注漿前后穿越煤系地層隧道中瓦斯運移規(guī)律研究

俞秀

（安徽理工大學(xué)，安徽 淮南 232000）

目前我國高速公路的線形要求提升，隧道里程比重升高[1]。已經(jīng)成為了全世界隧道數(shù)量最多、發(fā)展最快的國家[2]。在隧道發(fā)展的過程中，經(jīng)常穿越復(fù)雜地層，如煤系地層或賦存高壓力的瓦斯煤層。此時瓦斯會向隧道開挖空間涌出，帶來安全隱患[3]。

在瓦斯隧道的修建過程中，瓦斯?jié)B出泄露事故時有發(fā)生。做好地層處置，能夠有效隔絕瓦斯的溢出[4]。李盼[5]通過在低瓦斯隧道中，在普通水泥中加入氣密劑，提升混凝土的抗氣密性性能，封閉了瓦斯擴散至隧道。周雄華[6]、魏力立[7]通過采用臺階法開挖保證開挖面積小，來控制瓦斯溢出并對開挖輪廓進行支護施做隔離層。耿彥生[8]針對瓦斯隧道，用支護手段封閉煤系地層的圍巖，截斷了瓦斯?jié)B入隧道內(nèi)，提高了施工安全。

本文依托實際工程對穿越含煤地層的公路瓦斯隧道進行研究分析，探明了注漿前后隧道內(nèi)瓦斯氣體滲流及分布規(guī)律，驗證注漿對防治隧道瓦斯?jié)B流的可行，從而保證隧道開挖過程中的安全性。

1 工程概況

隧道穿越段為碳酸鹽巖地層，進口段煤礦煤層瓦斯氣體壓力為0.41MPa，出口端為0.25MPa，噸煤瓦斯含量為4.91t/m3，各含煤地層段進行施工時，瓦斯涌出量均已超過0.5m3/min，隧道口兩端區(qū)域都處于高瓦斯含量區(qū)域。施工期間大量瓦斯氣體涌出突水突泥的風(fēng)險較大。隧道施工過程中會面臨斷層破碎帶、煤層復(fù)雜的地質(zhì)區(qū)域。

2 隧道圍巖注漿封堵

在隧道建設(shè)中，為提高巖土體自身的整體性、穩(wěn)定性和密實性，采取注漿的方式使巖土體內(nèi)部孔隙和裂隙得到填充，達到封堵瓦斯氣體溢出的目的。注漿效果主要受到漿液材料性質(zhì)和注漿參數(shù)的影響。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況選定好注漿材料后就可以進行注漿了。在施工中小導(dǎo)管的選用也是影響注漿效果的重要因素，要根據(jù)施工中的地質(zhì)情況來進行選用，保證注漿的效果。同時會根據(jù)實際工程中的地質(zhì)情況來選擇采用雙排管或者單排管進行注漿。注漿范圍根據(jù)工作面的范圍大小和開挖進尺長度來進行合適的選擇，保證注漿的效果。

3 工況選取及模型建立

以隧道實際尺寸為參考，利用ICEM 建立隧道開挖三維模型，選取基本幾何尺寸為：模擬土層為40×40×120m 范圍，其中隧道長度100m，注漿圈3m 厚，送風(fēng)管直徑1.6m，風(fēng)速19.4m/s。幾何模型基本示意圖如圖1 所示。其中靠近掌子面50m 范圍內(nèi)不設(shè)混凝土二次襯砌，后50m 設(shè)置混凝土二次襯砌，其橫截面布置如圖2所示。

圖1 三維模型示意圖

圖2 模型橫截面示意圖

4 模擬計算結(jié)果及分析

4.1 不注漿的情況

在不注漿的情況下，土層中的孔隙沒有被填充，因此設(shè)置模型中注漿圈的參數(shù)與地層參數(shù)一致。

從圖3 可以看出，地層中存在大量瓦斯氣體，在隧道開挖中會不斷向隧道內(nèi)擴散，隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛热Q于瓦斯?jié)B入量和風(fēng)管的通風(fēng)量。從圖4 中可以看出在掌子面附近，有風(fēng)管向掌子面提供新鮮空氣，因此該區(qū)域瓦斯?jié)舛容^低。

