項榮軍，盧保東，周志順，付曉壯，王 鏹

(中鐵十六局集團路橋工程有限公司，北京 101500)

本文以黃瓜山隧道及其臨近高壓氣井為研究對象，在對地質(zhì)、施工和現(xiàn)場資料進行分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果提出了隧道施工中應(yīng)注意到的因素，并對可能出現(xiàn)的有害氣體泄漏、瓦斯涌出、圍巖失穩(wěn)等災(zāi)害提出對策與建議。

1 工程背景

黃瓜山隧道位于重慶市永川區(qū)南大街虎石壩村，隧址區(qū)屬于構(gòu)造剝蝕低山地貌，為狹窄條狀山，走向自東北而西南延伸與構(gòu)造線一致，隧道最大埋深約225.5 m。該區(qū)屬四川盆地中亞熱帶濕潤氣候區(qū)，氣候溫和四季分明，雨量充沛，無霜期長，季風(fēng)氣候顯著?？辈靺^(qū)地表水系屬長江水系，多呈樹枝狀，次有羽毛狀。隧址區(qū)地層主要為第四系人工填土、殘坡積層、崩坡堆積層、三疊系上統(tǒng)須家河組。隧道左線K4+180左64 m存在一廢棄的黃瓜山19井，井口裝置CY-160型，井口裝置完好，存在5.8 MPa的氣藏壓力。氣井內(nèi)藏壓力對隧道圍巖和掌子面存在附加應(yīng)力，在隧道開挖過程中，應(yīng)力釋放可能產(chǎn)生較大的坍塌。

2 高壓氣井對隧道影響分析

2.1 隧道施工中存在的問題

在隧道圍巖開挖過程中工作面前方圍巖是處于不斷壓密的狀態(tài)，滲透率也因此在減小，而當(dāng)巖體被挖出后，滲透率隨著內(nèi)在應(yīng)力的釋放而增加，該過程易導(dǎo)致隧道內(nèi)的瓦斯?jié)舛壬仙?。其次煤巖滲透率的變化由煤巖的變形損傷演化過程決定，當(dāng)煤巖發(fā)生破壞后導(dǎo)致煤巖變形較快，滲透率會因此迅速增加。因此，在研究隧道瓦斯災(zāi)害、圍巖變形等危險時應(yīng)充分考慮到氣體、圍巖、施工等多種因素。

該井對隧道施工形成的安全隱患主要有兩點，一是隧道在穿越時，由于該井井下不是垂直井眼，與氣井井筒有較高概率交叉，將造成井筒水泥環(huán)破損，有毒氣體將泄露；二是修建隧道進行施工爆破作業(yè)時，爆炸波將造成井筒水泥環(huán)破損坍塌，進而引起井內(nèi)殘余瓦斯氣體通過滲流作用影響到隧道的施工安全。

(1)圍巖穩(wěn)定性問題

黃瓜山19號井位于隧道左線K4+180左64 m處，開井時間為1958年9月，在1979年12月停產(chǎn)。由于氣井仍存在5.8 MPa的氣藏壓力，根據(jù)地區(qū)工程經(jīng)驗和場地裂隙較發(fā)育情況，氣井在氣藏力作用下有所增大，影響半徑約為120 m。根據(jù)經(jīng)驗公式計算，氣井影響隧道右線范圍為K4+122.2～K4+259，隧道左線影響范圍為K+072.8～K4+282.5；同時，氣井內(nèi)藏壓力對隧道圍巖巖體存在附應(yīng)加力影響，且由于該施工段圍巖等級較低為Ⅳ級圍巖，故在隧道成洞過程中發(fā)生應(yīng)力釋放，可能會產(chǎn)生較大的坍塌，影響隧道圍巖穩(wěn)定性。

(2)瓦斯災(zāi)害

黃瓜山19號井為天然氣開采井，雖已廢棄但開采面并沒有封堵，且該施工段也處在低瓦斯工作區(qū)中，但瓦斯存在一定的壓力，受壓狀態(tài)瓦斯容易產(chǎn)生積聚而形成瓦斯突出。故在施工過程中需特別注意施工擾動對瓦斯產(chǎn)生的影響和瓦斯?jié)舛?，防止瓦斯泄漏、瓦斯爆炸和瓦斯中毒等瓦斯?zāi)害。

(3)高壓氣井水泥環(huán)坍塌

由于施工過程中會應(yīng)用到爆破等開挖手段，必會對周邊造成一定程度的擾動，尤其因為氣井本身存在藏壓力會對隧道圍巖巖體存在附加力影響，故在開挖過程中產(chǎn)生的擾動，可能會使氣井水泥環(huán)造成破壞甚至坍塌。

