杭州湾地区浅层气对工程建设的影响

郭江涛

西北大学地质学系 陕西西安 710069

摘要：随着我国城市现代化建设的快速推进，各项市政工程都陆续拉开了帷幕，自改革开放四十年以来，我国造工程建设方面去得快举世瞩目的成就。但是随着工程建设的不断进行，在建设过程中遇到各种工程问题也越来越多。杭州湾地区富含浅层气，气藏具有埋深浅，局部压力高，气体含量高且不均匀分布等特点，给杭州湾地区的大型工程建设带来了诸多问题。本文分析了浅层气的成因及储存规律，以浅层气对杭州湾大桥的桩基稳定性影响为例，探讨浅层气影响桩基工程的内在因素以及在此后工程建设中如何防治浅层气给工程建设带来的难题，希望能为工程建设提供帮助。

关键词：浅层气；工程建设；桩基稳定性

1前言

杭州湾地处我国浙江省东北部，西起浙江海盐县澉浦镇和上虞区之间的曹娥江收闸断面，东至扬子角到镇海角连线。杭州湾是一个形似漏斗状的狭长海湾，以钱塘江和曹娥江汇入口为起点自内向外逐渐变宽，在宁海地区的宽度只有3千米左右，入海口处最宽约为95千米。下图即为杭州湾地区的地形图。

图1 杭州湾地区地形图

近年来，随着我国城市化建设的快速推进，涌现出了一大批市政工程如修建地铁、跨海大桥以及城市轻轨等基础建设工程。宁波市在修建城市交通轨道过程中遇到了浅层气，对施工产生了重大影响。所以对于浅层气的成藏和储存规律研究意义重大。

2浅层气的成藏与储存特征

2.1杭州湾地区的区域地质背景

杭州及杭州湾位于我国东南沿海地区，且该地区在经历了第四纪时期的几次海侵、海退过程中，形成了淤泥层与沙层的海陆交互沉积环境。沉积的淤泥层与沙层中富含有机质，在厌氧菌的生物作用下生成了以甲烷（约占92%）为主要成分的气体，该气体是天然气的重要组成部分，因储藏深度不足，故而得名浅层气^[1]。

海陆交互相沉积环境有着沉积速度快、物质保存完整等特点，快速沉积过程有利于有机质快速被保存下来，且持续沉降能使得有机质尽快进入还原环境，为生物菌的繁殖和生长提供了有利条件。

2.2浅层气的生成条件和储存规律

浅层气是属于天然气中的一种埋藏较浅的可燃性气体，其生成条件与天然气有许多相似之处。杭州湾地区的沉积相属于第四纪的海陆交互相的沉积环境，其为浅层气的生成提供了许多有利条件。

（1）在海陆交互沉积环境中生气层富含有机质与腐殖质，为浅层气的生成提供了基本的物质基础。

（2）杭州湾地区雨量充沛，温度适中，有着良好的生物化学条件，为生物菌的生成与繁殖提供了先决条件。

（3）杭州湾地区地处我国东南部，靠近海岸；优越的自然条件使得该地区的生气层具有强还原性和地下水近乎中性的水文地质条件。

（4）第四纪沉积时期距今较近，并且该地区为海陆交互相沉积，进而导致生气层浅，在地下大约150m以内。

浅层气一般存储在距离地下50-100m左右，最浅的可达15-20m左右，其储层特性为多空隙、连通性较好、渗透率高等特点；储层中的气压、气体含量及均匀性较好，从而导致气体存储不均匀，连续性差^[4]。储层多为淤泥质粉质黏土夹粉砂层、粉质黏土夹粉砂层含量最多，淤泥质黏土层含量较少。

