临近高压气井对隧道施工安全的影响分析

项荣军，卢保东，周志顺，付晓壮，王 镪

(中铁十六局集团路桥工程有限公司，北京 101500)

本文以黄瓜山隧道及其临近高压气井为研究对象，在对地质、施工和现场资料进行分析的基础上，结合数值模拟结果提出了隧道施工中应注意到的因素，并对可能出现的有害气体泄漏、瓦斯涌出、围岩失稳等灾害提出对策与建议。

1 工程背景

黄瓜山隧道位于重庆市永川区南大街虎石坝村，隧址区属于构造剥蚀低山地貌，为狭窄条状山，走向自东北而西南延伸与构造线一致，隧道最大埋深约225.5 m。该区属四川盆地中亚热带湿润气候区，气候温和四季分明，雨量充沛，无霜期长，季风气候显著。勘察区地表水系属长江水系，多呈树枝状，次有羽毛状。隧址区地层主要为第四系人工填土、残坡积层、崩坡堆积层、三叠系上统须家河组。隧道左线K4+180左64 m存在一废弃的黄瓜山19井，井口装置CY-160型，井口装置完好，存在5.8 MPa的气藏压力。气井内藏压力对隧道围岩和掌子面存在附加应力，在隧道开挖过程中，应力释放可能产生较大的坍塌。

2 高压气井对隧道影响分析

2.1 隧道施工中存在的问题

在隧道围岩开挖过程中工作面前方围岩是处于不断压密的状态，渗透率也因此在减小，而当岩体被挖出后，渗透率随着内在应力的释放而增加，该过程易导致隧道内的瓦斯浓度上升。其次煤岩渗透率的变化由煤岩的变形损伤演化过程决定，当煤岩发生破坏后导致煤岩变形较快，渗透率会因此迅速增加。因此，在研究隧道瓦斯灾害、围岩变形等危险时应充分考虑到气体、围岩、施工等多种因素。

该井对隧道施工形成的安全隐患主要有两点，一是隧道在穿越时，由于该井井下不是垂直井眼，与气井井筒有较高概率交叉，将造成井筒水泥环破损，有毒气体将泄露；二是修建隧道进行施工爆破作业时，爆炸波将造成井筒水泥环破损坍塌，进而引起井内残余瓦斯气体通过渗流作用影响到隧道的施工安全。

(1)围岩稳定性问题

黄瓜山19号井位于隧道左线K4+180左64 m处，开井时间为1958年9月，在1979年12月停产。由于气井仍存在5.8 MPa的气藏压力，根据地区工程经验和场地裂隙较发育情况，气井在气藏力作用下有所增大，影响半径约为120 m。根据经验公式计算，气井影响隧道右线范围为K4+122.2～K4+259，隧道左线影响范围为K+072.8～K4+282.5；同时，气井内藏压力对隧道围岩岩体存在附应加力影响，且由于该施工段围岩等级较低为Ⅳ级围岩，故在隧道成洞过程中发生应力释放，可能会产生较大的坍塌，影响隧道围岩稳定性。

(2)瓦斯灾害

黄瓜山19号井为天然气开采井，虽已废弃但开采面并没有封堵，且该施工段也处在低瓦斯工作区中，但瓦斯存在一定的压力，受压状态瓦斯容易产生积聚而形成瓦斯突出。故在施工过程中需特别注意施工扰动对瓦斯产生的影响和瓦斯浓度，防止瓦斯泄漏、瓦斯爆炸和瓦斯中毒等瓦斯灾害。

(3)高压气井水泥环坍塌

由于施工过程中会应用到爆破等开挖手段，必会对周边造成一定程度的扰动，尤其因为气井本身存在藏压力会对隧道围岩岩体存在附加力影响，故在开挖过程中产生的扰动，可能会使气井水泥环造成破坏甚至坍塌。

2.2 隧道围岩气固耦合模型分析

隧道与气井间的岩层是承担高压与瓦斯渗透的物理材料，其距离厚度对施工安全影响非常显著，基于有限元法使用COMSOL MULTIPHYSICS软件建立与实际案例条件一致的有限元模型进行模拟分析。

(1)材料参数

黄瓜山隧道临近高压气井施工段的围岩主要的力学参数见表1。

表1 围岩与瓦斯参数

(2)数值分析模型

有限元模型为二维平面模型，模型的建立分为三个部分：隧道、高压气井、周边地质模块，整个模型高98 m，宽90 m，左边半圆形为高压气井，埋深20 m，下方为施工隧道顶部。

为了研究临近高压气井对隧道开挖稳定性的影响，根据既有高压气井与隧道的位置关系，分别对隧道与高压气井的距离为64 m(实际情况)、30 m、15 m进行计算。运用结构力学模块、自由和多孔介质流动模块进行计算。其中对于收敛条件的设置在本数值计算过程中，通过对容差与残差的设定来监视解的收敛性。当系统达到所设定精度后，自动结束迭代过程。

图1 基础模型网格图

(3)气井与隧道间瓦斯压力

根据图2所示，在高压气井与隧道围岩距离64 m时，隧道围岩处瓦斯压力很低，尚未对隧道施工安全产生影响；30 m情况下，瓦斯压力明显增强，易发生瓦斯突出灾害；15 m情况下，围岩表面瓦斯压力在近气井方向甚至超过了气藏压力本身，这是由于隧道开挖对围岩产生扰动导致围压压缩瓦斯气体致使其压力升高，此时隧道内瓦斯浓度升高且易发生瓦斯突出灾害进而致使各类瓦斯灾害发生概率升高。随着计算距离的缩短，高压气井对隧道瓦斯压力在30 m时开始显著增强。

