长江三角洲浅层气地质赋存特征及其对越江隧道工程的影响.pdf

第 19 卷 第 1 期2024 年 1 月Vol.19 No.1Jan.2024中 国 科 技 论 文CHINA SCIENCEPAPER长江三角洲浅层气地质赋存特征及其对越江隧道工程的影响郭鹏鹏1，2，王勇2，宋湦3，陈成2，贾鹏飞4（1.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林 541004；2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，武汉 430071；3.自然资源部第二海洋研究所，杭州 310012；4.西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室，西安 710069）摘 要：为研究我国长江中下游沿江、沿海平原赋存的浅层气不良地质及其对工程的影响，以长江崇太隧道遭遇浅层气地质为工程背景，基于长江三角洲地理地貌、沉积历史和沉积相特征，通过专项地质勘察和地球化学分析，研究区域浅层气地质的赋存特征，分析其对工程的不利影响，并提出针对性防治措施。结果表明：长江三角洲区域地层互相叠置、层序完整明显，浅海相淤泥质黏土层既是浅层气的产气层，又是封盖层，下覆厚状砂层是气体的良好储集体。隧址区具备典型的长江三角洲沉积特征，地层中赋存的浅层气属于原生甲烷型生物成因气；喷发性气体赋存于浅海相淤泥质黏土层内部的粉土、粉砂微、薄夹层中，属于未经长距离运移的自生、自储、自盖型生物成因气；隧道越江段主要穿越的厚层河口湾相细、中砂层虽具备良好的储气条件，但未见大量气体储集。从越江隧道段浅层气的赋存特征出发，虽然分析认为其对工程的影响程度有限，但在工程建设中仍不容忽视，需采取针对性预防措施以避免浅层气地质造成工程危害。关键词：长江三角洲；浅层气；地质赋存；不良地质；越江隧道中图分类号：P694 文献标志码：A文章编号：2095-2783（2024）01-0014-09开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Geological occurrence characteristics of shallow gas in Yangtze River Delta and their effect on cross-river tunnelGUO Pengpeng1，2，WANG Yong2，SONG Sheng3，CHEN Cheng2，JIA Pengfei4（1.College of Civil Engineering and Architecture，Guilin University of Technology，Guilin，Guangxi 541004，China；2.State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering（Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Science），Wuhan 430071，China；3.Second Institute of Oceanography，Ministry of Natural Resources，Hangzhou 310012，China；4.State Key Laboratory of Continental Dynamics（Northwest University），Xi an 710069，China）Abstract：To study the unfavorable geology of the occurrence of shallow gases and their effects on the tunnel engineering in the plain areas along the middle and lower reaches of the Yangtze River，the geological occurrence characteristics of shallow gas in the region were studied by means of special geological survey and geochemical analysis.In the study，the shallow gas geology