上海地区浅层气地质灾害评估.pdf

4 4 上海地质 S h a n g h a i Ge o l o g y 总第 1 0 0 期 上海地区浅层气地质灾害评估 冯铭璋 季军 上海见智审图咨询有限公司2 0 0 0 7 1 ， 2 上海市隧道工程轨道交通设计研究院2 0 0 0 7 2 ■一软土地层中的浅层气是一种矿产资源， 也是一种地质灾害源。上海地区随着地下工程广泛 建， 其灾害评估为人们 所重视。浅层气源于m Q , 淤泥质粘性土生气层中有机质的分解作用， 储存于该地层上覆、 下伏及中部所夹的粉细 砂、 贝壳砂等储气层中。在上海地区， 浅层气的灾害影响将越来越小。 关■调浅层气储气层生气层地质灾害有控放气 上海地区浅埋的淤泥质粘性土的上覆、 下伏粉 性、 砂性土中有时存在着可燃气体， 其气压、 气量各 异。早期的地质工作多作为一种矿产资源进行研究 以供开采利用。自2 O世纪 8 O年代以来， 由于各类 地下工程的广泛兴建， 人类环境工程意识的增强。 尤 其是发生过几次相关的工程事故后 ， 人们更注意它 对工程的灾害性影响。正确认识其矿产资源和地质 灾害源的两重性， 客观如实地、 有针对性地评估其对 未来工程的灾害性影响， 选用合适的防治措施， 是本 市岩土工程当前应解决的问题。 杭州湾地区属长江三角洲南缘 ， 第四纪地层和 本市十分相近。在前几年进行的杭州湾大桥勘探过 程中， 不少勘察设计单位会同有关科研、 教学机构曾 一 起开展过研究， 其成果值得借鉴 图 1 。 ⋯ 圈1 杭州湾浅部地层示意图 F i g ． I S k e e h s e c t i o n i n H a n g z h o u B a y p a r t 1 浅层气的自然地质规律 长江三角洲地区的浅层气埋藏于全新世中晚期 海相堆积的淤泥质粘性土的上覆、 下伏的粉性土中， 在本市勘察规范中为②， 、 ③ 、 ③央 、 ④ 、 ⑤ 等不同 层次。这些以粉性土、 粉砂为主的地层有良好的储 气空间， 为浅层气的“ 储气层” 。全新世中晚期海相 堆积粘性土中富含有机物 动、 植物 ， 在还原环境 下经厌氧菌的分解作用， 析出大量以甲烷为主的气 体， 甲烷含量最高可达9 6 ％， 油气工作者称之为“ 生 气层” 。在近6 0 0 0年漫长的地质历史时期中， 所析 出之气体不时地向周围粉性地层的孔隙中运移、 积 聚， 包括在生气层中的贝壳砂、 粉细砂夹层、 透镜体 均可成为气体积聚的空间。形成气压、 气量不一的 可燃性气体。有石油地质工作者认为， 长江三角洲 平原地区Q 一 Q 淤泥质土分布地区普遍地存在 有浅层气。 已有资料表明， 浅层气形成于全新世中晚期至 今， 主要埋藏于全新世粉性土、 粉砂中， 深度较浅， 以 往有天然气、 沼气、 浅层气、 浅层天然气等多种提法。 前几年在杭州湾大桥勘探时， 不少专家提出统一称 为“ 浅层气” 的建议 ， 以有别于 目前沿海油气田勘探 的天然气层， 得到普遍认可。为此， 笔者亦建议在上 海地区工程活动中， 对它也统一称为“ 浅层气” 。 本市油气地质工作者对我国东部沿海浅层气的 形成、 分布规律进行了长期广泛的研究， 曾总结浅层 气在上海地区的平面分布规律【2 ] ， 认为主要分布于 本市东部的 原 川沙、 南汇、 奉贤、 上海、 宝山等县， 收稿 日期 2 0 0 6- 0 81 8 第一作者简介 冯铭章， 男， 1 9 4 2年生， 教授级高工， 主要从事岩土工程研究、 工程评估厦 工程监理等工作。 维普资讯 2 0 0 6 年第4期 冯铭璋等 上海地区浅层气地质灾害评估 4 5 在市区和崇明等地亦存在， 向市区西南呈有规律地 减少直至消失的趋势， 仅在金山、 松江、 青浦等县东 部少量存在。