圖3 不注漿情況下瓦斯?jié)舛确植?/p>

圖4 不注漿的情況下隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛确植?/p>

隨著瓦斯的滲入，向出口方向遠離風(fēng)管口位置區(qū)域的瓦斯?jié)舛仍絹碓礁撸O(shè)置二次襯砌的區(qū)域瓦斯不再滲入，瓦斯?jié)舛确€(wěn)定。

通過圖5 和圖6 對橫截面的分析得到隧道內(nèi)的瓦斯?jié)舛葹?3%，若此時隧道內(nèi)出現(xiàn)明火則會發(fā)生爆炸，產(chǎn)生嚴重的瓦斯事故。

圖5 距離掌子面25m 處瓦斯?jié)舛确植?/p>

圖6 距離掌子面70m 處瓦斯?jié)舛确植?/p>

4.2 注漿的情況

注漿后的參數(shù)設(shè)置模型中注漿圈的內(nèi)部阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)，其他條件則保持不變。計算完成后，設(shè)置一個水平截面并顯示其瓦斯分布，結(jié)果如圖7 所示，取其中隧道內(nèi)部分進行分析，如圖8 所示。同時，分別取隧道內(nèi)距離掌子面25m 和70m 兩處橫截面，其瓦斯?jié)舛确植既鐖D9 和10 所示。

圖7 注漿情況下瓦斯?jié)舛确植?/p>

圖8 注漿的情況下隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛确植?/p>

圖9 距離掌子面25m 處瓦斯?jié)舛确植?/p>

進行注漿后，隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛确€(wěn)定后大約為0.69%。在地層和隧道間有一個濃度漸變的區(qū)域，該區(qū)域的大小可以用來衡量瓦斯?jié)B透快慢，如果該區(qū)域面積大，則說明瓦斯?jié)舛茸兓^慢，該區(qū)域的材料隔絕瓦斯能力較弱；反之該區(qū)域面積小則說明材料隔絕瓦斯的能力強。

圖10 距離掌子面70m 處瓦斯?jié)舛确植?/p>

5 結(jié)論

隧道開挖過程中在對圍巖不注漿的情況下，瓦斯會向隧道內(nèi)滲透，隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛热Q于瓦斯?jié)B入量和通風(fēng)量。在掌子面附近，由于有風(fēng)管向掌子面持續(xù)提供新鮮空氣，因此該區(qū)域瓦斯?jié)舛容^低。隨著瓦斯的滲入，出口方向的瓦斯?jié)舛仍絹碓礁撸O(shè)置二次襯砌的部分瓦斯不再滲入，瓦斯?jié)舛确€(wěn)定，通過對橫截面的分析得到隧道內(nèi)的瓦斯?jié)舛葹?3%，此時應(yīng)建議施工單位立即停止施工，采取相應(yīng)的措施將瓦斯?jié)舛然謴?fù)到安全范圍內(nèi)。

在注漿情況下，隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛确€(wěn)定后大約為0.69%。在地層和隧道間有一個濃度漸變的區(qū)域，如果該區(qū)域面積大說明瓦斯?jié)B透量大；反之該區(qū)域面積小說明瓦斯?jié)B透量小。

對比注漿前后，注漿前的瓦斯?jié)舛茸兓瘏^(qū)域面積遠大于注漿后，注漿后的地層在注漿圈的區(qū)域可以看到對瓦斯的隔絕效果，對隧道瓦斯?jié)舛确治鲆部梢钥闯鲎{可以顯著減少瓦斯?jié)舛取Ｋ允┕み^程中對圍巖進行注漿是降低瓦斯?jié)舛鹊挠行侄巍?/p>