occurred in the Chongtai tunnel of Yangtze River was taken as an engineering background and the analysis was carried out based on the geographical，sedimentary history，sedimentary facies characteristics of the Yangtze River Delta.The adverse effects of the geological occurrence characteristics of shallow gas on engineering were pointed out，and targeted prevention and control measures were proposed.The results show that the regional strata are overlap with each other，and the sequence is complete and obvious in the Yangtze River Delta.The silty clay of shallow marine facies are both gas-producing and capping layers，and the thick sand layer covered below is a good reservoir of gas.In the tunnel site，there are typical sedimentary characteristics of the Yangtze River Delta，and the shallow gas in the stratum belongs to the primary methane biogenic gas.The eruptive gas store in the silt soil and silty sand micro-thin interlayers inside the muddy clay layer of shallow marine facies，and it belongs to the self-generating，self-reservoir and self-sealing biogas without long distance migration.However，the cross-river section of the tunnel in the primarily passes through thick，fine and medium sand layers of estuarine facies have good gas storage condition，but there is no evidence of large gas accumulation.Based on the occurrence characteristics of shallow gas in cross-river tunnel section，the impact of this occurrence feature of the shallow gas on tun收稿日期：2023-04-24基金项目：国家自然科学基金资助项目(51979269，52127815)；武汉市应用基础前沿项目（2020010601012181）第一作者：郭鹏鹏(1996)，男，硕士研究生，主要研究方向为特殊土土力学与工程灾害防治通信作者：王勇，研究员，主要研究方向为特殊土土力学与工程灾害防治，郭鹏鹏，等：长江三角洲浅层气地质赋存特征及其对越江隧道工程的影响第 1 期nel engineering is limited，but it still cannot be ignored in the engineering construction，and targeted prevention measures should be taken to avoid the hazard caused by shallow gas geology.Keywords：Yangtze River Delta；shallow gas；geological occurrence；unfavorable geology；cross-river tunnel浅层气一般埋藏深度在100 m范围内，是有机质经微生物的生物化学作用产生的以甲烷为主要成分的天然气，在我国长江中下游沿江、沿海地区分布较广泛1-3。