复杂地质条件下隧道瓦斯运移规律研究

俞 秀 赵光明 刘崇岩 余 涛

（1.安徽理工大学矿业工程学院 安徽淮南 232000；2.西南交通大学 四川成都 610031）

随着山岭地区现代交通的快速发展，公路隧道穿越包含有毒有害气体的隧道越来越多[1]。以往在对山岭地区的高速公路隧道进行设计时，考虑到建设及营运成本在内的各种限制因素，有些隧道不得不穿越有毒有害气体地层区域[2-4]在现场施工时由毒害气体引发的事故频发，包括瓦斯爆炸、冒顶与塌方、瓦斯突出、瓦斯窒息等[5]，其中瓦斯灾害与围岩变形失稳塌方、涌突水、涌突泥、涌砂、洞内泥砂石流、岩爆等一样, 成为一类常见的隧道施工地质灾害[6]。

针对这类隧道，有不少学者都进行了研究。王登科[7]等利用自主研发的三轴瓦斯渗流实验系统，对煤层瓦斯的渗流特性进行了研究。公维宽[8]等使用CFX流体仿真模拟建模的方法,对其进行低压瓦斯渗流模拟,定量分析瓦斯在煤体中的渗流规律。位乐[9]通过煤体中瓦斯渗透性能测试,采用渗流理论分析瓦斯在煤体中的渗流机制。谭云亮[10]、田智威[11]等对含有裂隙的煤体内瓦斯渗流规律进行了模拟研究，获得了不同裂隙分布对瓦斯流动的影响。黄志煌[12]等详细叙述了米仓山隧道瓦斯、硫化氢等有毒有害气体的防治和安全管理过程,总结了米仓山隧道瓦斯、硫化氢等有毒有害气体防治经验。彭佩[13]等利用流体力学软件Fluent建立隧道三维模型并进行数值模拟，分析局扇布设位置对瓦斯浓度、风流速度分布的影响。国内外关于瓦斯渗流的理论研究和实验研究已经十分成熟，但是大多是以煤矿开采为背景进行研究。而瓦斯的存在对于隧道的施工和运营都留下安全隐患，为确保隧道施工过程中的安全，对于瓦斯浓度的分布特征研究很有必要[14]。本文以工程实例为研究对象，借助数值模拟手段研究瓦斯溢出、运移规律并提出治理措施，为类似工程隧道建设提供参考。

一、工程概况

隧道洞身穿越段主要为碳酸盐岩地层，地下水丰富，隧道多出现股状涌水，隧道于进口端穿越煤矿南端，出口端穿越另三个煤矿。进口段煤矿正连煤层瓦斯压力0.33MPa，吨煤瓦斯含量为4.47t/m3，出口端正连煤层压力为0.23MPa，吨煤瓦斯含量为4.91t/m3，各含煤段施工绝对瓦斯涌出量均已超过0.5m3/min，根据《铁路瓦斯隧道技术规范》，隧道两端地层段均属高瓦斯工区。

隧道穿越有毒有害气体地层，且岩溶及岩溶水极其发育，隧道工程与水环境相互作用强烈，施工期间有毒有害气体大量涌出，突水突泥的风险较大。根据隧道的地址条件特点及前期的地质勘查资料，有毒有害气体主要指以煤系地层为代表的瓦斯。

二、瓦斯运移规律的数值模拟

（一）温度比拟的实现。隧道开挖过程中，岩层中气体的动态平衡遭到破坏，产生压力梯度，于是在压力梯度的作用下，岩层裂隙中的气体发生流动，也就是气体的渗流。达西公式只能用来描述线性渗流关系，本文研究的瓦斯渗流为低速渗流，达西公式并不适用，公式修正为：

式中：v—流速

J—渗流坡降

J0—起始坡降

（1）微分方程

不可压缩流体在刚体介质中流动的连续性方程为

将达西公式带入便可得微分方程

当各向同性且渗透性为常数，则得到拉普拉斯方程

（2）边界条件和初始条件

初始条件即为第一类边界条件在0时刻的表达渗流场和温度场，在物理特性、基础理论、初始条件、控制方程及边界条件上存在高度相似，如表1所示，所以将对应的参数进行等值替换，则渗流场与温度场相互转换，也就是说可以采用温度比拟法计算渗流场。本研究基于温度比拟法，通过FLUENT软件模拟隧道瓦斯气体的扩散、渗流规律。

表1 温度场与渗流场比较

（二）模型的建立。

1.几何建模。模型尺寸200m×50m×50m，隧道断面为马蹄形断面，隧道开挖170m，其中100m已设置衬砌，衬砌厚度20cm，距离掌子面70m范围内尚未设置衬砌，风管直径1.2m，风管长度155m，如图1所示。已开挖部分围岩网格采用四边形网格划分，隧道内部及未开挖岩体采用三角形网格划分，划分后的网格如图2所示。

图1 数值模拟几何模型

图2 模型网格划分

本文研究的某隧道围岩中主要毒害气体为瓦斯，通过钻孔测得岩体内瓦斯气体含量如表2所示。

表2 隧道钻孔气体检测表

2.换算公式。对于游离瓦斯，温度场设置范围为300-600K，瓦斯浓度与温度换算公式为：

式中：Hw—瓦斯体积浓度，%

T—模型内任意一点的温度，K

η1—换算系数，瓦斯取0.0291

3.计算工况。本文主要对通风与不通风两种工况进行模拟计算，以获取不通风的情况下有毒有害气体渗入隧道之后的蔓延规律以及聚集分布情况和0.5m/s风速条件下的通风效果。

