復雜地質(zhì)條件下隧道瓦斯運移規(guī)律研究

俞 秀 趙光明 劉崇巖 余 濤

（1.安徽理工大學礦業(yè)工程學院 安徽淮南 232000；2.西南交通大學 四川成都 610031）

隨著山嶺地區(qū)現(xiàn)代交通的快速發(fā)展，公路隧道穿越包含有毒有害氣體的隧道越來越多[1]。以往在對山嶺地區(qū)的高速公路隧道進行設計時，考慮到建設及營運成本在內(nèi)的各種限制因素，有些隧道不得不穿越有毒有害氣體地層區(qū)域[2-4]在現(xiàn)場施工時由毒害氣體引發(fā)的事故頻發(fā)，包括瓦斯爆炸、冒頂與塌方、瓦斯突出、瓦斯窒息等[5]，其中瓦斯災害與圍巖變形失穩(wěn)塌方、涌突水、涌突泥、涌砂、洞內(nèi)泥砂石流、巖爆等一樣, 成為一類常見的隧道施工地質(zhì)災害[6]。

針對這類隧道，有不少學者都進行了研究。王登科[7]等利用自主研發(fā)的三軸瓦斯?jié)B流實驗系統(tǒng)，對煤層瓦斯的滲流特性進行了研究。公維寬[8]等使用CFX流體仿真模擬建模的方法,對其進行低壓瓦斯?jié)B流模擬,定量分析瓦斯在煤體中的滲流規(guī)律。位樂[9]通過煤體中瓦斯?jié)B透性能測試,采用滲流理論分析瓦斯在煤體中的滲流機制。譚云亮[10]、田智威[11]等對含有裂隙的煤體內(nèi)瓦斯?jié)B流規(guī)律進行了模擬研究，獲得了不同裂隙分布對瓦斯流動的影響。黃志煌[12]等詳細敘述了米倉山隧道瓦斯、硫化氫等有毒有害氣體的防治和安全管理過程,總結(jié)了米倉山隧道瓦斯、硫化氫等有毒有害氣體防治經(jīng)驗。彭佩[13]等利用流體力學軟件Fluent建立隧道三維模型并進行數(shù)值模擬，分析局扇布設位置對瓦斯?jié)舛取L流速度分布的影響。國內(nèi)外關(guān)于瓦斯?jié)B流的理論研究和實驗研究已經(jīng)十分成熟，但是大多是以煤礦開采為背景進行研究。而瓦斯的存在對于隧道的施工和運營都留下安全隱患，為確保隧道施工過程中的安全，對于瓦斯?jié)舛鹊姆植继卣餮芯亢苡斜匾猍14]。本文以工程實例為研究對象，借助數(shù)值模擬手段研究瓦斯溢出、運移規(guī)律并提出治理措施，為類似工程隧道建設提供參考。

一、工程概況

隧道洞身穿越段主要為碳酸鹽巖地層，地下水豐富，隧道多出現(xiàn)股狀涌水，隧道于進口端穿越煤礦南端，出口端穿越另三個煤礦。進口段煤礦正連煤層瓦斯壓力0.33MPa，噸煤瓦斯含量為4.47t/m3，出口端正連煤層壓力為0.23MPa，噸煤瓦斯含量為4.91t/m3，各含煤段施工絕對瓦斯涌出量均已超過0.5m3/min，根據(jù)《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》，隧道兩端地層段均屬高瓦斯工區(qū)。

隧道穿越有毒有害氣體地層，且?guī)r溶及巖溶水極其發(fā)育，隧道工程與水環(huán)境相互作用強烈，施工期間有毒有害氣體大量涌出，突水突泥的風險較大。根據(jù)隧道的地址條件特點及前期的地質(zhì)勘查資料，有毒有害氣體主要指以煤系地層為代表的瓦斯。

二、瓦斯運移規(guī)律的數(shù)值模擬

（一）溫度比擬的實現(xiàn)。隧道開挖過程中，巖層中氣體的動態(tài)平衡遭到破壞，產(chǎn)生壓力梯度，于是在壓力梯度的作用下，巖層裂隙中的氣體發(fā)生流動，也就是氣體的滲流。達西公式只能用來描述線性滲流關(guān)系，本文研究的瓦斯?jié)B流為低速滲流，達西公式并不適用，公式修正為：