近年来，随着我国地下工程的增多，浅层气地质诱发工程灾害的问题逐渐受到工程界的重视。如：上海长江入海口排水隧道建设时，大量浅层气涌入隧道，造成其底部土层掏空，引发隧道不均匀沉降并产生断裂4；在杭州湾跨海大桥勘探期间，浅层气携带泥砂剧烈喷发，造成沉船重大安全事故5；武汉地铁二号线建设过程中，发生气体溢出并燃烧，导致施工人员中毒6。由此看出，浅层气地质诱发工程灾害具有一定的区域性。事先厘清工程所在区域的浅层气地质赋存特征，是采取针对性措施预防工程灾害的前提。国内外学者已针对第四系地层中的浅层气成藏、赋存等问题开展了较多的研究7-11。例如：Fleischer等12给出了全世界近海海域已发现的浅层气分布位置，包括墨西哥湾北部13、印度西海岸14、中国东海、杭州湾1等。林春明等9、陈少平等15针对我国杭州湾地区分布的浅层气，较早地开展了区域地质沉积类型、分布特征的研究，提出了杭州湾区域浅层气的成藏条件和典型气藏类型。王勇等16进一步从浅层气成藏角度阐释了杭州湾地区浅层气的形成过程，并提出了浅层气储集砂层的赋存分带特征。朱瑶宏等17结合区域浅层气地质条件，探讨了杭州湾跨海大桥桥址区的浅层气成因和赋存特征。上述学者主要从地质成因角度对浅层气成因类型、储/盖条件、成藏特征等开展研究，对工程建设的指导作用有限，为此，有学者进一步探讨了浅层气对工程建设的影响，如孔令伟等5、郭爱国等18在查明浅层气赋存特征的基础之上，深入分析了浅层气地质对工程建设的灾害性影响，并针对不同工程类型，提出了针对性的防治措施。此外，上述研究主要集中于杭州湾地区，而不同区域的地质环境和沉积相特征等存在差异，会导致浅层气的分布、赋存类型和工程危害程度等也存在较大的不同19，因此开展特定地区浅层气赋存特征的研究对区域内的工程建设具有重要意义。近年来，随着长三角一体化立体交通建设的推进，长江三角洲区域内 越 来 越 多 的 工 程 建 设 遭 遇 到 浅 层 气 地 质 灾害20。Zhang 等21、林春明等22初步探讨了长江三角洲区域的浅层气成藏条件，并认为该区域地质有利于浅层气的形成。但总体而言，目前针对长江三角洲区域浅层气的研究较少，需开展更加广泛且深入的研究。本文以长江崇太隧道遭遇浅层气地质为背景，首先分析长江三角洲区域的地理地貌和沉积相特征，探讨区域浅层气的成因类型和生-储-盖条件。然后结合越江隧道浅层气地质专项勘察成果，进一步揭示隧址沿线浅层气的赋存与三角洲区域浅层气赋存的联系与差异，并基于此提出针对性的工程防治建议和措施，以期为我国长江三角洲区域内的类似工程建设提供借鉴。1长江三角洲地理与地貌特征现代长江三角洲位于长江与东海海陆交汇处，是以长江持续输送沉积物为建设主导、江流与波浪等多种动力共同作用发育形成的沉积平原，由茅山向东以扬州、镇江为顶点至123E，南北处于扬运河-拼茶河与杭州湾之间的范围23，该地区总体地势平缓，高程普遍低于10 m，走向西高东低，原始坡降约为0.01%。丘陵山区在平原西侧，太湖西部、东部、东南部一带均有分布，高度大多在100200 m之间，最高达340 m24。地质资料显示，全新世以来，长江三角洲地区陆域发育面积约为2.28 万km，水域部分约为2.90 万 km 25。根据海侵、海退沉积相序，以扬州、泰州、曲塘、吕泗连线为北界，长江南岸为南界，可将该地区由北至南依次划分为北翼区、下切河谷和南翼区，以最大海侵线为界，将南、北两翼划分为前缘和后缘26。南北翼和下切河谷平面位置如图1所示。其中，南北两翼主要为滨海平原地貌特征，陆上地势平缓、水系发育、海拔高度低，是以黏土、粉砂质黏土、粉砂和细砂为主要组成的第四纪疏松沉积层27；下切河谷主体自扬州-镇江，向东南方向的长江口延展，长度约为250 km，宽度由 10 km 扩展至 60 km，深度由 60 m 增加至90 m，是冰后期以来多次海侵、海退中交互叠置、填充发育的巨厚第四纪沉积层25，28，下切河谷中疏松的碎屑和泥质沉积物是长江三角洲常年持续搬运沉积的成果，同时有机质的快速沉降埋藏为浅层气的发育创造了条件。2长江三角洲沉积历史与沉积相特征2.1长江三角洲沉积历史自上新世以来，长江三角洲地区经历了陆相过渡相海相的沉积演化过程，使得该地区下切河谷汇集，形成了交替发育的沉积特征29。