川中地区隧道有害气体致灾机理研究.pdf

文章编号-0087-06NO.6(Ser.297)JOURNAL OF RAILWAY ENGINEERINGSOCIETY第6 期(总2 9 7)Jun2023报程学道铁2023年6 月川中地区隧道有害气体致灾机理研究张营旭苏培东2陈明浩1李有贵（1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都6 10 0 3 1；2.西南石油大学，成都6 10 5 0 0）摘要：研究目的：随着川中遂宁与资阳地区隧道工程的不断建设，有害气体问题逐渐突出。为了降低川中遂宁与资阳地区隧道的有害气体风险，本文以川中遂宁与资阳地区构造资料、地层资料、油气地质资料为基础，结合隧道勘探与有害气体测试成果，对川中遂宁与资阳地区地质特征与油气特征进行研究，探讨区内隧道有害气体的致灾机理研究结论：（1)川中遂宁资阳地区下伏多套油气储层，油气资源丰富，隧道有害气体来源丰富；（2）研究区有害气体运移模式以节理裂隙连通型为主，层理连通型为辅；（3）研究区背斜宽缓且核部遭受剥蚀，背斜构造储集有害气体较差，有害气体储集空间主要为节理裂隙与砂岩，泥岩为有害气体的盖层；（4）区内有害气体富集能力普遍较差，表现为大部分测试钻孔内有害气体浓度低，有害气体分布随机性强；（5）本研究成果可为四川盆地类似地层与构造区的隧道有害气体勘察与设计提供参考。关键词：川中地区；有害气体；致灾机理；隧道工程减灾；应对措施中图分类号：U212.22;U25文献标识码：AResearch on the Disaster-causingMechanism1 and CountermeasuresofTunnel Harmful Gas in Central SichuanZHANG Yingxu,SU Peidong,CHEN Minghao,LI Yougui?(1.China Railway Eryuan Engineering Group Co.Ltd,Chengdu,Sichuan 610031,China;2.Southwest PetroleumUniversity,Chengdu,Sichuan 610500,China)Abstract:Research purposes:With the continuous construction of tunnel projects in Suining and Ziyang areas of centralSichuan,the problem of harmful gases has gradually become prominent.In order to reduce the risk of harmful gases intunnels in Suining and Ziyang areas of central Sichuan,this paper studies the geological and oil and gas characteristics ofthe area based on structural data,stratigraphic data,and oil and gas geological data combined with tunnel exploration andharmful gas testing results,and explores the disaster-causing mechanism of harmful gases in tunnels in the region.Research conclusions:(1)The lower multiple oil and gas reservoirs are abundant in the Suining-Ziyang area ofSichuan,and there is a rich source of harmful gases in tunnels.(2)The main mode of harmful gas transportation in thestudy area is through joint fissures,with stratigraphic continuity as a minor factor.