2.2 隧道圍巖氣固耦合模型分析

隧道與氣井間的巖層是承擔(dān)高壓與瓦斯?jié)B透的物理材料，其距離厚度對施工安全影響非常顯著，基于有限元法使用COMSOL MULTIPHYSICS軟件建立與實際案例條件一致的有限元模型進行模擬分析。

(1)材料參數(shù)

黃瓜山隧道臨近高壓氣井施工段的圍巖主要的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖與瓦斯參數(shù)

(2)數(shù)值分析模型

有限元模型為二維平面模型，模型的建立分為三個部分：隧道、高壓氣井、周邊地質(zhì)模塊，整個模型高98 m，寬90 m，左邊半圓形為高壓氣井，埋深20 m，下方為施工隧道頂部。

為了研究臨近高壓氣井對隧道開挖穩(wěn)定性的影響，根據(jù)既有高壓氣井與隧道的位置關(guān)系，分別對隧道與高壓氣井的距離為64 m(實際情況)、30 m、15 m進行計算。運用結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊、自由和多孔介質(zhì)流動模塊進行計算。其中對于收斂條件的設(shè)置在本數(shù)值計算過程中，通過對容差與殘差的設(shè)定來監(jiān)視解的收斂性。當(dāng)系統(tǒng)達到所設(shè)定精度后，自動結(jié)束迭代過程。

圖1 基礎(chǔ)模型網(wǎng)格圖

(3)氣井與隧道間瓦斯壓力

根據(jù)圖2所示，在高壓氣井與隧道圍巖距離64 m時，隧道圍巖處瓦斯壓力很低，尚未對隧道施工安全產(chǎn)生影響；30 m情況下，瓦斯壓力明顯增強，易發(fā)生瓦斯突出災(zāi)害；15 m情況下，圍巖表面瓦斯壓力在近氣井方向甚至超過了氣藏壓力本身，這是由于隧道開挖對圍巖產(chǎn)生擾動導(dǎo)致圍壓壓縮瓦斯氣體致使其壓力升高，此時隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛壬咔乙装l(fā)生瓦斯突出災(zāi)害進而致使各類瓦斯災(zāi)害發(fā)生概率升高。隨著計算距離的縮短，高壓氣井對隧道瓦斯壓力在30 m時開始顯著增強。

圖2 氣井與隧道間瓦斯壓力云圖

通過對以上數(shù)值模擬結(jié)果的分析可以得出。

(1)氣井距隧道的位置關(guān)系應(yīng)控制在大于30 m的距離，在這個范圍中，氣井對隧道的影響并不明顯，可以通過實時的瓦斯監(jiān)控與合理的支護與襯砌設(shè)置來降低隧道安全事故災(zāi)害的發(fā)生概率。

(2)而當(dāng)距離低于30 m時，隧道會受到氣井內(nèi)藏氣壓的附加應(yīng)力的影響，隧道輪廓會發(fā)生變形，對隧道安全施工造成不良影響并且使施工安全投入增加。

(3)最后通過數(shù)值模擬算出氣井影響半徑約120.81 m，可確定氣井影響隧道右線范圍：K4+122.7～K4+259.5，隧道左線影響范圍：K+072.3～K4+282.7。

最后，在將數(shù)值模擬結(jié)果與實際現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果進行比對后，實際現(xiàn)場調(diào)查報告中氣井的影響半徑為120 m，氣井影響隧道右線范圍：K4+122.2～K4+259，隧道左線影響范圍：K+072.8～K4+282.5，故數(shù)值模擬結(jié)果相對準(zhǔn)確，對分析實際臨近高壓氣段對隧道安全的影響有實際價值與意義。

3 臨近高壓氣井隧道施工段對策分析

3.1 高壓氣井與隧道安全距離

隧道與既有氣井間的安全距離直接影響隧道施工安全性，必須對安全距離進行判斷。安全距離可以通過經(jīng)驗估算和理論計算得到，計算過程必須結(jié)合現(xiàn)場圍巖水平、氣井壓力和尺寸、相對空間位置、埋深等參數(shù)確定。在施工中通過超前地質(zhì)鉆探獲取隧道圍巖的地質(zhì)構(gòu)造和煤系地層的各項參數(shù)。采用TGP隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)對隧道全斷面及圍巖的巖層、構(gòu)造破碎帶、軟弱巖層帶、煤系地層等進行探測。隧道斷面施工每開挖30 m進行超前探測鉆孔，鉆孔長度為35 m，其孔徑為75 mm在鉆孔過程中對瓦斯涌出情況進行檢測，重點檢測瓦斯涌出變化以及CO、H2S等有毒有害氣體異常涌出的情況。最后根據(jù)探測數(shù)據(jù)計算安全距離，為規(guī)避施工危險提供參考。

