摘 要

隧道工程在国家交通、水利等方面发挥着重要的作用，而随着国家建设的飞速发展，有害气体问题已逐渐成为隧道工程建设中不可避免的问题，对隧道施工、运营、维护等造成严重威胁。本文以跃龙门隧道硫化氢溢出事故为工程背景，研究了有害气体的溢出机制，并探讨在钻爆法隧道施工的情况下，爆破开挖对围岩的损伤效应以及因此导致的有害气体溢出情况，以求优化爆破施工方案，为以后相似的工程情况提供一定的指导。

关键字 ：有害气体；溢出机制；损伤渗透耦合；LS-DYNA。

Abstract

Tunnel engineering plays an important role in national transportation and water conservancy project，and with the rapid development of construction，the problem of harmful gas has gradually become an inevitable problem in tunnel construction, posing a serious threat to tunnel construction, operation and maintenance.Taking the accident of H₂S overflowing in Yuelongmen Tunnel as the background, the overflow mechanism of harmful gas is studied for exploring the influence of blasting excavation on Damage of surrounding rock and the overflow of H₂S , in order to optimize the blasting scheme and provide a certain guidance for similar engineering cases later.

Keywords ：Harmful gas；the overflow mechanism；the coupling of damage-flow；LS-DYNA

目 录

第一章 绪 论 1

1.1. 研究意义和目的 1

1.2. 国内外研究进展及问题 3

1.2.1. 有害气体的赋存环境 3

1.2.2. 爆破对岩石的损伤作用 4

1.2.3. 裂隙岩体的渗流模型 6

1.3. 研究内容及技术路线图 7

第二章 有害气体的孕育和溢出机制 9

2.1. 硫化氢气体的性质 9

2.2. 硫化氢气体的产生原因 11

2.2.1. 热化学产因 11

2.2.2. 生物产因 11

2.2.3. 火山产因 11

2.2.4. 小结 11

2.3. 工程环境中H₂S产因、运移、分布特征 12

2.3.1. 产生H₂S的岩层 12

2.3.2. 控制H₂S运移的地质构造 13

2.3.3. 控制H₂S分布的地下水运移规律 14

2.4. 有害气体溢出机制分析 15

第三章 爆破开挖诱发围岩损伤特性研究 16

3.1. 爆炸应力波下的围岩损伤定义 16

3.2. 岩石单孔爆破工况假设 17

3.3. LS-DYNA数值模拟 18

3.3.1. 材料本构模型 18

3.3.2. 数值模型 21

3.4. 结果分析 23

3.4.1. 结果初步分析 23

3.4.2. 检验模型正确性 24

3.4.3. 围岩损伤分布及变化规律 27

第四章 围岩损伤条件下的渗透特性研究 29

4.1. 裂隙密度 29

4.2. 损伤变量与裂隙密度的关系 30

4.3. 围岩损伤—渗透耦合关系 30

4.4. 围岩渗透特性分布及变化规律 32

第五章 爆破开挖对有害气体的溢出影响 33

5.1. 基于围岩损伤的裂隙岩体渗流计算模型 33

5.1.1. 裂隙岩体渗流模型 33

5.1.2. 围岩损伤变量与渗透量之间的关系 35

5.2. 有害气体渗透量分析 35

5.3. 参数优化 39

第六章 结论与展望 39

6.1. 结论 40

6.2. 展望 41

致谢 42

参考文献： 43

绪 论

研究意义和目的

隧道工程多应用在交通、水利、采矿等方面，对国家的工程建设作出了巨大的贡献。而随着隧道、采矿等地下工程建设的不断推进，有害气体问题已不可忽视，特别在隧洞工程领域更是一种常见的地质灾害，对工程安全、后期运营维护等构成了极大的安全隐患，下表1.1列举了一些有害气体溢出导致的安全事故^[1]。

以一具体工程案例为背景进行说明：成兰铁路跃龙门隧道是成都至川主寺段3条20公里以上长度的隧道之一，主要采用钻爆法进行开挖施工。2014年年底某日，该隧道二号斜井的建设过程中，作业人员感受到强烈刺激，眼睛酸涩泪流不止，并有头晕不适的现象，可以嗅到较浓的臭鸡蛋味道。后调查表明，是地底的H₂S气体溢出导致的现象。跃龙门隧道的H₂S气体溢出量超过安全标准，对施工人员产生了直接的危害。

该隧洞所处的地质环境较为复杂，根据类似的工程经验可以推测，其施工过程中可能会产生有害气体溢出的现象。除此以外，由于钻爆法施工的影响，即爆破施工对围岩产生了爆破损伤，导致围岩的孔隙率增大，围岩的渗透性也随之提高，从而使得有害气体的溢出量增加，对工程的正常建设造成威胁。