(3)The anticline in the study area iswide and gentle,and its core has been eroded.The structural storage of harmful gases in the anticline is poor,and thestorage space for harmful gases is mainly composed of joint fissures and sandstones,while mudstone serves as the coverlayer for harmful gases.(4)Harmful gas enrichment is generally poor in the area,characterized by low concentrationsof harmful gases in most tested boreholes and strong randomness in the distribution of harmful gases.(5)The researchresults can provide reference for the investigation and design of harmful gases in tunnels in similar strata and structural*收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 9基金项目：中铁二院工程集团有限责任公司科技开发项目（KYY2018016，K Y Y 2 0 19 0 6 5）*作者简介：张营旭，19 8 5 年出生，男，高级工程师。2023年6 月报程学道铁88areas of the Sichuan Basin.Key words:central Sichuan;harmful gas;disaster-causing mechanism;tunnel engineering disaster reduction;countermeasures随着成渝地区双城经济圈的建设与发展，川中地区的遂宁市与资阳市，这个连接成都城市群与重庆城市群的“桥梁”，正快速发展为成渝地区的交通枢纽，该地区已建有成安渝高速、遂宜毕高速、成渝环线高速等多条高速公路（图1），规划建设成渝中线高速铁路、绵阳遂宁内江铁路、遂内高速等多条铁路与高速公路。N川北低平构造区元市川中低平构造区川东高#构造区巴中市1川西南低缓构边区1川南低陡构边区绵阳市德阳市达州市南充市成都市遂宁市广安市眉山市资阳市雅安市乐山市内江市重庆市节自贡市泸州市宜宾市注：研究区范围；铁路；150300600高速km图1研究区地理位置川中的遂宁与资阳地区地处的四川盆地是国内外著名的含油气盆地，其油气产层多，天然气资源尤为丰富 】，川中地区也分布有众多的油气田及含油气构造 2 。然而从穿越龙泉山含油气构造的炮台山隧道、洛带古镇隧道等多个隧道施工情况来看，穿越油气田及含油气构造区的隧道可能遭受有害气体的危害 3.4。地处资阳市安岳县的成渝中线荣家湾隧道在钻孔中发现孔内有害气体大量涌出的现象，表明研究区内隧道施工也存在有害气体威胁。由于遂宁与资阳地区地形较为平缓，既有隧道普遍以浅埋短隧为主，有害气体的保存条件差，目前该地区的隧道勘察与施工中仅有1个隧道揭示了高浓度的有害气体，国内外对川中地区隧道有害气体的研究甚少。随着该地区交通的进一步发展，以后修建的隧道长度更长、埋深更深，导致施工过程中有害气体的风险进一步提高。因此,为了降低川中地区隧道施工中的有害气体风险，本文以川中区域构造资料、地层资料、油气地质资料为基础，结合勘探与有害气体测试成果，对川中遂宁与资阳地区地质特征与有害气体特征进行研究，分析隧址区地层中有害气体的致灾机理，并提出相应的应对措施。1地质概况1.1地质特征研究区所处的四川盆地位于扬子地块西北缘。盆地四周被造山带所包围，北缘为米仓山一大巴山前缘褶皱带,南部为大?