上新世15第 19 卷 中 国 科 技 论 文早更新世时期，长江三角洲地区陆相冲积扇-河流-湖泊-三角洲沉积发育，沉积物岩性为砾石、砂砾、细砂、泥和粉砂30；早更新世晚期，发育了大套的湖泊相泥岩沉积，说明该时期湖泊面积达到了最大。中更新世晚更新世早中期，砾石、砂砾、细砂、泥和粉砂是该时期沉积相的主要组成；中更新世发育湖泊-辫状河冲积平原沉积环境，直至晚更新世早中期，受海平面上升影响，沉积环境进入海陆过渡相。晚更新世晚期早全新世时期，海平面不断上升，长江口向内陆退积，长江三角洲地区进入海相沉积环境，发育有滨浅海-浅海、海湾、潮坪等沉积层。自晚全新世后，长江三角洲不断向海进积，形成大面积分布的滨岸三角洲沉积，广泛发育三角洲平原、河口沙坝、三角洲前缘和浅海陆架沉积，并受潮汐作用的不断改造，形成潮坪浅滩和水下台地沉积31。中更新世晚更新世早中期以来，长江三角洲地区海陆交互更替，使得大量水生和陆源有机质沉积，这为该地区浅层气的产生奠定了物源基础。2.2长江三角洲沉积相特征晚更新世后期以来，长江河道开始发育，古地理单元继承性明显，同类地层相互叠置。由于后期河谷对已有的下切河谷不断侵蚀、改造，使得不同时期河床堆叠形成厚砂层27，并以同时期形成的下切河谷底与河间地古土壤顶邻接面作为沉积层底界面标志32。对钻井资料C5、C49、C4、C31、C85、T23、T22进行连井剖面分析，如图2所示。可看出：长江三角洲南翼区主要为泥质沉积，基底为硬泥层；下切河谷主体底部受较强冲刷作用，部分硬泥层缺失，底部以粗粒砂层为主要沉积且厚度较大。末次冰期以来，长江三角洲地区沉积层序表现较为完整，以砂层-黏土层-砂层交替叠加为主要特征，自下而上依次发育有河流沉积相、河口湾相、浅海相和三角洲相33。2.2.1 河流沉积相河流沉积相包括河道沉积和河漫滩沉积。河道底部滞留沉积主要为砂砾沉积物，该层沉积以石英岩为主要成分，受较强水动力作用，分选中等，磨圆度较好，点砂坝沉积以细砂和中细砂质沉积物为主，有平行层理和板状交错层理，洪泛平原（河漫滩）以灰色粉砂、泥质粉砂、黏土为主，夹薄层细砂。整个河流沉积层序由下向上粒度逐渐变细，构成完整的正粒序。河流沉积在长江三角洲下切河谷区发育较为广泛，经历多次旋回沉积，不同时期河道互相叠置，具有典型的河流沉积正粒序特征（图2（a），图2（l）。河漫滩沉积以粉砂质黏土层为主，夹薄层细砂岩、粉砂岩，发育水平层理，未见明显孔虫壳体，表明基本未受海洋环境的影响（图2（b）。2.2.2 河口湾相河口湾相沉积物以灰色粉砂质黏土和青灰色砾质粗砂不等互层为主要构成，其间夹有砂质透镜体，发育有水平层理、波状层理及透镜状层理，泥、砂纹层交错更替，有机质含量较丰富，潮汐沉积特征表现较强。随着海平面的上升，沉积环境变化较大，沉积物中有机质丰度增加，灰色黏土层内可见植物碎屑、植物根茎和海相生物化石，且海洋生物丰度较高，为河口湾相沉积特征（图2（d），图2（j）。2.2.3 浅海相浅海相沉积物以深灰色淤泥质黏土为主要构成，其间夹有薄粉细砂层，多数情况下夹层厚度为0.12.0 cm，局部厚度可达1030 cm。深灰色淤泥质黏土中，发育水平层理和块状层理，且有机质含量丰富，可见以浅海底栖种为主的海洋生物贝壳体和较 多 虫 孔（图 2（c），图 2（f），图 2（h），图 2（k），图2（m）。2.2.4 三角洲相三角洲相沉积物以灰色细砂、粉质细砂、黏土质粉砂、粉砂质黏土为主要构成。沉积构造复杂多样，普遍发育水平层理、交错层理、透镜状层理和波状层理等，且有时为“千层饼状”构造。沉积序列由下至上逐渐变粗，由粉质细砂转变为以灰色细砂为主的沉积物，沉积层中富含孔虫生物体且局部存在贝壳体，表现出较强水动力作用下的沉积特征，另外可见部分区域的三角洲相上覆有潮坪沉积（图2（e），图2（i），图2（n）。下切河谷；三角洲北翼，1北翼前缘，2北翼后缘；三角洲南翼，1南翼前缘，2南翼后缘。图1长江三角洲分区（据李从先等26，有修改）Fig.1Subdivision of the Yangtze River Delta area16郭鹏鹏，等：长江三角洲浅层气地质赋存特征及其对越江隧道工程的影响第 1 期3长江三角洲区域浅层气成因与类型长江三角洲多属于亚热带季风气候，全新世以来，湿润温暖的气候条件和近乎中性的水介质为浅层气的形成提供了良好的外部条件。地质历史进程中持续的构造沉降、快速沉积以及持续更替的海退、海侵，形成了河漫滩和河口湾灰色粉砂质黏土层、浅海相深灰色淤泥质黏土层，二者富含以草本腐殖型、草本腐泥腐殖型为主的有机质34，同时姥鲛烷/植烷（Pr/Ph）比值在 0.530.78 之间，表现出明显的植烷优势，属于相对较强的沉积还原环境35，为浅层气的产生提供了物质基础和环境条件。