3浅层气对杭州湾大桥桩基稳定性影响

3.1工程地质概况

杭州湾跨海大桥于2008年通车，连接嘉兴海盐至宁波慈溪、全程36公里左右、最长跨距为325m、宽33米、桥下净高为37米。该桥跨越杭州湾，在工程建设中曾遇见浅层气，导致工程建设受阻、工程进度受到影响，甚至危及到施工人员的生命安全。该地区浅层气分布广泛，且规律不可循；并且密集存储于地下15-30m之间，给工程建设带来了极大的隐患和不可预测性。压力最大处可达到0.4MPa，更有部分地区气体含量较大，且生气层和盖层相互交叉；个别地区含气量较少，多以零星状分布^[2]。其中气体含量小的区域对工程建设影响较小，基本可忽略不计，高压含气层会对工程建设产生较大影响。

3.2气体释放造成土体扰动

工程勘察阶段在气体含量较大地区要进行排气处理，若无控制措施直接排气；当打穿盖层到达储层和生气层时，在下部高压作用下极易发生井喷，将泥沙喷出井口10m之高^[3]。有的探测井甚至可以喷出几个小时，甚至数天。经过气体释放使得下部压力瞬间降低，必然导致地下水气分界面向井口推进，气体在向上喷发过程中对土层产生明显的冲刷作用，进而引起周围土体和上覆土层的强烈扰动，引起土颗粒与沙体的严重流失，破坏土体强度结构，从而产生地表沉降。

3.3浅层气对桩基的影响

在桩基15-20m深的地方是浅层气的主要分布层，尤其是在砂土层气体的含量最大，其压力也最大，同时装机的主要持力层也在此厚度区间内。若对浅层气的释放不加以科学有效的方法，任由其无控制释放将会严重威胁桥梁桩基的稳定性甚至会带来不可预估的工程灾害。

在浅层气无控制条件的释放过程中，该地区浅层气对于大桥的桩基稳定影响主要有如下几个方面：

（1）上覆土体强烈扰动，破坏土体强度结构，明显降低桩基承载力。上覆土体的剧烈扰动还有可能引起桩基周围的土体发生固结沉降，从而引起桩侧阻力的下降，严重时可能出现负摩擦，最终影响桩基承载力。

（2）桩周围土体结构破坏引起地表沉降，导致桩基发生不均匀或部分桩腿下沉。浅层气分布不均匀、不连通，各个气藏因含气量与气体储藏深度不一，进而导致各部分压力不等。正是因为此种影响导致了地层承载力的不均匀性，再加上气体无规则释放将增大土体力学的指标差异，进而导致桩腿的不均匀沉降。

（3）阻碍工程进度，影响桩基施工顺利进行。浅层气对桩基工程的施工影响主要在钻孔桩的安全成孔，在钻孔过程中遇到强烈井喷时，因为压力差异可能会导致踏孔，严重时会导致工程施工人员的生忙安全，故而对这种现象应及时防御，以应对工程建设过程中可能出现的问题。

4结论

（1）杭州湾地区浅层气成藏和存储规律决定了在工程勘察过程中不能以单点的分布状态来判断大区域的气体储存空间以及分布规律。在勘察过程中应该密集井眼，精准预测以提高工程建设过程中精确度。

（2）对于该地区的浅层气应该采取有控制的排气方式，无控制排气会造成土体结构破坏，失稳等情况发生；若排气方法不当，严重时可导致地面沉降，影响工程进展，甚至威胁到施工人员的生命安全。

（3）对于浅层气可能给工成带来的隐患应及时防御，根据该地区的工程地质特征和水文地质特征来制定防御方案，应充分考虑不利因素进行安全设计，以及在钻探过程中提高泥浆密度来平衡地层压力，减少在勘探过程中发生井喷的可能，进而提高工程安全性。

（4）砂层气体无控释放对桩基影响巨大，造成工程危害的主要形式为土体剧烈扰动造成桩基承载力降低，导致桩基发生不均匀沉降、桩腿下沉等不利影响，阻碍桩基工程的顺利施工。

参考文献

[1]郭爱国,孔令伟,沈林冲,张金荣,王勇,秦建设,黄先锋.地铁建设中浅层气危害防治对策研究[J].岩土力学,2013,34(03):769-775.

[2]冯铭璋,季军.上海地区浅层气地质灾害评估[J].上海地质,2006(04):44-47.

[3]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[J].中国地质灾害与防治学报,2005(02):38-42+57.