图2 气井与隧道间瓦斯压力云图

通过对以上数值模拟结果的分析可以得出。

(1)气井距隧道的位置关系应控制在大于30 m的距离，在这个范围中，气井对隧道的影响并不明显，可以通过实时的瓦斯监控与合理的支护与衬砌设置来降低隧道安全事故灾害的发生概率。

(2)而当距离低于30 m时，隧道会受到气井内藏气压的附加应力的影响，隧道轮廓会发生变形，对隧道安全施工造成不良影响并且使施工安全投入增加。

(3)最后通过数值模拟算出气井影响半径约120.81 m，可确定气井影响隧道右线范围：K4+122.7～K4+259.5，隧道左线影响范围：K+072.3～K4+282.7。

最后，在将数值模拟结果与实际现场调查结果进行比对后，实际现场调查报告中气井的影响半径为120 m，气井影响隧道右线范围：K4+122.2～K4+259，隧道左线影响范围：K+072.8～K4+282.5，故数值模拟结果相对准确，对分析实际临近高压气段对隧道安全的影响有实际价值与意义。

3 临近高压气井隧道施工段对策分析

3.1 高压气井与隧道安全距离

隧道与既有气井间的安全距离直接影响隧道施工安全性，必须对安全距离进行判断。安全距离可以通过经验估算和理论计算得到，计算过程必须结合现场围岩水平、气井压力和尺寸、相对空间位置、埋深等参数确定。在施工中通过超前地质钻探获取隧道围岩的地质构造和煤系地层的各项参数。采用TGP隧道地质超前预报系统对隧道全断面及围岩的岩层、构造破碎带、软弱岩层带、煤系地层等进行探测。隧道断面施工每开挖30 m进行超前探测钻孔，钻孔长度为35 m，其孔径为75 mm在钻孔过程中对瓦斯涌出情况进行检测，重点检测瓦斯涌出变化以及CO、H2S等有毒有害气体异常涌出的情况。最后根据探测数据计算安全距离，为规避施工危险提供参考。

3.2 灾害监测

隧道监测对于灾害的预防和应急处理是至关重要的，可以在第一时间了解隧道开挖的情况，能够在灾害发生后及时作出相应的应急措施，尤其在临近高压气隧道开挖段是可以通过完善的监测来避免灾害威胁到生命财产。首先应该对隧道围岩压力和位移的变化做到实时监控，其次隧道的修建全程应伴随瓦斯浓度的监控量测，尤其对于临近高压气井施工段更是必要的，对于该工段施工瓦斯监测指标方面应格外注意两个参数：一是瓦斯压力，另一个是瓦斯涌出量。但需要注意的是这两项数据为静态数据，故监测频率应尽量保证可以对隧道内的瓦斯压力和瓦斯涌出量的实时监控性。

瓦斯浓度监测应从机器与人工两方面入手展开，瓦斯浓度监测可以使用KJ70N型瓦斯自动化监控系统进行监测，瓦斯浓度必须严格控制在0.5%以下。其次应在施工中，指定专人对隧道内的瓦斯浓度和通风质量进行监控，并且需对洞内围岩及地面变形进行监测，出现异常要做到立即停工。

3.3 安全支护和瓦斯控制

为避免瓦斯积聚和瓦斯爆炸等危险情况的出现，加强通风降低瓦斯浓度是保证施工安全的重要手段。根据隧道内的瓦斯涌出情况，确定足够的通风量和合适的通风设备及布置方案，实时监测瓦斯涌出量以保证对应的通风量。若隧道与气井的距离会受气井的影响，在评估其危险程度后制定具体支护方案。

3.4 安全管理

隧道的安全施工离不开合理完善的隧道的安全管理体系与方法，始终把安全放在第一位，建设单位必须始终坚持安全第一和预防为主的方针。作业人员作为生产活动中的基本载体，起着不可替代的作用，灾害的发生与人为的误操作和水平有着密切联系。因此，确保生产活动中人的行为安全性对降低事故灾害发生概率有着至关重要的作用。明确各岗位的安全责任，实行岗位责任制；设立监督机制，明确奖罚制度，实行监督组轮换制，确保监督力度，对各级各类人员进行定期的安全检查、考核、奖惩兑现；明确合理的劳动组织，采用合理规范的作业方法和动作，作业人员持证上岗，并定期开展安全教育培训。

4 结 语

高压气井距隧道的位置关系应控制在安全距离，安全距离主要受围岩水平、气井压力和尺寸、相对空间位置、埋深等参数的影响，为确保隧道在复杂环境下的安全施工，根据工程实际情况计算安全距离是避免危险的有效手段。穿越危险地质层的隧道施工中，在保证施工安全的前提下，对施工人员专业性、施工技术的要求比较高，应加强对现场人员、设备和环境的管理；在监控方面，从水平位移、垂直位移和瓦斯压力与浓度方面进行监控，引入实时自动化与人工结合的监控方式，结合监测数据对施工环境的变化趋势进行预测，灾害预测是有效预防或降低隧道施工灾害损失的途径；同时确保隧道的通风、围岩支护有效性，避免瓦斯、围岩变形对作业人员造成伤害。面对含瓦斯危险的隧道施工，必须从各方面严格控制瓦斯风险和围岩变形风险，制定切实可行的安全措施确保施工安全，同时保证公路隧道建设的经济效益。