已有资料显示，长江三角洲区域的浅层气中甲烷体积分数普遍大于 90%，属于甲烷型生物成因气22，36。3.1气源岩特征长江三角洲地区沉积物中淤泥质黏土的生气能力较强，层厚一般在2030 m。全新世以来，海平面下降阶段的有机质富集程度较高，以腐殖型有机质为主，且陆源有机质占比较大。长江三角洲地区河漫滩、河口湾和浅海相大多数沉积层中有机碳丰度低于0.5%，而50 m以上局部地层中存在较高含量的有机碳，其质量分数最大为0.93%；在更深地层中有机碳含量相对稳定，但在局部层位出现不同程度的有机质富集。钻孔岩心样品数据显示，气源岩氢指数普遍小于70 mg/g，氧指数普遍大于120 mg/g，有明显的富氧贫氢特征，且有机质中氢指数随着热解峰峰顶温度的升高而逐渐减小，表明气源岩中有机质均处于未成熟阶段，属于型有机质37。3.2储集层特征从区域地层沉积特征来看，长江三角洲地区晚第四纪浅层气的储层可分为 2类：一类为良好储气层，是由细砂、粉砂质砂和含砾中粗砂层组成的河流沉积相、含砾质砂薄夹层的河口湾相；该储层水平分布较广，埋藏深度深且厚，紧邻气源岩，上覆有淤泥质沉积物做盖层，具备良好的储气条件。二类为非良好储气层，包含浅海相和三角洲相，其中浅海相含有细砂和粉砂夹层，且砂体岩性细、纵横向连续性差、砂层较薄，难以形成较大气藏，三角洲相的砂层虽然厚度大、储存性好，但埋藏深度浅且无良好盖层条件，浅层气难以储存富集。长江三角洲地区淤泥质黏土层孔隙度较小，渗透率较低，连通性较差，具有良好的封闭能力，以灰色粉砂质黏土和深灰色淤泥质黏土为主的河漫滩、河口湾和浅海相紧邻储集层，水平分布广，可作为良好盖层。另外，河漫滩、河口湾和浅海相自身产生的气体可以抑制储层内气体的运移，对储层中的浅层气有较好的封堵作用，有利于浅层气的富集。由此可见，长江三角洲区域地层具有良好的浅层气储集条件。4隧址区浅层气的赋存特征长江崇太隧道位于长江下游靠近入海口，始于江苏省太仓市，止于上海市崇明岛，横穿长江主航道交汇处和浮桥作业区（图3），工程地质条件复杂，被视为北沿江高铁的核心控制工程之一。工程初勘期图2区域地层连井剖面和岩心照片Fig.2Photos of the section of regional strata connecting well and core17第 19 卷 中 国 科 技 论 文间，越江段有超过1/3的钻孔出现喷水喷砂、气体燃烧的现象（图4）。结合区域地质特征开展隧址区浅层气地质专项勘察，揭示隧址沿线浅层气的赋存，可为隧道的建设提供依据。长江崇太隧道工程沿线详勘钻孔揭露的地层如图5所示，对隧址地层进行划分，由红色符号标注地层中含浅层气位置。由图5可知，隧址区地层结构可以划分为 4 个区段：DK50+350.00DK52+117.67区段的地层结构具有“二元”特征，下部主要为细砂、砂 砾，上 部 为 泥、粉 砂 和 淤 泥；DK52+117.67 DK55+941.15区段为“五元”结构，自下而上依次为泥细砂泥细砂，但顶部地层发育有所差异，分别为粉砂、泥、细砂；DK55+941.15DK60+500.00区段自西向东，从“五元”结构过渡到“三元”结构，下部为大套细砂，中部为泥，上部为粉砂和淤泥；隧址区地层自上而下主要表现为砂层黏土层砂层，与前述长江三角洲区域的地层序列相对应，呈现典型的三角洲地质沉积特征。由现场勘探钻孔结果可知，崇太隧道沿线喷发性浅层气主要分布于长江两岸隧道进出洞口区段和靠近崇明岛浅滩区域的淤泥质粉质黏土层内，而 DK53+236.00DK53+900.00 区段隧道上覆地层淤泥质黏土层较薄，难以形成有效的封盖层，因此该区段未揭露到明显的浅层气赋存。图4长江崇太隧道沿线勘探孔位和浅层气喷发情景Fig.4Exploration boreholes and shallow gas eruptions along the Chongtai tunnel of Yangtze River图3北沿江高铁长江崇太隧道位置Fig.3Location map of Chongtai tunnel of high-speed railway along the north of Yangtze River18郭鹏鹏，等：长江三角洲浅层气地质赋存特征及其对越江隧道工程的影响第 1 期4.1浅层气的组分特征通过排水取气法采集隧址区钻孔岩心沉积物中的 气 样，分 别 采 用 Agilent-6850 型 气 相 色 谱 仪、Thermo-Trace-GCULTRA 型气相色谱仪分析 CH4和CO2浓度，采用GC-C-IRMS型气相色谱-燃烧-同位素比质谱联合仪分析浅层气体的碳同位素。