式中：v—流速

J—滲流坡降

J0—起始坡降

（1）微分方程

不可壓縮流體在剛體介質(zhì)中流動的連續(xù)性方程為

將達西公式帶入便可得微分方程

當各向同性且滲透性為常數(shù)，則得到拉普拉斯方程

（2）邊界條件和初始條件

初始條件即為第一類邊界條件在0時刻的表達滲流場和溫度場，在物理特性、基礎理論、初始條件、控制方程及邊界條件上存在高度相似，如表1所示，所以將對應的參數(shù)進行等值替換，則滲流場與溫度場相互轉(zhuǎn)換，也就是說可以采用溫度比擬法計算滲流場。本研究基于溫度比擬法，通過FLUENT軟件模擬隧道瓦斯氣體的擴散、滲流規(guī)律。

表1 溫度場與滲流場比較

（二）模型的建立。

1.幾何建模。模型尺寸200m×50m×50m，隧道斷面為馬蹄形斷面，隧道開挖170m，其中100m已設置襯砌，襯砌厚度20cm，距離掌子面70m范圍內(nèi)尚未設置襯砌，風管直徑1.2m，風管長度155m，如圖1所示。已開挖部分圍巖網(wǎng)格采用四邊形網(wǎng)格劃分，隧道內(nèi)部及未開挖巖體采用三角形網(wǎng)格劃分，劃分后的網(wǎng)格如圖2所示。

圖1 數(shù)值模擬幾何模型

圖2 模型網(wǎng)格劃分

本文研究的某隧道圍巖中主要毒害氣體為瓦斯，通過鉆孔測得巖體內(nèi)瓦斯氣體含量如表2所示。

表2 隧道鉆孔氣體檢測表

2.換算公式。對于游離瓦斯，溫度場設置范圍為300-600K，瓦斯?jié)舛扰c溫度換算公式為：

式中：Hw—瓦斯體積濃度，%

T—模型內(nèi)任意一點的溫度，K

η1—換算系數(shù)，瓦斯取0.0291

3.計算工況。本文主要對通風與不通風兩種工況進行模擬計算，以獲取不通風的情況下有毒有害氣體滲入隧道之后的蔓延規(guī)律以及聚集分布情況和0.5m/s風速條件下的通風效果。

（1）不進行通風。不對掌子面進行通風，分別觀察不同時間內(nèi)距離掌子面一定距離范圍內(nèi)和已設置襯砌段隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛却笮〖捌渥兓厔荨?/p>

（2）在隧道施工的同時進行通風，風速為0.5m/s，觀察整個隧道范圍內(nèi)瓦斯的分布及積聚情況。

4.參數(shù)設定。各部分材料參數(shù)設定見表3。

表3 模型材料參數(shù)

（三）模擬結(jié)果分析。

1.瓦斯。

（1）道內(nèi)不通風情況下模擬結(jié)果。30min隧道內(nèi)瓦斯分布情況：

分析圖3可知，30min內(nèi)瓦斯基本聚集于距離掌子面3m范圍內(nèi)，距離掌子面5m至10m范圍內(nèi)的瓦斯?jié)舛纫呀?jīng)非常小且都少量聚集在隧道洞壁處。距離掌子面1m范圍內(nèi)最低濃度達到0.43%。隨著距離的增加濃度逐漸降低，3m以后濃度非常小且基本不再變化。但是在設置襯砌的隧道段基本沒有瓦斯?jié)B入。

圖3 30min隧道內(nèi)瓦斯分布圖

2h隧道內(nèi)瓦斯分布情況：

圖4 2h隧道內(nèi)瓦斯分布圖

分析以上結(jié)果可知，2h內(nèi)瓦斯聚集掌子面的范圍變大，擴大至掌子面10m范圍內(nèi)，距離掌子面1m范圍內(nèi)最低濃度達到0.973%，接近最大允許值范圍，而此范圍內(nèi)平均值已大于最高允許值1%[15]，已不適合工作人員進行施工，會危及到施工人員的安全。隨著距離的增加瓦斯?jié)舛戎饾u降低，10m以后濃度穩(wěn)定基本不再變化，但是分布于隧道洞壁四周的瓦斯?jié)舛纫逊浅４?。已設置襯砌隧道段依然基本無瓦斯?jié)B入。