（1）不进行通风。不对掌子面进行通风，分别观察不同时间内距离掌子面一定距离范围内和已设置衬砌段隧道内瓦斯浓度大小及其变化趋势。

（2）在隧道施工的同时进行通风，风速为0.5m/s，观察整个隧道范围内瓦斯的分布及积聚情况。

4.参数设定。各部分材料参数设定见表3。

表3 模型材料参数

（三）模拟结果分析。

1.瓦斯。

（1）道内不通风情况下模拟结果。30min隧道内瓦斯分布情况：

分析图3可知，30min内瓦斯基本聚集于距离掌子面3m范围内，距离掌子面5m至10m范围内的瓦斯浓度已经非常小且都少量聚集在隧道洞壁处。距离掌子面1m范围内最低浓度达到0.43%。随着距离的增加浓度逐渐降低，3m以后浓度非常小且基本不再变化。但是在设置衬砌的隧道段基本没有瓦斯渗入。

图3 30min隧道内瓦斯分布图

2h隧道内瓦斯分布情况：

图4 2h隧道内瓦斯分布图

分析以上结果可知，2h内瓦斯聚集掌子面的范围变大，扩大至掌子面10m范围内，距离掌子面1m范围内最低浓度达到0.973%，接近最大允许值范围，而此范围内平均值已大于最高允许值1%[15]，已不适合工作人员进行施工，会危及到施工人员的安全。随着距离的增加瓦斯浓度逐渐降低，10m以后浓度稳定基本不再变化，但是分布于隧道洞壁四周的瓦斯浓度已非常大。已设置衬砌隧道段依然基本无瓦斯渗入。

6h隧道内瓦斯分布情况：

图5 6h隧道内瓦斯分布图

分析以上结果可知，6h内瓦斯已蔓延至整个尚未设置衬砌段隧道内，距离掌子面1m范围内最低浓度达到2.18%，远超于最高允许值1%。整个隧道内充斥着高浓度的瓦斯。设置衬砌隧道段只有掌子面有少量瓦斯渗入。

（四）综合分析。通过以上对于30min、2h、6h瓦斯在隧道内蔓延速度的分析可以看出，隧道处于密闭的条件下，时间越长瓦斯含量越高。6h后瓦斯已蔓延至整个隧道，此时整个隧道内充斥着高浓度瓦斯。尤其是掌子面附近瓦斯浓度非常大，已不适合进行施工会危及到工作人员的生命健康。隧道施工过程中围岩受到扰动后裂缝发育扩大使得围岩中储存的瓦斯渗流路径增多，所以瓦斯以更快的速度蔓延至隧道内。掌子面附近瓦斯随时间积聚规律如图9所示。

图9 掌子面瓦斯浓度随时间变化曲线

掌子面附近1m处瓦斯浓度急剧增加，短时间内已远超最大允许浓度，距离掌子面5m范围内则在3h时超过最大允许浓度。由于极高的瓦斯浓度，会使在此区域的施工人员感到不适，长时间施工会对身体产生伤害。并且由计算结果可知，6h内瓦斯会充斥到整个隧道之中，隧道内整体浓度高于最大允许浓度1%，在这种情况下，对施工人员的身体健康造成很大的威胁，应立即停止施工，降低瓦斯浓度至最大允许范围后再恢复施工。

（五）0.5m/s风速下模拟结果。在0.5m/s风速条件下，分别模拟了5min、30min、2h、6h在没有施作衬砌的隧道内瓦斯的分布情况。在不同时间下的模拟结果基本一致，如图11所示。

图11 0.5m/s风速下隧道内瓦斯分布图

从模拟结果中可以看出，0.5m/s风速条件下，通风效果显著。掌子面处的瓦斯被稀释并迅速被通风风流带出掌子面，隧道内瓦斯含量较低，只有极少量聚集在隧道两个底角处。

三、结论

本文对某隧道穿越煤地层段施工为研究对象，在已有研究的基础上，对瓦斯溢出、运移扩散规律及防治措施进行研究，得出以下结论。

（一）从理论上讲，渗流场与温度场保持着高度的一致性，若将对应参数进行代换，则渗流场与温度场相互转换。即可以采用温度比拟法计算渗流场，从而有效获得隧道瓦斯的扩散、渗流规律。

（二）无通风条件下，30min内瓦斯基本聚集于距离掌子面3m范围内，2h内瓦斯聚集掌子面的范围变大，扩大至掌子面10m范围内，且平均值已经大于1%，6h内瓦斯已蔓延至整个尚未设置衬砌段隧道内。施作衬砌的隧道只有洞壁四周有少量瓦斯渗入且浓度低于最大允许值属于安全范围，所以设置衬砌对于防止瓦斯渗入隧道效果显著。

（三）在通风条件下，5min后掌子面附近的瓦斯浓度迅速降低，随着时间增加隧道内瓦斯浓度基本没有变化，只有少量积聚在底脚处，此时隧道内瓦斯浓度平均值低于最大安全浓度。所以做好隧道内通风，为掌子面输入新鲜空气，降低隧道内瓦斯浓度，这是控制隧道内有瓦斯积聚的最有效手段。