这是由于上海地区古、 全新世中晚期 海浸的堆积物集中分布于今嘉定、 外冈至漕泾一线， 即古贝壳砂堤“ 冈身” 以东地区的原因。其西侧几 乎不存在上海市区的④层流塑状态、 富含有机质的 淤泥质粘土和③层淤泥质粉质粘土层。 有人将浅层气含气层分为埋深不同的三层， 或 按其平面分布情况进行分区 】 。结合众多的上海 地区勘探资料分析可知， 浅层气含气层实际上有上 海市勘察规范统编的②， 、 ③ 、 ④ 、 ⑤ 层。在硬土 层缺失区， ⑤ 层直接与⑦层砂叠合且气量较大时， ⑦层也可能是含气层。其中③ 层空间分布较稳 定， 近似呈面状分布。⑤ 层为溺谷相堆积， 呈沿 “ 古河道” 分布的条带状。② 层多属黄浦江、 苏州 河海相堆积， 在复兴岛以南沿黄浦江和苏州河两侧 分布， 向下游则以厚层面状覆盖于淤泥质土层上， 它 虽有丰富的贮气空间， 但往往因上无良好的封闭盖 层， 不能使浅层气长期存在。④ 层及③、 ④层中的 粉性土夹层虽然在空间分布上不很稳定， 大多呈透 镜体状， 但处于富含有机质的淤泥质土生气层的包 围之中， 浅层气可能从周边源源不断注入， 使之成为 空间分布很不规则但其气压、 气量悬殊的含气透镜 体。 矿产地质工作者曾于上世纪 9 0年代初总结了 上海地区浅层 沼 气的资源特征， 归纳为三个不同 的含气层位， 相当于③ 、 ③妾 、 ⑤ 和⑦层， 并统计出 前者单井 日产气量为 5 0 m 一l O O m 。 ， ⑤ 层埋深多 在 3 0 m 以下， 空 间分布 有 限， 单井 气量 不大 于 1 5 0 m ／ h ， ⑦层砂 中气的分布更为有限， 估计 C 1 C 2 级储量为9 0 0 0余万n l ， 并认为在 1 9 9 1 年前已有 6 0 0 0余万 m 被开采 J 。该储量的动态判断提示了 一 个问题， 即浅层气在上海地区由于人类的开采或 无意的人为排放 主要是钻探施工 ， 其储量正急剧 减少。1 9 5 8年“ 大跃进” 期间的全民找气、 全民采气 的群众运动， 使上海地区浅层气尤其是 3 0 m以浅的 ③层 含④层 士中的浅层气已大量排放， 也使该次 大范围普查勘探和开采工作以开发利用价值不大而 告终。而廿世纪八十年代以来的城市建设， 使上海 浅部地层已“ 千疮百孔” ， 其勘探孔深度多深达 5 0 m 一 6 0 m。同期， 深基坑、 隧道等局部人类地下工程活 动也成为集中排气活动。以上两次集中放气活动的 结果是上海地区的浅层气大多已排放殆尽。 以上认识也可见证于以下事实 1 近廿年来陆域高密度的勘探钻孔、 静力触探 孔施工中， 除个别孔存在轻微井喷、 冒气情况外 ， 一 般均无浅层气存在的反映， 尤其是市区。但在市郊 或以往很少勘探地区有浅层气存在反映， 在轨道交 通7号线大场机场附近施工时， 就有一静探孔见少 量排气， 有人随意地点火引燃后， 套管 口小火持续燃 烧近一星期。 2 由市郊向外延伸的崇明越江通道勘探中 由 外高桥五号沟至长兴岛的隧道多期勘探均无明显的 浅层气存在迹象。为避免其对江底大 口径盾构推进 施工的危害， 2 0 0 5年在水上物探推断存在浅层气区 段专门沿线布置了孔距仅 2 5 m的高密度排气孔 ， 结 果亦未遇气。但是在由长兴岛至崇明陈家镇的大桥 勘探中就遇到了高压浅层气， 曾有钻孔连续外喷廿 余天， 孔内气液最大喷发高度达十余米。 3 近年施工的大量地下铁道和众多的其他用途 的深基坑、 隧道工程， 除9 0年代初合流污水治理工 程竹园排放口隧道顶管施工发生重大工程事故外， 其余地下工程包括深基坑工程未闻由浅层气导致的 工程事故。 2 浅层气的地质灾害及防治 在上海地区浅层气引起的工程地质灾害见于工 程勘探和工程施工两大方面， 由于浅层气埋藏于一 定深度， 且目前其气压、 气量均多受人为影响大幅度 减少， 似对其危害性的评估应当是局限于深及二、 三 十米的地下工程为主， 应持既确保安全， 最大程度的 防治， 又要防止局限于历史资料和认识， 造成过分强 调的盲目性。 