復雜地質條件下隧道瓦斯運移規律研究

俞 秀 趙光明 劉崇巖 余 濤

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

隨著山嶺地區現代交通的快速發展，公路隧道穿越包含有毒有害氣體的隧道越來越多[1]。以往在對山嶺地區的高速公路隧道進行設計時，考慮到建設及營運成本在內的各種限制因素，有些隧道不得不穿越有毒有害氣體地層區域[2-4]在現場施工時由毒害氣體引發的事故頻發，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塌方、涌突水、涌突泥、涌砂、洞內泥砂石流、巖爆等一樣, 成為一類常見的隧道施工地質災害[6]。

針對這類隧道，有不少學者都進行了研究。王登科[7]等利用自主研發的三軸瓦斯滲流實驗系統，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,對其進行低壓瓦斯滲流模擬,定量分析瓦斯在煤體中的滲流規律。位樂[9]通過煤體中瓦斯滲透性能測試,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瓦斯滲流規律進行了模擬研究，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,總結了米倉山隧道瓦斯、硫化氫等有毒有害氣體防治經驗。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值模擬，分析局扇布設位置對瓦斯濃度、風流速度分布的影響。國內外關于瓦斯滲流的理論研究和實驗研究已經十分成熟，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，對于瓦斯濃度的分布特征研究很有必要[14]。本文以工程實例為研究對象，借助數值模擬手段研究瓦斯溢出、運移規律并提出治理措施，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《鐵路瓦斯隧道技術規范》，隧道兩端地層段均屬高瓦斯工區。

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

二、瓦斯運移規律的數值模擬

（一）溫度比擬的實現。隧道開挖過程中，巖層中氣體的動態平衡遭到破壞，產生壓力梯度，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系，本文研究的瓦斯滲流為低速滲流，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中流動的連續性方程為

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，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，所以將對應的參數進行等值替換，則滲流場與溫度場相互轉換，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。已開挖部分圍巖網格采用四邊形網格劃分，隧道內部及未開挖巖體采用三角形網格劃分，劃分后的網格如圖2所示。

圖1 數值模擬幾何模型

圖2 模型網格劃分

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，瓦斯濃度與溫度換算公式為：

式中：Hw—瓦斯體積濃度，%

T—模型內任意一點的溫度，K

η1—換算系數，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距離掌子面一定距離范圍內和已設置襯砌段隧道內瓦斯濃度大小及其變化趨勢。

（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瓦斯的分布及積聚情況。

4.參數設定。各部分材料參數設定見表3。

表3 模型材料參數

（三）模擬結果分析。

1.瓦斯。

（1）道內不通風情況下模擬結果。30min隧道內瓦斯分布情況：

分析圖3可知，30min內瓦斯基本聚集于距離掌子面3m范圍內，距離掌子面5m至10m范圍內的瓦斯濃度已經非常小且都少量聚集在隧道洞壁處。距離掌子面1m范圍內最低濃度達到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滲入。

圖3 30min隧道內瓦斯分布圖

2h隧道內瓦斯分布情況：

圖4 2h隧道內瓦斯分布圖

分析以上結果可知，2h內瓦斯聚集掌子面的范圍變大，擴大至掌子面10m范圍內，距離掌子面1m范圍內最低濃度達到0.973%，接近最大允許值范圍，而此范圍內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濃度逐漸降低，10m以后濃度穩定基本不再變化，但是分布于隧道洞壁四周的瓦斯濃度已非常大。已設置襯砌隧道段依然基本無瓦斯滲入。

6h隧道內瓦斯分布情況：

圖5 6h隧道內瓦斯分布圖

分析以上結果可知，6h內瓦斯已蔓延至整個尚未設置襯砌段隧道內，距離掌子面1m范圍內最低濃度達到2.18%，遠超于最高允許值1%。整個隧道內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滲入。

（四）綜合分析。通過以上對于30min、2h、6h瓦斯在隧道內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，此時整個隧道內充斥著高濃度瓦斯。尤其是掌子面附近瓦斯濃度非常大，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育擴大使得圍巖中儲存的瓦斯滲流路徑增多，所以瓦斯以更快的速度蔓延至隧道內。掌子面附近瓦斯隨時間積聚規律如圖9所示。

圖9 掌子面瓦斯濃度隨時間變化曲線

掌子面附近1m處瓦斯濃度急劇增加，短時間內已遠超最大允許濃度，距離掌子面5m范圍內則在3h時超過最大允許濃度。由于極高的瓦斯濃度，會使在此區域的施工人員感到不適，長時間施工會對身體產生傷害。并且由計算結果可知，6h內瓦斯會充斥到整個隧道之中，隧道內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，降低瓦斯濃度至最大允許范圍后再恢復施工。

（五）0.5m/s風速下模擬結果。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瓦斯的分布情況。在不同時間下的模擬結果基本一致，如圖11所示。

圖11 0.5m/s風速下隧道內瓦斯分布圖

從模擬結果中可以看出，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，隧道內瓦斯含量較低，只有極少量聚集在隧道兩個底角處。

三、結論

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、運移擴散規律及防治措施進行研究，得出以下結論。

（一）從理論上講，滲流場與溫度場保持著高度的一致性，若將對應參數進行代換，則滲流場與溫度場相互轉換。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、滲流規律。

（二）無通風條件下，30min內瓦斯基本聚集于距離掌子面3m范圍內，2h內瓦斯聚集掌子面的范圍變大，擴大至掌子面10m范圍內，且平均值已經大于1%，6h內瓦斯已蔓延至整個尚未設置襯砌段隧道內。施作襯砌的隧道只有洞壁四周有少量瓦斯滲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滲入隧道效果顯著。

（三）在通風條件下，5min后掌子面附近的瓦斯濃度迅速降低，隨著時間增加隧道內瓦斯濃度基本沒有變化，只有少量積聚在底腳處，此時隧道內瓦斯濃度平均值低于最大安全濃度。所以做好隧道內通風，為掌子面輸入新鮮空氣，降低隧道內瓦斯濃度，這是控制隧道內有瓦斯積聚的最有效手段。