成都地铁30号线浅层天然气分布特征及危害研究_汪意凌.pdf

随着我国城市化进程的逐渐加速，隧道与地下工程的建设技术得到了巨大发展，但隧道建设所带来的工程问题也逐步凸显，亟待解决。目前，我国许多大城市在开展隧道工程建设时，都曾遭受到高质量收稿日期：2023-01-01作者简介：汪意凌，男，在读硕士研究生，主要研究方向为有害气体。引文格式：汪意凌，苏培东，张升文，等.成都地铁 30 号线浅层天然气分布特征及危害研究 J.市政技术，2023，41（5）：164-169，194.（WANGY L，SU P D，ZHANG S W.Study on the distribution characteristics and hazards of shallow natural gas in Chengdu Metro Line 30 J.Journal of municipal technology，2023，41（5）：164-169，194.）文章编号：1009-7767（2023）05-0164-07第41卷第5期2023年5月Vol.41，No.5May 2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.05.164Journal of Municipal Technology成都地铁 30 号线浅层天然气分布特征及危害研究汪意凌1*，苏培东1，张升文2，何川2，李有贵1（1.西南石油大学 地球科学与技术学院，四川 成都 610000；2.中铁二院（成都）建设发展有限责任公司，四川 成都 610031）摘要：浅层天然气的存在对成都市多条地铁线路都造成了威胁，且其分布规律难以准确探明和预测，是地铁施工的高风险源和研究难点。因此，依托成都地铁 30 号线星月站光明站区间，通过资料收集、现场测试与室内试验，研究了浅层天然气特征和危害分区。研究表明：浅层天然气主要成分为甲烷，为深部天然气沿双流隐伏断层向上运移，在浅部白垩系地层节理裂隙发育处缓慢聚集而成；研究区浅层天然气质量浓度在平面上呈中段高、两端低，纵向上随着地层深度的增加，质量浓度呈增加趋势；星月站光明站区间为高浅层天然气隧道，其中 ZDK13+868ZDK13+949 段为高浅层天然气区段，ZDK13+949ZDK14+030段为低浅层天然气区段，可通过研究对该区段进行浅层天然气危险等级分区，以便优化地铁隧道工程勘察流程。关键词：地铁隧道；浅层天然气；分布特征；危害分区中图分类号：U 458；P 618.13文献标志码：AStudy on the Distribution Characteristics and Hazards of Shallow NaturalGas in Chengdu Metro Line 30Wang Yiling1*，Su Peidong1，Zhang Shengwen2，He Chuan2，Li Yougui1（1.School of Earth Science and Technology，Southwest Petroleum University，Chengdu 610000，China；2.CREEC（Chengdu）Construction and Development Co.，Ltd.，Chengdu 610031，China）Abstract：The existence of shallow natural gas poses a threat to many metro lines in Chengdu.Its distribution patternis difficult to be accurately detected and predicted，which is a high risk source and a difficult research point for metroconstruction.Based on the interval between Xing Yue Station and Guangming Station of Chengdu Metro Line 30，thecharacteristics and hazard zoning of shallow natural gas were studied by data collection，field tests and indoor trials.The study shows that the main component of shallow natural gas is methane，which is transported upward along thedual-flow buried fault from the deeper part of the natural gas and gathered slowly at the joint fracture development ofthe shallow Cretaceous strata；The mass concentration of shallow natural gas in the study area is high in the middlesection and low at both ends，and increases with the increase of stratigraphic depth in the longitudinal direction；The interval between Xingyue Station and Guangming Station is a tunnel with high gas content.The section ofZDK13+868ZDK13+949 is a high gas working area，and the section ZDK13+949ZDK14+030 is a low gas work鄄ing area，which can be studied gas hazard level zoning to optimize the survey process of metro tunnel engineering.Keywords：subway tunnel；shallow natural gas；distribution characteristics；hazard zoning第5期浓度浅层天然气的威胁1，其中成都市地下工程建设主要穿越非煤系地层。