3.2 災(zāi)害監(jiān)測

隧道監(jiān)測對于災(zāi)害的預(yù)防和應(yīng)急處理是至關(guān)重要的，可以在第一時間了解隧道開挖的情況，能夠在災(zāi)害發(fā)生后及時作出相應(yīng)的應(yīng)急措施，尤其在臨近高壓氣隧道開挖段是可以通過完善的監(jiān)測來避免災(zāi)害威脅到生命財產(chǎn)。首先應(yīng)該對隧道圍巖壓力和位移的變化做到實時監(jiān)控，其次隧道的修建全程應(yīng)伴隨瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)控量測，尤其對于臨近高壓氣井施工段更是必要的，對于該工段施工瓦斯監(jiān)測指標(biāo)方面應(yīng)格外注意兩個參數(shù)：一是瓦斯壓力，另一個是瓦斯涌出量。但需要注意的是這兩項數(shù)據(jù)為靜態(tài)數(shù)據(jù)，故監(jiān)測頻率應(yīng)盡量保證可以對隧道內(nèi)的瓦斯壓力和瓦斯涌出量的實時監(jiān)控性。

瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測應(yīng)從機器與人工兩方面入手展開，瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測可以使用KJ70N型瓦斯自動化監(jiān)控系統(tǒng)進行監(jiān)測，瓦斯?jié)舛缺仨殗?yán)格控制在0.5%以下。其次應(yīng)在施工中，指定專人對隧道內(nèi)的瓦斯?jié)舛群屯L(fēng)質(zhì)量進行監(jiān)控，并且需對洞內(nèi)圍巖及地面變形進行監(jiān)測，出現(xiàn)異常要做到立即停工。

3.3 安全支護和瓦斯控制

為避免瓦斯積聚和瓦斯爆炸等危險情況的出現(xiàn)，加強通風(fēng)降低瓦斯?jié)舛仁潜ＷC施工安全的重要手段。根據(jù)隧道內(nèi)的瓦斯涌出情況，確定足夠的通風(fēng)量和合適的通風(fēng)設(shè)備及布置方案，實時監(jiān)測瓦斯涌出量以保證對應(yīng)的通風(fēng)量。若隧道與氣井的距離會受氣井的影響，在評估其危險程度后制定具體支護方案。

3.4 安全管理

隧道的安全施工離不開合理完善的隧道的安全管理體系與方法，始終把安全放在第一位，建設(shè)單位必須始終堅持安全第一和預(yù)防為主的方針。作業(yè)人員作為生產(chǎn)活動中的基本載體，起著不可替代的作用，災(zāi)害的發(fā)生與人為的誤操作和水平有著密切聯(lián)系。因此，確保生產(chǎn)活動中人的行為安全性對降低事故災(zāi)害發(fā)生概率有著至關(guān)重要的作用。明確各崗位的安全責(zé)任，實行崗位責(zé)任制；設(shè)立監(jiān)督機制，明確獎罰制度，實行監(jiān)督組輪換制，確保監(jiān)督力度，對各級各類人員進行定期的安全檢查、考核、獎懲兌現(xiàn)；明確合理的勞動組織，采用合理規(guī)范的作業(yè)方法和動作，作業(yè)人員持證上崗，并定期開展安全教育培訓(xùn)。

4 結(jié) 語

高壓氣井距隧道的位置關(guān)系應(yīng)控制在安全距離，安全距離主要受圍巖水平、氣井壓力和尺寸、相對空間位置、埋深等參數(shù)的影響，為確保隧道在復(fù)雜環(huán)境下的安全施工，根據(jù)工程實際情況計算安全距離是避免危險的有效手段。穿越危險地質(zhì)層的隧道施工中，在保證施工安全的前提下，對施工人員專業(yè)性、施工技術(shù)的要求比較高，應(yīng)加強對現(xiàn)場人員、設(shè)備和環(huán)境的管理；在監(jiān)控方面，從水平位移、垂直位移和瓦斯壓力與濃度方面進行監(jiān)控，引入實時自動化與人工結(jié)合的監(jiān)控方式，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)對施工環(huán)境的變化趨勢進行預(yù)測，災(zāi)害預(yù)測是有效預(yù)防或降低隧道施工災(zāi)害損失的途徑；同時確保隧道的通風(fēng)、圍巖支護有效性，避免瓦斯、圍巖變形對作業(yè)人員造成傷害。面對含瓦斯危險的隧道施工，必須從各方面嚴(yán)格控制瓦斯風(fēng)險和圍巖變形風(fēng)險，制定切實可行的安全措施確保施工安全，同時保證公路隧道建設(shè)的經(jīng)濟效益。