山冲断带，西接龙门山构造带，东部紧邻齐耀山褶皱带 5 盆地内部深大断裂划分为川西坳陷区、川中隆起带及川东高陡褶皱区三个二级构造单元。研究区位于四川盆地二级构造单元一一川中低平构造区（也称川中隆起）。研究区距深大断裂均较远，构造对研究区的影响小。从地形地貌特征来看，研究区地势较为平缓，地貌以低山丘陵为主。从地层特征上来看，四川盆地地层在垂向上较为完整，地层产状平缓,地表出露的地层较为稳定，如图2、图3 所示，研究区出露的地层主要为三叠系上统蓬莱镇组（J3p）与遂宁组（J3s）砂泥岩，地层岩性组合有利于有害气体的储集。禁岭构造带华北地块N松潘甘孜构造带金华酒田射洪县四盆蓬溪县扬子地块桂花油田康消海北带大英县船山区蓬莱构造置A市气伊安居区乐至县注：地名：雁江区安岳县+测试钻孔福皱；油气田及含油气构造：第四系：白圣系下统：休罗系中统；0153060保罗系上统km图2研究区地质简图从构造特征来看,研究区褶皱宽缓、浅表断层不发育,区内有害气体的运移通道与储集构造少。受构造应力的影响，研究区内地层发育倾角为7 0 8 0 的高陡平面X型节理，这些节理与裂隙可以作为油气的运移通道与储集空间1.2油气特征研究区油气资源丰富，研究区内分布有金华油田、安岳气田等多个油气田，根据油气田勘探开发资料（表1），研究区内油气田开采深度均大于10 0 0 m，在隧道穿过的浅表地层(0 2 0 0 m)还未揭示油气藏。张营旭陈明浩等：川中地区隧道有害气体致灾机理研究苏培东第6 期89海拔/mAA0JJS500J51000Jz-J2X1500TaxjTi-T.l20002.500Tf-基底30003500基底4000注：口断层10km图3研究区剖面简图表1 石研究区油气田基本特征油气田最浅开采层埋深/m备注秋林构造沙溪庙组1 500位于研究区西北侧金华油田大安寨段2.300位于研究区内桂花油田大安寨段1 500位于研究区内蓬莱构造须家河组2.500位于研究区内遂南气田须家河组2.500位于研究区内安岳气田须家河组2.500位于研究区内由于研究区地层较完整，区内发育多套油气生储盖地层组合（图4），自上震旦统灯影组（Z,dy）到中侏罗统沙溪庙组(J2s)均有分布。其中,须家河组以下地层均埋深超过1 0 0 0 m，在缺乏深大断裂构造的前提下，深部地层的油气难以运移至隧址区地层，本文主要论证浅表的须家河组、自流井组与沙溪庙组油气储层对隧址区地层的影响。地层厚度岩性剖面烃源岩储层盖层界系统组代号/m中蓬莱镇组J:P400500上统遂宁组J:S390410罗生沙溪庙组J25350460中统新田沟组J2x103276系中下统自流井组J-22150160下统珍珠冲组Jiz131272界叠上统须家河组Txi210400系图4研究区浅表地层油气综合柱状图须家河组地层主要以砂泥岩为主，夹煤层与炭质泥页岩，砂岩孔隙度较高，可作为油气储层，泥页岩孔隙度较低，是油气的盖层，煤层与炭质泥页岩均具有一定的生烃能力,须家河组断层不发育,生成的油气难以向上部地层运移，从而形成岩性油气藏，为“自生自储型”油气藏。与须家河组类似，自流井组大安寨段与?高山段发育的炭质灰岩、泥页岩也是生烃层，油气储集在地层内高孔隙岩石与裂缝中。沙溪庙组不含煤层与炭质岩，地层没有生烃能力。根据前人的研究成果 6 ，沙溪庙组天然气主要来源于须家河组与自流井组,其中,沙二段的天然气主要为川西坳陷须家河组烃源岩产生的油气经龙泉山断裂运移至沙溪庙组地层，再经横向运移，最终储集在研究区内，而沙一段底部砂体与?高山组上段（?上段）泥岩直接接触，砂岩物性较好，同时也存在沟通沙溪庙组的断层，导致罗系天然气运移至沙溪庙组聚集成藏。研究区下伏地层中分布有大量的油气资源，这些油气资源也是隧道有害气体的主要来源2测试与试验借助成渝中线铁路与绵遂内铁路的2 4个勘察钻孔（图5），对钻孔内有害气体进行现场测试。测试方法为完孔后将测试仪器置于孔内，记录各有害气体的最大浓度数据。同时，也记录钻孔岩石RQD值，并采取岩样，于室内进行了孔隙度试验，获取岩石孔隙度参数。2.1钻孔有害气体测试钻孔有害气体测试成果表明，测试钻孔内的有害气体主要为甲烷。