6h隧道內(nèi)瓦斯分布情況：

圖5 6h隧道內(nèi)瓦斯分布圖

分析以上結(jié)果可知，6h內(nèi)瓦斯已蔓延至整個尚未設置襯砌段隧道內(nèi)，距離掌子面1m范圍內(nèi)最低濃度達到2.18%，遠超于最高允許值1%。整個隧道內(nèi)充斥著高濃度的瓦斯。設置襯砌隧道段只有掌子面有少量瓦斯?jié)B入。

（四）綜合分析。通過以上對于30min、2h、6h瓦斯在隧道內(nèi)蔓延速度的分析可以看出，隧道處于密閉的條件下，時間越長瓦斯含量越高。6h后瓦斯已蔓延至整個隧道，此時整個隧道內(nèi)充斥著高濃度瓦斯。尤其是掌子面附近瓦斯?jié)舛确浅４?，已不適合進行施工會危及到工作人員的生命健康。隧道施工過程中圍巖受到擾動后裂縫發(fā)育擴大使得圍巖中儲存的瓦斯?jié)B流路徑增多，所以瓦斯以更快的速度蔓延至隧道內(nèi)。掌子面附近瓦斯隨時間積聚規(guī)律如圖9所示。

圖9 掌子面瓦斯?jié)舛入S時間變化曲線

掌子面附近1m處瓦斯?jié)舛燃眲≡黾?，短時間內(nèi)已遠超最大允許濃度，距離掌子面5m范圍內(nèi)則在3h時超過最大允許濃度。由于極高的瓦斯?jié)舛?，會使在此區(qū)域的施工人員感到不適，長時間施工會對身體產(chǎn)生傷害。并且由計算結(jié)果可知，6h內(nèi)瓦斯會充斥到整個隧道之中，隧道內(nèi)整體濃度高于最大允許濃度1%，在這種情況下，對施工人員的身體健康造成很大的威脅，應立即停止施工，降低瓦斯?jié)舛戎磷畲笤试S范圍后再恢復施工。

（五）0.5m/s風速下模擬結(jié)果。在0.5m/s風速條件下，分別模擬了5min、30min、2h、6h在沒有施作襯砌的隧道內(nèi)瓦斯的分布情況。在不同時間下的模擬結(jié)果基本一致，如圖11所示。

圖11 0.5m/s風速下隧道內(nèi)瓦斯分布圖

從模擬結(jié)果中可以看出，0.5m/s風速條件下，通風效果顯著。掌子面處的瓦斯被稀釋并迅速被通風風流帶出掌子面，隧道內(nèi)瓦斯含量較低，只有極少量聚集在隧道兩個底角處。

三、結(jié)論

本文對某隧道穿越煤地層段施工為研究對象，在已有研究的基礎上，對瓦斯溢出、運移擴散規(guī)律及防治措施進行研究，得出以下結(jié)論。

（一）從理論上講，滲流場與溫度場保持著高度的一致性，若將對應參數(shù)進行代換，則滲流場與溫度場相互轉(zhuǎn)換。即可以采用溫度比擬法計算滲流場，從而有效獲得隧道瓦斯的擴散、滲流規(guī)律。

（二）無通風條件下，30min內(nèi)瓦斯基本聚集于距離掌子面3m范圍內(nèi)，2h內(nèi)瓦斯聚集掌子面的范圍變大，擴大至掌子面10m范圍內(nèi)，且平均值已經(jīng)大于1%，6h內(nèi)瓦斯已蔓延至整個尚未設置襯砌段隧道內(nèi)。施作襯砌的隧道只有洞壁四周有少量瓦斯?jié)B入且濃度低于最大允許值屬于安全范圍，所以設置襯砌對于防止瓦斯?jié)B入隧道效果顯著。

（三）在通風條件下，5min后掌子面附近的瓦斯?jié)舛妊杆俳档?，隨著時間增加隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛然緵]有變化，只有少量積聚在底腳處，此時隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛绕骄档陀谧畲蟀踩珴舛?。所以做好隧道?nèi)通風，為掌子面輸入新鮮空氣，降低隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛?，這是控制隧道內(nèi)有瓦斯積聚的最有效手段。