可能由浅层气引起的工程灾害似可分为以下几 种类型 火灾、 工程钻探施工灾害、 桩基工程灾害、 地 下空间施工工程灾害。 2 ． 1 火灾 已有众多的分析资料证明浅层气为典型的未受 重大次生作用影响的原生甲烷生物成因气。为以甲 烷为主的可燃性气体， 甲烷含量 占8 5 ％ 一 9 9 ％， 不 含乙烷 的重 8 n c l 值所 占比例极少 一 6 6 ‰ ～一 8 5 ‰ 。下表为一勘探孔浅层气成分分析结果。 维普资讯 4 6 上海地质 S h a n g h a i Ge o l o g y 总第 1 0 0 期 衷 I 某勘探孔浅层气成分分析报告 T a b ． 1 C o m p o s i t i o n s o f s h a l l o w l a y e r e d g a s o n e s a mp l e 可燃的浅层气外溢、 释放时遇火星极易引起火 灾。近年此类火灾当以杭州湾大桥水上勘探中近南 侧某孔施工时发生孔口燃烧为最。由于断续喷发的 浅层气压力甚大， 在伴同井中泥沙和水呈间歇性喷 发的同时， 不时地将留置于孔内的钻具顶起后又下 落， 孔口套管发生摩擦产生火星， 引燃了在孔口积聚 的浅层气。当前 ， 钻探施工是本市最常见的可能触 发浅层气火灾的原因， 应做好充分防备， 如井口不准 抽烟、 火种远离， 并备足重晶石粉、 泥球、 黄沙等封堵 材料和消防设备， 杜绝勘探生产中由于浅层气导致 的火灾。 在沉井、 深基坑、 盾构隧道等地下工程施工时， 宜先查一下已有勘察资料， 施工前采取钻孔有控放 气措施， 注意不规则的“ 蜂窝状” 存在于③、 ④层淤 泥质土的贝壳砂、 粉细砂夹层中的浅层气。 2 ． 2 工程钻探施工灾害 当浅层气量较多、 气压较高时， 其间歇性喷出势 必冲毁孔壁， 发生孔内坍塌事故， 若处理不及时会导 致埋钻事故。这对于目前在上海常用的3 0型小动 力钻机而言是一个潜在威胁。一般情况下宜迅速停 止钻进， 待气体自然溢尽后继续钻进。 在杭州湾大桥水上勘探中搁滩施工时， 曾遇气 体断续喷溢将钻探船频繁抬起后坠落， 使粉细砂发 生液化， 整条钻探船被粉细砂整体掩埋。所以， 在可 能存在浅层气处水上钻探时不能将钻探船搁置于易 液化的粉细砂层上进行搁滩施工 按习惯要求， 施工钻探终孔后应回填封孔。但 遇浅层气情况， 似以不封孔为好， 这样可为浅层气 自 由排泄提供通畅的通道。当然， 应避免不封的钻孔 有可能成为地下水向未来地下工程空间汇聚的通 道 。 2 ． 3 桩基工程灾害 桩基工程灾害包括施工灾害和运营过程灾害二 方面。 各种预制桩施工， 对储气层中的浅层气主要是 挤密和向周围挤压运移作用， 一般不会出现施工灾 害。大I 1 径钻孔灌注桩由于其施工I 1 径甚大， 可达 钻孔 口径的1 0 倍， 有可能使下伏储气层中浅层气短 时集中喷溢， 在井口易发生火灾。大量的高压浅层 气向井口喷溢过程中， 连同一起带出的泥砂对孔壁 剧烈冲刷引起大面积坍塌， 使未来灌注桩形十分不 规则， 贯入度明显偏大； 另外大面积坍塌殃及地表， 使孔口施工设施甚至人员坠入深坑， 导致重大灾害 事故。故在杭州湾大桥勘察报告中建议在浅层气可 能存在的地段， 灌注桩施工前先于其中心施工小 口 径钻探 ， 以探摸地下砂层含气情况， 并作为存在的浅 层气的有控放气通道。 含浅层气的砂层为典型的由气、 水、 固态组成的 三相非饱和土。在桩基运营过程中将存在由于其中 气相部分压缩向周围运移而导致的桩基持力层的负 摩擦作用， 承载力降低及桩基沉降等问题。