综上所述，为保证隧道施工的安全，后期维护，以及为日后类似工程提供相应的对策，有必要研究在有害气体可能赋存的工程环境下，采用钻爆法等爆破开挖方法进行隧洞施工时，其对有害气体溢出情况的影响，反演基于有害气体溢出情况的爆破围岩损伤控制要求和参数优化方法，改善施工方案。

表1.1 岩石隧道事故列表

国内外研究进展及问题

现在关于隧洞有害气体的研究正趋于完善，多数仍将重点放在有害气体可能的赋存环境以及具体检测到有害气体以后的施工安全措施^[10]，以预防和疏导为主；而在隧洞爆破开挖这一重要方面，关于爆破对岩石的损伤作用等方面有许多研究，在有害气体方面则主要强调爆生气体的危害以及防治；关于爆破开挖导致的围岩损伤对围岩渗透特性的影响也有一定进展，但是关于对有害气体的溢出影响却探讨较少，故考虑在这一方面进行优化调整，对工程安全进行提供一份保障。

有害气体的赋存环境

邹杨^[2]研究了赋存H₂S气体的地质条件特征，提出了相应的施工防治措施；丁浩江^[3]研究了有害气体的地质特征及分布规律；刘斌洲^[4]研究了瓦斯等有害气体的监测手段以及超前排放技术等一些列治理方法。以H₂S气体赋存环境为例，本文总结了有害气体赋存环境的一些特征。

地层岩性条件

国内外一些发生有害气体事故的深埋长隧洞的地质资料如表1.2：

表1.2：部分发生有害气体问题的隧洞地质条件统计表

由此可见，有害气体赋存的环境多与含煤地层、变质岩等岩性有关。分析其岩性可能易于生成有害气体，且含煤地层一般岩性较差，岩体中含有较多软弱结构，有利于有害气体的运移。

地质构造条件

上文探讨了可能赋存有害气体的地层岩性特征，本节则研究具备相应岩性后，地层的构造对有害气体的影响：以褶皱构造为例说明构造条件对有害气体分布的控制作用：背斜构造具有顶部封堵以及侧翼封堵的效应，所以有害气体易在背斜构造的核部积累，在两翼部位的聚集较少；而向斜褶皱则与之相反，有害气体多在两翼部位聚集，在核部分布较少。

而跃龙门隧道工程中，起控制作用的结构是其中的深大裂隙，因为该工程位于构造复杂的巨型推覆构造带—龙门山构造带。除此以外，还有大屋基倒转背斜、半山腰倒转复背斜、老林口倒转复向斜等褶皱构造，以及千佛山断层等构造。在工程建设中，应当考虑这些构造中可能赋存的有害气体情况，并根据情况作出实际的调整。

爆破对岩石的损伤作用

爆破会对岩石产生损伤作用，主要体现在岩石介质的破碎现象中，而破碎则是裂纹等微小缺陷扩展的宏观体现。该段介绍岩石的爆破破碎机理以及裂纹的扩展机理，具体如下：

（1）岩石爆破破碎机理

目前有关脆性岩石的爆破破碎机理有不同的假说，按照其原理可以分为三种：爆生气体膨胀压力破坏理论、反射拉应力波拉伸破坏理论及反射拉应力波和爆生气体压力共同作用理论。下面简要描述一下各个假说的主要观点：

爆生气体膨胀压力破坏理论

该假说认为，炸药爆炸时会产生压力巨大的爆生气体，气体向炮孔壁做功，在周围的岩石介质中形成一个高应力场，使得岩石介质发生径向位移。其中，若是由于径向位移导致的切向拉应力超过了材料的抗拉强度，则岩石发生破坏并产生垂直于切向拉应力方向的径向裂缝；而在阻力不同的径向方向上，由于介质的位移速度不同，会在其中产生剪切应力，若超过岩石的抗剪强度，则会导致剪切破坏。

该假说的缺点是只考虑了爆生气体压力的准静态作用，没有顾及爆炸应力波对岩石的作用。举一简单例子进行说明：在一块大型孤石表面安装一炸药包，进行爆破仍能使岩石破碎。在这种情况下，由于爆生气体在一个没有约束的自由空间扩散，其对岩石的压力作用十分微小，岩石破碎主要是由于应力波作用导致的。所以单独用爆生气体解释岩石爆破破碎机理是不够完善的。

反射拉应力波破坏理论

在该理论中，主要考虑爆炸压应力波在自由面反射后转变的拉应力波对岩石的破坏作用。对岩石材料的力学性质可知，由于岩石中存在着裂纹、孔隙等软弱结构，导致其在拉应力作用下，相比于压应力，更容易产生破坏。当反射波产生的拉应力超过岩石的抗拉强度时，即会产生破坏。