浅层气组分及同位素检测结果见表1。可看出：隧址区浅层气组分包含CH4、N2、CO2、Ar和He。其中 CH4为主要气体，体积分数为 92.3%95.6%，平均值为 93.5%。非烃类气体组分包含 N2、CO2、Ar、He，其中N2的体积分数为1.94%6.55%，平均值为3.99%；CO2的体积分数为4.58%4.69%，平均值为4.62%，部分层位未见 CO2；Ar与 He 的体积分数总共0.26%0.93%，平均值为0.52%。不同区段气体含量稍有差异，但均不含乙烷及以上重烃成分，属于典型的“干气”；同时，所有样品中13C1同位素组成均小于-55，结合国内外普遍认可的生物气鉴别方法38，推断隧址区浅层气属于未受重大次生作用影响的原生甲烷型生物成因气，这与前述长江三角洲区域浅层气的成因和类型一致。4.2含气地层的揭露特征长江崇太隧道勘探钻孔分布和浅层气喷发情况如图4所示，其中红色圆点代表勘探现场出现浅层气喷发的钻孔。可以看出，隧址沿线具备喷发性的浅层气主要分布在长江南支两岸和靠近崇明岛浅滩的水域位置。由图5中标有的浅层气层位信息和现场勘探情况来看，隧址沿线地层中赋存的浅层气主要位于1040 m的浅海相淤泥质黏土层中，且多数情况下因气层很薄、气量少，难以直接量测到气体压力；勘察过程中仅在一处获取到气压力为0.21 MPa，是该深度处静水压力的1.051.10倍，表明隧址区浅层气属于常压气藏；越江隧道埋深40 m以下地层中普遍分布较厚的河口湾相粉砂、细砂和中粗砂层，具备良好的储气条件，但现场揭露该砂层的探孔均未出现浅层气喷发现象，表明该厚层砂储集体中无大量游离态气体聚集。由此可知，工程区域内赋存的浅层气储量规模不大，但从浅层气的成因角度来看，不应排除有以吸附、孔隙水溶解和孤立气泡形态赋存在地层中的气体。图6为现场钻孔揭露的浅层气赋存深度处的浅海相淤泥质黏土层，可看出，钻孔土样剖面揭露的淤泥质黏土层中间夹有大量的粉砂薄层，其间发育微孔和微裂隙。现场详勘成果显示，淤泥质黏土层中的粉砂、粉土薄夹层，厚度多为0.15.0 cm不等，且呈交错层状分布，薄夹层内发育丰富的微型孔和微裂隙，甚至见有大孔，呈现出大小不等的条带状分布，在水平方向具有一定的延展性，但在垂直方向连通性较差。隧址区钻孔的浅层气体喷发主要在该深度处，表明淤泥质粉质黏土中有机质分解产生的生物气直接进入自身内部的粉、细砂薄夹层中赋存。此外，现场浅层气喷发钻孔多为间歇性喷浆且持续时间不长，该现象与此赋存特征相吻合。图5长江崇太隧道钻井剖面与揭露的浅层气分布层位Fig.5Shallow gas distribution horizon and profile of drilling in Chongtai tunnel of Yangtze River表1隧址区浅层气的组分及同位素分析Table 1Composition and isotope data of shallow gas样品序号1234567平均值气体主要成分（体积分数）/%CH492.793.292.394.495.693.792.593.5N22.191.942.585.044.055.586.553.99CO24.694.584.594.62Ar、He0.420.330.470.580.260.680.930.52CH4碳同位素13CPDB/59.456.157.460.261.362.261.759.819第 19 卷 中 国 科 技 论 文5浅层气地质对工程的影响及预防措施前述分析表明，隧址区浅层气赋存与长江三角洲区域浅层气赋存具有一定的联系与差异。从区域地质角度考虑，长江三角洲地区丰富的有机质来源为浅层气的形成提供良好的物质基础，且该区域河流沉积、河口湾和浅海相地层具备良好的生-储-盖条件，利于浅层气在该地区产生并储集。隧址区浅层气专项勘察表明，长江崇太隧道穿越的河口湾相厚砂层虽具备良好的储气条件，但未见大量气体储集，而具备喷发性的气体主要赋存在浅海相淤泥质黏土层内的粉、细砂薄夹层，厚度为0.210.0 cm不等，浅海相淤泥质黏土层是浅层气的产气层又是封盖层，同时也是主要的储集层，属于自生、自储、自封盖且未经长距离运移的气体，这也是该地区浅层气赋存显著区别于杭州湾区域的重要特征之一。