对于后 者， 在杭州湾大桥勘探过程中中科院武汉岩土力学 所进行了较多的研究工作， 通过对非饱和土固结试 验， 获得了含浅层气粉细砂土的变形参数。基于双 变量理论分析和计算， 认为含气砂层浅层气的缓慢 释放会引起砂层的沉降， 沉降量和含气砂层的初始 密度、 厚度及初始气压相关。其中与厚度、 气压为主 相关关系， 与初始密度为副相关关系。并推断在正 常有控放气情况下引起砂层总沉降量为砂层总厚度 的 1 ％ 。 一 0 ． 2 ％ 。 。如当含气砂层厚 2 0 m时有控排气 后产生沉降量仅为 4 m m～ 2 0 m m， 即对于桩基由于 桩下浅层气溢出导致桩基沉降量甚微。对于桩侧含 气层， 尤其是在上海地区因其气量不大， 气压甚低， 因此从数量上而言， 可能产生的负摩擦力及对桩基 承载力影响似不明显。唯大口 径钻孔灌注桩需以专 门关注， 如进行事先放气处理， 此影响亦可降低甚至 消除。 2 ． 4 地下空间施工工程灾害 图 2 外高桥污水排放口示意剖面圈 F i g ． 2 S k e c h s e c t i o n i n Wa s t e Wa t e r D i s c h a r g e r i n Wa i G a o Q i a o 当地下工程施工揭露含气砂层时， 会发生浅层 气集中外溢情况； 当施工底标高接近含气砂层时， 也 会发生浅层气在压力作用下顶破底板外溢的情况。 维普资讯 2 0 0 6年第4期 冯铭璋等 上海地区浅层气地质灾害评估 4 7 所有这些均将导致地下工程施工事故， 除易诱发火 灾外， 大量气体连带泥水喷溢会引起地下空间边界 失稳， 使沉井、 基坑被掩埋， 隧道空间扭曲、 破损甚至 迅速坍塌损毁， 还很易造成人身事故。近年在上海， 以竹园污水排放口顶管隧道事故最为典型 图2 。 由图2可见， 直径达 4 m的污水排放管道由盾 构作业由陆向长江水下铺设， 近岸段， 穿过② 层不 含气的粉性土后进入③、 ④层软土层， 淤泥质“ 生气 层” 中无明显含气砂透镜体， 推进正常。待推进至 江底段排水 口附近时， 隧道在⑤ 层粘性土中推进， 底板标高十分接近下伏含气层⑤ 层砂质粉土顶 板， 因隧道局部“ 储气层” 之上⑤ 层厚度不足以抵 御⑤ 含气层上顶压力， 导致底板突涌， 浅层气连同 泥水向顶管隧道内突然涌出， 使隧道坍塌、 变形， 酿 成重大事故。 浅层气灾害的机理实际上比较单一， 据吕少伟 等l 4 进行的分析， 在宏观上多表现为地下空间坍塌 并殃及周围环境。对于类似工程事故的防治措施 中， 借用深层油气田勘探时用重晶石粉泥浆压井防 喷施工措施。笔者认为， 在气压不大的情况下尽量 少用。因为工程勘察和油气田勘探不同， 后者作为 地质资源在勘探同时还有油气资源保护的要求 ， 以 利勘探后开采、 利用。前者能予排除的就应及时处 理， 必要时可在勘探分析基础上采用有控放气措施。 在分析中应注意浅层气的分布规律 1 浅层气多分布于含气层顶部， 当含气层顶板 有明鼎起伏时， 应将顶板突起部位作为勘探和排气 处理的重点 2 储气层除呈大片层状分布外 ， 也有可能在淤 泥质粘性土中呈透镜状贝壳砂层、 粉细砂层中存在， 虽其气量不大、 少补给源， 但瞬时气压可能会很大。 3 注意储气层中浅层气的侧向运移补给特点， 在预估气量的前提下， 采取有针对性措施使之在短 期内基本释放完毕。 3 结语 1 浅层气具有地质资源和地质灾害的两重性， 在上海地区其工程灾害尤应重视。 2 浅层气赋存于粉细砂、 贝壳砂等储气层中， 多 为以甲烷为主的可燃性气体 ， 气量气压不等。在上 海地区尤其是市区历经开采、 工程勘探地段 ， 其气量 基本已释放完毕， 但在东部水域及未开发地区可能 还存在 ， 需注意其工程灾害。 3 应在勘探施工中注意浅层气的灾害影响， 包 括火灾及对施工环境及地下工程的破坏。