此假说虽然考虑了爆炸应力波的作用，但是忽略了爆生气体对裂隙的扩展作用等，因此也不够全面。

反射拉应力波和爆生气体压力共同作用理论

共同作用理论认为，爆生气体和应力波两者在岩石破碎作用的方面是紧密联系的，不能单独割裂开来。两者在整个爆破过程的各个阶段发挥着不同的作用：在初始阶段主要是应力波对岩石的破坏、压裂作用，随后是爆生气体在裂隙中的扩展、贯通等作用。

这是目前大家比较公认的岩石爆破破碎理论，在实际工程中也得到了相应的验证。

（2）爆炸作用对岩石裂纹演化的作用

岩石微裂纹扩展

众所周知，岩石是包含大量微小裂纹和孔隙等软弱结构的各项异性材料。研究表明：在动载作用下岩石发生破坏的主要机理是岩石内部微裂纹演化和扩展。外力作用时，岩石内部会在微裂纹等缺陷处产生应力集中现象，导致该部位的介质之间发生位移，导致应力松弛。当达到某个界限时，就会丧失剪切稳定性，微裂纹会因此演化、发育并扩展，进而形成裂缝。

裂缝群演化和相互作用

裂缝之间的相互影响会使岩石内部产生局部弱化现象,随着裂缝的发育最终将会导致岩石材料的宏观失效。岩石的断裂过程可用以下两种机制来解释：第一种是初始裂缝的有效扩展,在演化后期过程中占据主导作用,这种机制引起岩石的劈裂破坏；第二种是小裂缝的成核以及新裂纹的形成与发育,致使岩石内形成局部损伤区,在这一区域裂缝数量的增加为主要作用,这种机制可以引起岩石的剪切断裂破坏。

1.2.3 裂隙岩体的渗流模型

当前使用较多的裂隙岩体渗流模型有三种基本类型：等效连续介质模型、离散裂隙网络模型以及混合模型。由于岩体本身的复杂性和特异性，应当根据实际情况，选择合适的模型以达到较好的模拟效果。其中，等效连续介质模型是参考比较成熟的土力学研究方法，将其应用于岩石材料中，故目前已经发展得比较完善，主要适用于研究裂隙密度较大的岩体渗流特性；而对于其他研究领域，例如对小尺度渗流领域进行研究的问题，可以使用离散裂隙网络模型，或者混合模型进行求解。

（1）等效连续介质模型

对于岩体的渗流问题，主要研究其中裂隙的渗流影响，因为相对于岩体中的裂隙，岩体介质中的渗流量几乎可以忽略不计。而等效连续介质则是在此研究基础上，将裂隙介质的渗流作用等效至整个岩体中，将岩体化为一个含有大量随机裂隙组成的连续介质，从而实现将裂隙网格的渗透性均化到整个岩体介质中，实现材料在渗流方面的等效连续性。

该模型的优点是结构较为简单，求解所需的参数少，主要有渗透张量、孔隙度等。而这些参数可以通过试验或者工程实际统计得出，参数获取方法也比较详细。缺点则是模型的使用范围较小，对于一些深大裂隙岩体，很难将其进行等效，模拟结果与实际较为不符。

（2）离散裂隙网络模型

离散裂隙网络模型是在获取岩体中各个主要裂隙的方位参数以及缝宽等条件下，利用单个裂隙的流量计算公式，通过每个裂隙节点中流量不变的关系建立方程，并求解得出渗流场。

改模型的优点是能够知道裂隙网络中每个位置的渗透状态，模拟的效果好，能较为精确的说明裂隙岩体渗流的非均质性。缺点在于工作量较高，一般在二维渗流问题中使用。

（3）混合模型

该模型的含义是根据岩体介质的具体情况，即考虑裂隙渗流和基质渗流两种方式在实际渗流情况中发挥的作用，在不同区域采用不同的模型来进行分析。

混合模型采纳了两个模型的优点,同时在一定程度上可以避免两者的缺点。在某些较为特殊的领域,运用上述两个模型均不理想，则可以考虑使用混合模型。

研究内容

总结可能赋存有害气体的工程地质，为工程中遇到相似环境时提供借鉴和警示，并在此基础上研究有害气体在裂隙岩体中的溢出机制。模拟岩石单孔爆破工况，研究爆破作用对有害气体溢出量的影响。通过LS-DYNA数值模拟软件研究爆破作用下围岩损伤的演化以及分布规律，并通过理论推导建立围岩损伤与渗透特性之间的耦合关系，最后选择合适的裂隙岩体渗流模型来计算该工况下的有害气体水溶液溢出量。基于不同爆破作用下的有害气体溢出量的变化，反演优化爆破施工参数。

具体研究内容可分为以下4个部分，具体技术路线如下：

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