逆断层在挤压作用下断裂带裂隙闭合程度较高,其渗透率也相应降低,走滑断层产生的断裂一般较深,断裂带裂隙开度也较高,因此走滑断裂内有害气体含量一般高于其他类型断裂构造[30]。

水热分布对有害气体赋存含量及运移速率的影响主要受地下水循环模式控制,当地下水循环为深大主断裂控制时,断裂带内水循环效率最高。一方面地温影响地下水循环速度,地温越高断裂带内冷热水循环速度越快;另一方面,高温降低流体溶解度使更多气体随地下水运移进入岩层。

3.2.2 评价体系计算方法

体系按照各影响因素赋值高低划分为5个风险等级。其中,极低—低风险等级可在加强超前地质预报基础上按照一般隧道有害气体防治措施进行施工;中风险等级需对重点区段进行处理,主要通过加强通风与人员防护方式进行;高—极高风险等级需针对具体有害气体进行针对性处理,风险等级具体划分区段及对应措施见表2。评价体系计算方法为:

表2 复杂地层有害气体逸出风险评价等级与施工对策

Q=aQR+bQC+QW。

(1)

式中:Q为逸出风险评价值;QR为岩层有害气体逸出风险评价值;QC为断裂有害气体逸出风险评价值;QW为水热影响风险评价值;a与b分别为岩石孕育有害气体及断裂带赋存有害气体影响系数。

当有害气体主要为岩石伴生气体时,断裂带对气体赋存存在不利影响;当断裂带运移深部气体为主要有害气体时,周围岩层伴生气体对断裂带气体影响较小。因此,系数a与b有如下关系:

(2)

3.3 评价效果验证

某隧道位于雅安市,隧道穿越贡嘎山自然保护区,隧道施工过程发生高浓度有害气体突出,气体组分如表3所示。经现场检测,有害气体主要为CO2,体积分数达98.35%。隧道CO2逸出量监测如图15所示,隧道CO2最大日逸出量约为1.2万m3,检测期间内CO2总逸出量达6.4万m3,隧道掌子面前方50 m范围内CO2体积分数远超规范限值。贡嘎山受鲜水河断裂带活动影响显著,贡嘎山活动速率为5～6 mm/a,区域断裂分布密集,断裂类型多以走滑为主,岩浆岩多形成于新生代地壳局部熔融;有害气体突出区域隧道围岩岩石类型主要为英云闪长岩,为中性岩浆岩;经地勘揭示,隧道施工区段前100 m处存在断裂构造,断裂类型为浅层断裂,施工区域围岩分级为Ⅲ级,施工段处受断裂带影响较小。区域内有害气体成因主要包含:1)中性岩浆岩冷凝释放有害气体并储存于裂隙岩体内;2)断裂带富集有害气体通过岩石裂隙运移至周围岩层内并在构造作用下封闭、储存。开挖段揭露有害气体主要由因素1)产生。此外,现场局部还存在高地温现象,平均岩温约26 ℃,为低高温段。

表3 隧道围岩有害气体成分检测

图15 隧道CO2逸出量监测

通过上文评价方法对现场有害气体突出区段风险进行计算,得出有害气体突出段分数为64分,属高风险区段,计算结果与现场情况较为一致。

4 结论与讨论

1)川西藏东地区地质演化复杂,频繁的构造活动导致区域内岩层差异巨大,岩层孕育有害气体类型众多,主要包括岩浆岩脱气孕育气体、变质岩化学反应释放气体、沉积岩油气矿藏富集气体、金属矿伴生气体等。其中,岩浆岩中有害气体主要赋存于入侵通道形成的气囊内;变质岩孕育有害气体主要赋存于酸性岩浆岩与碳酸岩接触面以及金属矿附近;沉积岩孕育有害气体主要赋存于油气盖层内。

2)根据断裂构造深度与深部有害气体连通的状态,将断裂带划分为3种类型:岩石圈断裂、深层地壳断裂、浅层地壳断裂。根据循环方式不同,断裂带水热循环模式可归纳为5种类型:深大主断裂控制型、次级断裂控制型、次断裂与可溶岩控制型、深大主断裂与高渗透性岩石控制型、浅层断裂控制型,其中深大主断裂控制型水热循环对深部有害气体运移效率最高。断裂带对有害气体的运移主要分为可溶气体的物质扩散和不可溶气体的水力运移2类。

3)基于川西藏东地区地层岩性及断裂构造特征,对地层主要赋存有害气体种类及范围进行划分。其中,岩浆岩脱气孕育有害气体主要分布于林芝—波密以南和断裂带附近;CH4主要富集于昌都盆地;金属矿伴生CO2、SO2(其中SO2易氧化,因此赋存量较小)等有害气体主要分布于德格—甘孜—白玉一带。理塘以西矿产多以锌铅矿为主,虽无伴生有害气体,但是其矿物粉尘具有毒性。

4)川西藏东极复杂地质构造区域隧道前期线路规划尚无明确统一的评价体系适用于预测地层有害气体赋存种类与状态。根据研究区域地层岩性、断裂构造、水热分布特点,建立复杂地层有害气体逸出风险评价体系。其中,地层岩性主要考虑岩石类型、矿物成分、演化历史、位置区域等因素对岩层气体孕育的影响;断裂构造主要考虑断裂深度、构造类型及活动速率对深部气体释放的影响;水热分布主要考虑地下水循环模式、地温分布及热源类型等对有害气体运移效率的影响。该评价体系充分考虑了复杂地质构造区域地层演化及构造活动等对有害气体赋存-运移的影响,体系根据隧道开挖高浓度有害气体逸出可能性划分为5个风险等级,并针对不同逸出风险提出了相应防治建议。

本文研究基于不同岩石演化及地质构造孕育有害气体特征,对穿西藏东地区多种有害气体赋存分布进行了划分,并建立了复杂地层有害气体逸出风险评价体系。该评价体系主要用于预测地层内有害气体赋存可能性,然而隧道内有害气体浓度不仅与地层气体富集含量有关,同时也与隧道掌子面大小、环境通风以及气体逸出速度等多方面因素有关,后续研究将针对不同有害气体储层状态以及隧道设计因素对有害气体浓度影响进行研究。