注浆前后穿越煤系地层隧道中瓦斯运移规律研究

俞秀

（安徽理工大学，安徽 淮南 232000）

目前我国高速公路的线形要求提升，隧道里程比重升高[1]。已经成为了全世界隧道数量最多、发展最快的国家[2]。在隧道发展的过程中，经常穿越复杂地层，如煤系地层或赋存高压力的瓦斯煤层。此时瓦斯会向隧道开挖空间涌出，带来安全隐患[3]。

在瓦斯隧道的修建过程中，瓦斯渗出泄露事故时有发生。做好地层处置，能够有效隔绝瓦斯的溢出[4]。李盼[5]通过在低瓦斯隧道中，在普通水泥中加入气密剂，提升混凝土的抗气密性性能，封闭了瓦斯扩散至隧道。周雄华[6]、魏力立[7]通过采用台阶法开挖保证开挖面积小，来控制瓦斯溢出并对开挖轮廓进行支护施做隔离层。耿彦生[8]针对瓦斯隧道，用支护手段封闭煤系地层的围岩，截断了瓦斯渗入隧道内，提高了施工安全。

本文依托实际工程对穿越含煤地层的公路瓦斯隧道进行研究分析，探明了注浆前后隧道内瓦斯气体渗流及分布规律，验证注浆对防治隧道瓦斯渗流的可行，从而保证隧道开挖过程中的安全性。

1 工程概况

隧道穿越段为碳酸盐岩地层，进口段煤矿煤层瓦斯气体压力为0.41MPa，出口端为0.25MPa，吨煤瓦斯含量为4.91t/m3，各含煤地层段进行施工时，瓦斯涌出量均已超过0.5m3/min，隧道口两端区域都处于高瓦斯含量区域。施工期间大量瓦斯气体涌出突水突泥的风险较大。隧道施工过程中会面临断层破碎带、煤层复杂的地质区域。

2 隧道围岩注浆封堵

在隧道建设中，为提高岩土体自身的整体性、稳定性和密实性，采取注浆的方式使岩土体内部孔隙和裂隙得到填充，达到封堵瓦斯气体溢出的目的。注浆效果主要受到浆液材料性质和注浆参数的影响。

根据现场地质情况选定好注浆材料后就可以进行注浆了。在施工中小导管的选用也是影响注浆效果的重要因素，要根据施工中的地质情况来进行选用，保证注浆的效果。同时会根据实际工程中的地质情况来选择采用双排管或者单排管进行注浆。注浆范围根据工作面的范围大小和开挖进尺长度来进行合适的选择，保证注浆的效果。

3 工况选取及模型建立

以隧道实际尺寸为参考，利用ICEM 建立隧道开挖三维模型，选取基本几何尺寸为：模拟土层为40×40×120m 范围，其中隧道长度100m，注浆圈3m 厚，送风管直径1.6m，风速19.4m/s。几何模型基本示意图如图1 所示。其中靠近掌子面50m 范围内不设混凝土二次衬砌，后50m 设置混凝土二次衬砌，其横截面布置如图2所示。

图1 三维模型示意图

图2 模型横截面示意图

4 模拟计算结果及分析

4.1 不注浆的情况

在不注浆的情况下，土层中的孔隙没有被填充，因此设置模型中注浆圈的参数与地层参数一致。

从图3 可以看出，地层中存在大量瓦斯气体，在隧道开挖中会不断向隧道内扩散，隧道内瓦斯浓度取决于瓦斯渗入量和风管的通风量。从图4 中可以看出在掌子面附近，有风管向掌子面提供新鲜空气，因此该区域瓦斯浓度较低。

图3 不注浆情况下瓦斯浓度分布

图4 不注浆的情况下隧道内瓦斯浓度分布

随着瓦斯的渗入，向出口方向远离风管口位置区域的瓦斯浓度越来越高，设置二次衬砌的区域瓦斯不再渗入，瓦斯浓度稳定。

通过图5 和图6 对横截面的分析得到隧道内的瓦斯浓度为13%，若此时隧道内出现明火则会发生爆炸，产生严重的瓦斯事故。

图5 距离掌子面25m 处瓦斯浓度分布

图6 距离掌子面70m 处瓦斯浓度分布

4.2 注浆的情况

注浆后的参数设置模型中注浆圈的内部阻力系数和粘性阻力系数，其他条件则保持不变。计算完成后，设置一个水平截面并显示其瓦斯分布，结果如图7 所示，取其中隧道内部分进行分析，如图8 所示。同时，分别取隧道内距离掌子面25m 和70m 两处横截面，其瓦斯浓度分布如图9 和10 所示。

图7 注浆情况下瓦斯浓度分布

图8 注浆的情况下隧道内瓦斯浓度分布

图9 距离掌子面25m 处瓦斯浓度分布

进行注浆后，隧道内瓦斯浓度稳定后大约为0.69%。在地层和隧道间有一个浓度渐变的区域，该区域的大小可以用来衡量瓦斯渗透快慢，如果该区域面积大，则说明瓦斯浓度变化较慢，该区域的材料隔绝瓦斯能力较弱；反之该区域面积小则说明材料隔绝瓦斯的能力强。

图10 距离掌子面70m 处瓦斯浓度分布

5 结论

隧道开挖过程中在对围岩不注浆的情况下，瓦斯会向隧道内渗透，隧道内瓦斯浓度取决于瓦斯渗入量和通风量。在掌子面附近，由于有风管向掌子面持续提供新鲜空气，因此该区域瓦斯浓度较低。随着瓦斯的渗入，出口方向的瓦斯浓度越来越高，设置二次衬砌的部分瓦斯不再渗入，瓦斯浓度稳定，通过对横截面的分析得到隧道内的瓦斯浓度为13%，此时应建议施工单位立即停止施工，采取相应的措施将瓦斯浓度恢复到安全范围内。

在注浆情况下，隧道内瓦斯浓度稳定后大约为0.69%。在地层和隧道间有一个浓度渐变的区域，如果该区域面积大说明瓦斯渗透量大；反之该区域面积小说明瓦斯渗透量小。

对比注浆前后，注浆前的瓦斯浓度变化区域面积远大于注浆后，注浆后的地层在注浆圈的区域可以看到对瓦斯的隔绝效果，对隧道瓦斯浓度分析也可以看出注浆可以显著减少瓦斯浓度。所以施工过程中对围岩进行注浆是降低瓦斯浓度的有效手段。