在重点地 段应分析掌握浅层气分布规律， 一般可在工程施工 前以钻孔有控放气方法提前处理。 参考文献 [ 1 ] 项培林 、 成利民、 王如金 浙江省三北浅滩浅层天然气地 质灾害 中国地质灾害和防治学报 [ J ] 2 0 0 5年6月 P ． 3 8 [ 2 ] 张宏 良、 刘若愚 上海地区地下资源和地质环境概论 上 海地质 [ J ] 1 9 9 1 一 l p ； 1 [ 3 ] 吕少伟、 唐益群 上海地区浅层气沼气地质危害分区探讨 上海地质 [ J ]2 0 0 03 P ． 2 5 [ 4 ] 吕少伟、 唐益群、 叶为民 上海浅层气工程灾害机理试验 研究 岩土工程学报 [ J ] 2 0 0 0 6 T h e Ge o l o g i c a l Ha z a r d Ev a l u a t i o n By S h all o w La y e r e d Na t u r al Ga s I n S h a n g h a i Re g i 0 n F ENG Mi n z h a n g j 1 J u n 2 S h a n g h a i J i a n Z h i A r c h i t e c t u r a l C o n s u h a n c y C o ．L t d ．2 0 0 0 7 1 S h a n g h ai T u n n e l En g i n e e r i n g R a i l T r ans i t D e s i g n I n s t i t u t e 2 0 0 0 7 2 Ab s t r a c t T h e s h all o w l a y e r e d n a t u r a l g a s c o n t a i n e d i n s o f t s t r a t a i s e i t h e r mi n e r al r e s o u rce o r g e o l o g i c a l h a z a r d ． No w t h e h a z a r d a p p r e c i mi o n i s p a i d．a t t e n t i o n e x t e n s i v e l y i n S h an g h ai．Th e s h all o w l a y e r e d g a s g e n e t e d b y o r g a n i c d e c o mp o s i t i o n i n s i l t y c l a y e d s t r a t a g a s g e n i c s t r a t a a n d rcfl e l “v e d i n s a n d y s t r a t a g as r e s e r v o i r l a y e r e d n e a r s i l t y c l a y e d s ff a ta．I n S h an g h a i r e g i o n ， t h e h aza r d g i n fl u e n c e w i l l d e c r e ase mo r e a n d mo r e ． Ke y wo r d s s h a l l o w l a y e r e d n a t u r al g a s ， g a s r e s e v o i r ， g a s g e n i c s t r a t a， g e o l o g i c a l h aza r d， c o n f r o l l e d d i s c h a r g e o f g a s 维普资讯