其中，成渝中线荣家湾隧道的CS24钻孔现场测试显示有害气体异常，CS-24终孔深度9 5.9 m，该孔在3 0 m深度开始严重漏水，直至终孔均不返水，在进行有害气体测试时，发现孔内有气体涌出，覆于孔上的薄膜产生鼓包现象（图6），测试结果表明有害气体主要为甲烷，浓度为4.2%。除CS-24钻孔甲烷浓度异常高外，其余测试钻2023年6 月程道铁报学90SCS-56射洪县蓬溪县排花油田大英县豪船山区适莱构道A成渝中线安居区乐至县C5-10注：CS9CS-13地名：雁江区测试钻孔CS-14C5-12福皱；CS油气田及含油气造：第四系；白圣系下统；休罗系中统：1530侏罗系上统60km图5研究区测试钻孔分布图图6钻孔CS-24孔口薄膜鼓包现象孔内甲烷浓度绝未超过1%（图7），这表明地层中存在有害气体大量富集的概率小。但是，一旦隧道施工开挖揭示到大量的有害气体，对施工也可能会造成严重威。4.54.243.5%/由32.521.5一0.5028488888测试钻孔图7研究区测试钻孔甲烷浓度统计图从钻孔分布来看，检测到最高浓度的钻孔CS-24位于安岳气田边缘，位于油气田区的钻孔检测到的甲烷浓度没有明显增加，这表明研究区地层中有害气体分布与油气田分布相关性低，有害气体分布具有一定的随机性。2.2室内试验分析由于CS-24钻孔为异常孔，为了探寻研究区有害气体致灾机理的规律，在剔除CS-24钻孔后，对其余钻孔甲烷浓度与测试深度、岩石孔隙度、RQD值关系进行分析。测试的钻孔深度均小于1 50 m，如图8 所示，随着测试深度的增加，甲烷浓度呈增加的趋势，这可能是因为有害气体埋藏越深，越不利于逸散。测试数据未能拟合测试深度与甲烷浓度的曲线，表明地层中甲烷的富集受多因素影响。0.50.4%/由0.30.20.10507090110130150测试深度/m图8研究区测试钻孔甲烷浓度与测试深度关系研究区岩石孔隙度分布在4%1 0%范围，为低特低孔隙度，岩石物性整体较差。如图9 所示，随着岩石孔隙度的增加，甲烷浓度呈增加的趋势，表明更高孔隙度砂岩地层更利于有害气体储集。0.50.4%由0.30.20.1046810岩样孔隙度/%图9研究区测试钻孔甲烷浓度与孔隙度关系如图1 0 所示，研究区钻孔岩石RQD值变化较大，范围为6 5 8 5，测试钻孔甲烷浓度与岩石RQD值没有明显的相关关系，虽然破碎的岩石为有害气体的储集提供了空间，但是在没有良好的盖层条件下，破碎的岩石也更利于有害气体的逸散，有害气体储集能力较差。试验分析的结果表明，研究区埋藏更深且具有良好盖层的节理裂隙或砂岩地层更容易储集有害气体。3致灾机理分析隧址区地层没有生烃能力，其地层中所赋存的有害气体应来自于下伏地层。研究区发育有多套工业天张营旭陈明浩等：川中地区隧道有害气体致灾机理研究苏培东第6 期910.50.450.4%由0.350.30.250.20.150.10.05060708090测试段RQD值图1 0研究区测试钻孔甲烷浓度与RQD值关系然气储层，探明最浅天然气储层为沙溪庙组，埋深接近1000m，储层内的天然气运移至浅表地层便成为危害隧道施工安全的有害气体。由于隧址区下伏地层中有多套天然气储层，隧址区地层中的有害气体具体来源需要在未来的工作中进行深入的研究。四川盆地地层储层物性较差，深部气体无法单纯通过岩体孔隙吼道大规模向浅表地层运移，浅表地层的断裂或裂隙在气体垂向运移的过程中就起到了重要的作用。从运移模式来看，四川盆地有害气体运移模式分为断裂构造连通型、节理裂隙连通型与层理连通型 7 。研究区断层不发育，发育有高陡裂隙与高孔隙度的砂岩。由于高陡裂隙在垂向延伸长度普遍大于高孔隙度砂岩厚度，高陡裂隙是有害气体垂向运移的通道，在高陡裂隙未连通处，有害气体需要借助高孔隙度砂岩进行横向运移，并连通高陡裂隙，组成有害气体的运移通道。因此，研究区具有节理裂隙连通型为主，层理连通型为辅的有害气体运移模式（图1 1）。隧址区地层注：节理裂隙；少有害气体含量多天然气储层图1 1研究区有害气体运移模式示意图从研究区有害气体运移模式可以看出，大部分节理裂隙一层理连通距离有限，节理裂隙层理相互连接并连通浅表隧址区地层与下伏天然气储层的概率非常小，这也是研究区2 4个测试钻孔仅CS-24钻孔测出大量有害气体而其他大部分钻孔未测出高浓度甲烷的原因。由于研究区地层产状平缓，整套的地层均是天然气储层，油气田区的储层天然气更富集，非油气田区储层也有丰富的天然气资源，油气田区与非油气田区储层内的天然气均能向上运移至浅表地层。