另外，隧址区与长江三角洲地区浅层气的成因和类型一致，均为甲烷型生物成因气，其无色无味、易燃易爆，会给工程带来安全隐患。因此，有必要结合隧址区浅层气地质的赋存特征，分析其对工程建设的影响，并提出针对性预防措施以避免工程危害。总体来看，长江崇太隧道沿线具备喷发性的浅层气主要赋存于淤泥质黏土层内的粉、细砂薄夹层，而在其下部具备良好储集体的厚砂层中未形成“囊状”气藏，据此判断，隧址区浅层气地质对崇太越江隧道工程建设的不利影响是可控的，但对暗挖区间的影响仍不可忽视。浅层气地质对工程各阶段的影响主要表现在：1）勘察阶段，勘探过程中出现浅层气喷发并燃烧，威胁设备和人员安全。2）施工阶段，隧道越江段和进、出口段淤泥质粉质黏土层内赋存的浅层气会通过盾头、管片衬砌接缝和盾尾间隙等途径进入隧道内，当甲烷体积分数超过5.0%时，遇明火引发爆炸；穿江段隧道通过厚砂层时土层中吸附、孔隙水溶解和孤立气泡形式存在的浅层气会增大土体的摩阻力，阻碍盾构施工作业。3）运营阶段，隧道内存在浅层气泄漏风险，威胁运营安全。基于以上对长江崇太越江隧道工程浅层气地质的认识，在隧道工程的勘察阶段，应利用先进量测手段39，精细化获取浅层气的分布和赋存特征等信息。在施工阶段，盾构越江段两端隧道洞口处遇淤泥质粉质黏土层时，须加强对盾构前端地层的超前探测，获取地层中浅层气的赋存信息；装配完善的隧道通风系统，确保隧道内甲烷体积分数在1.0%以下；隧道内严禁明火，同时采用防爆型电气装置，并在隧道内部安装甲烷气体报警装置；优化盾构施工工艺，确保盾构机掌子面压力平衡处于正常值，增加盾尾密封刷的层数和油脂的注入量以提高密封性能；管片接缝处采用水膨胀性密封材料，利用螺栓连接及时调整管片间缝隙，降低甲烷气体泄漏的风险；优化同步注浆技术40，对完成盾构施工的隧道进行管外补浆加固；加强预防浅层气安全教育，施工人员随身携带甲烷报警器，配备专职安全员。运营阶段，安排专职人员定期巡查，全方位实时监测隧道内甲烷浓度，确保甲烷气体浓度处于安全值，保障隧道在运营期间的安全。6结 论1）长江三角洲平面上可分为南、北翼区和下切河谷主体，其中下切河谷主体填充的碎屑和泥质沉积物是水流和波浪常年搬运沉积的成果。连井剖面分析表明，区域地层自上而下依次发育有三角洲相、浅海相、河口湾相和河流沉积相，具备良好的浅层气生-储-盖条件。2）长江三角洲地区河流沉积、河口湾相的粉质黏土层、浅海相的淤泥质黏土层，具备产气的良好物质基础，而黏土层孔隙度小、渗透率低、水平分布广，具备一定的封盖条件，其下覆砂层和自身内部的砂质薄层可以成为浅层气的良好储集体。3）隧址区浅层气为原生甲烷型生物成因气，具备喷发性的气体主要分布在1040 m的浅海相淤泥质黏土层，赋存于自身内部的粉砂、粉土薄夹层中，层厚0.210.0 cm不等，具有连通性较差、分布极为不均等特征，属于未经长距离运移的自生、自储、自盖型生物气。这也是区别于杭州湾区域典型浅层气赋存的重要特征之一。4）由长江崇太隧道沿线浅层气赋存特征可知，浅层气地质对隧道工程的影响程度有限，但盾构隧道穿越淤泥质粉质黏土层和厚砂层时，仍不可忽视浅层气对工程的不利影响，需结合不同建设阶段采取针对性预防措施。图6淤泥质黏土层中的浅层气赋存特征Fig.6Occurrence evidence of shallow gas in the silty clay layer20郭鹏鹏，等：长江三角洲浅层气地质赋存特征及其对越江隧道工程的影响第 1 期（由于印刷关系，查阅本文电子版请登录：http: WANG Y，KONG L W，WANG Y L，et al.Deformation analysis of shallow gas-bearing ground from controlled gas release in Hangzhou Bay of China J.International Journal of Geomechanics，2018，18（1）：04017122.2 HONG Y，ZHANG J F，WANG L Z，et al.On evolving size and shape of gas bubble in marine clay under multi-stage loadings：microcomputed tomography（CT）characterization and cavity contraction 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