非煤系地层浅层天然气与含煤系地层瓦斯存在着本质的差异，前者具有高度随机性，浅层天然气的逸出速度、赋存温度和逸出压力等因素对其分布都具有较大影响，因此，在探测前期难以精确发现和预报2。为了降低非煤系地层浅层天然气给隧道施工带来的风险，让隧道施工更加安全、高效，对浅层天然气的分布特征进行研究具有重要意义。最早浅层天然气作为可开采能源为人们所研究，但并未过多涉及其对于隧道工程的影响。由于当时相关从业者未对非煤系地层浅层天然气赋存特征及分布规律等进行详细的研究，致使我国出现了多起由于非煤系地层浅层天然气产生的瓦斯燃爆事故，因此多位学者开始对浅层天然气进行研究，并取得了一些成果。笔者则依托成都地铁30号线星月站光明站区间进行有害气体监测。有害气体监测分为现场钻孔浅层天然气质量浓度测试和室内试验，现场钻孔浅层天然气质量浓度测试又分为聚气监测与分层检测2种。该项工作的目的在于探明研究区浅层天然气平面及纵向分布特征，并进行平面与纵向的危害分区，最后对勘察阶段以及研究阶段危害分区进行对比，以便优化成都地区受浅层天然气危害隧道勘察流程，为同类工程提供借鉴。1油气地质背景1.1工程概况成都地铁30号线一期工程共设23站、24区间，星月站光明站区间是该工程的第4个区间。1.2地质背景该工程所处地层为第四纪堆积层，其分布广泛，地层岩性复杂程度不高，第四纪全新世人工填土（Q4ml）在其表面覆盖，沿级阶地周边分布第四纪全新世冲积层（Q4al）粉质黏土、砂类土、卵石土及漂石，级阶地场区分布第四纪晚更新世冰水堆积、冲积层（Q3fgl+al）黏性土、砂类土、卵石土及漂石，级阶地场区主要分布第四纪早、中更新世（Q1+2fgl+al）冰水堆积、冲积层黏性土夹卵石土、砂类土及卵石土，下伏基岩为白垩纪中白垩世灌口组（K2g）泥岩、砂质泥岩，泥岩局部夹灰绿色斑点状、条带状及薄层状石膏。1.3油气背景该工程沿线位于川西北气区，区内油气资源丰富，发育有从震旦纪至侏罗纪的多套油气藏。而拟建的川西北部气区是四川盆地浅层天然气分布区，储层地质为河、湖相砂体和水下扇砂体，砂层厚度不一，孔隙率为4.19%10%，在该区不同构造上产层不完全相同。根据已有研究成果可知，该区域内主要浅层气田的气源来自于下伏上三叠统须家河组3。2现场测试与室内试验2.1现场测试方法与结果2.1.1聚气监测聚气监测的目的是揭示钻孔部位地下浅层天然气质量浓度的最大值，同时通过浅层天然气质量浓度上升曲线分析地下浅层天然气聚集规律。具体实施方式是：在钻孔施钻完成后，立即对孔内进行浅层天然气质量浓度检测，记录当前检测时间以及质量浓度值，然后立即对钻孔进行封孔处理；间隔一段时间（1530 min）后检测孔内浅层天然气质量浓度并记录间隔时间，继续封孔；封孔24 h后再次检测孔内浅层天然气质量浓度。根据检测结果统计孔内最大浅层天然气质量浓度并绘制浅层天然气聚集曲线，得到天然气质量浓度规律以及聚集规律。研究期间共对10个钻孔进行了30次聚气监测试验（每个钻孔均进行了3次不同时间的聚气监测试验）。聚气监测统计见表1。2.1.2分层检测分层检测主要是通过对纵向地层不同深度中浅层天然气质量浓度分布特征进行分析，据此确定拟建隧道施工穿越地层时，其所在深度浅层天然气含量情况，探究其受浅层天然气质量浓度影响的程度。其中分层检测分为2层检测、3层检测、多层检测等，具体检测层数可以根据实际情况灵活调整。笔者所用的是2层检测，具体实施方式是：当钻机钻至拟建隧道底板所在位置时，将隔气套管下至基岩表面，进行第1次测试，通过测试得到隧道底板以上地层中浅层天然气质量浓度的信息；当钻机钻至终孔深度时，将隔气套管下至隧道底板位置，进行第2次测试，得到隧道下伏地层中浅层天然气质量浓度的信息。研究期间，研究区内分层检测的钻孔共计6个，并累计完成了28个气体测试。分层检测统计见表2。汪意凌等：成都地铁30号线浅层天然气分布特征及危害研究165Journal of Municipal Technology第41卷由表2可知，浅层天然气质量浓度呈现随底层深度的增加而逐渐增加的趋势。2.2室内试验与结果室内试验主要为现场取气样进行气体组分检测，再根据室内试验得到的样品数据，证明现场测试结果的真实性。研究期间一共采集了15个气样，检测结果见表3。由表3可知，研究区内浅层天然气主要成分为甲烷，其他烃类气体质量浓度较低。表3结果与表1、2结果基本一致，表明现场测试数据准确性与精度都达到了研究的要求，因此可以对现场测试数据进行合理的分析。3浅层天然气分布特征及危害3.1分布特征3.1.1平面分布特征钻孔分布见图1，钻孔浅层天然气检测最大值见表4。孔号测试深度/m封孔时间浅层天然气质量浓度/（mg/m3）孔号测试深度/m封孔时间浅层天然气质量浓度/（mg/m3）M30-WSPF-01M30-WSPF-03M30-WSPF-04M30-WSPF-06M30-WSPF-0723.923.624.022.322.50 min20 min24 h0 min20 min24 h0 min24 min24 h0 min10 min24 h0 min27 min24 h549364132541 586561073 416943 51221 00018134127 000M30-WSPF-09M30-WSPF-13M30-WSPF-14M30-WSPF-15M30-WSPF-1824.325.325.525.025.00 min