因此，地层中有害气体分布与油气田分布相关性低，区域有害气体分布具有一定的随机性，导致隧道有害气体的预测预报工作难度增加。研究区背斜宽缓，核部遭受剥蚀，区内没有良好的储气构造，有害气体的储集空间主要为节理裂隙密集带与高孔隙度砂岩 8 。当施工开挖节理裂隙密集带或高孔隙度砂岩时，就可能揭示高浓度有害气体，释放在隧道工作空间的有害气体便可能会发生燃烧或爆炸，从而威胁隧道施工的安全。4应对措施根据研究区地质特征、油气特征及有害气体致灾机理，提出研究区隧道可以采取以下应对措施来降低施工风险，保证施工安全：措施1：由于研究区隧道埋深与地层中有害气体含量具有一定的正相关关系，因此在选线过程中应尽量考虑浅埋短隧的方案，在减少埋深的同时也能缩短隧道长度，能提高隧道通风能力。措施2：由于隧址区地层内有害气体普遍富集程度差，仅少量钻孔能揭示有害气体富集现象，勘察与施工过程中容易忽视有害气体工程地质问题，因此在勘察与施工过程中应加强对有害气体的检测。措施3：在施工过程中需根据检测到的有害气体数据及时动态调整隧道瓦斯等级，并及时跟进调整隧道通风量和更换防爆设备等措施，以保证隧道的施工安全。研究区地层内有害气体补给能力较差，有害气体大量喷出的概率小，隧道施工在做好有害气体应对措施的前提下，有害气体可防可控。5结论本文以川中区域构造资料、地层资料、油气地质资料为基础,结合隧道勘探与有害气体测试成果,对川中遂宁与资阳地区地质特征与有害气体特征进行研究，探讨了区内隧道有害气体的致灾机理，得出结论如下：（1)遂宁资阳地区所处川中低平构造区，构造简单，下伏有沙溪庙组（J2s）、自流井（J1-2z）须家河组（T,x i）等多套油气储层，油气资源丰富，是隧道有害气体的主要来源。（2）遂宁资阳地区断层不发育，研究区形成节刘会娟）(编辑2023年6 月报程学道铁92理裂隙连通型为主，层理连通型为辅的有害气体运移模式,其中节理裂隙为有害气体垂向主要运移通道，层理为有害气体横向运移通道。（3）遂宁资阳地区背斜宽缓且核部遭受剥蚀，不发育良好的有害气体构造，有害气体储集空间主要为节理裂隙与砂岩，泥岩为有害气体的盖层（4)研究区有害气体的运移模式与赋存特征导致有害气体的分布具有随机性，表现为大部分隧道测试钻孔测试的甲烷浓度低，局部隧道测试钻孔测试的甲烷浓度异常高。（5）尽管隧址区地层内有害气体普遍富集程度差，但却存在有害气体工程地质问题，勘察与施工过程中容易忽视有害气体问题，建议后续隧道在建设过程中无论选线、勘察设计、施工方面均应考虑有害气体的风险，以减少隧道有害气体灾害参考文献：1李国辉，苑保国，朱华，等.四川盆地超级富气成因探讨J.天然气工业,2 0 2 2（5）：1-1 0.Li Guohui,Yuan Baoguo,Zhu Hua,etc.Genesis ofSuper-rich Gas in the Sichuan Basin J.Natural GasIndustry,2022(5):1-10.2四川油气区石油地质志编写组.中国石油地质志 M.北京：石油工业出版社，1 9 8 9.Compilation Group of Petroleum Geological Records ofSichuan Oil and Gas Region.Petroleum GeologicalRecord of China M.Beijing:Petroleum IndustryPress,1989.3陈明浩，张广泽，丁文富，等.成渝中线高铁主要工程地质问题及减灾选线 J.铁道工程学报，2 0 2 1（1 2）：1 3 1 8.Chen Minghao,Zhang Guangze,Ding Wenfu,etc.Main Engineering Geological Problems of Chengdu-Chongqing Middle Line High Speed Railway and RouteSelection for Disaster Reduction J.Journal of 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