深埋隧道开挖诱发岩浆高压气藏气体迁移与释放机制

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Mechanism of gas migration and release in magmatic high-pressure gas reservoirs induced by deep-buried tunnel excavation

　　

• 瓦斯释放对应力变化的影响约为隧道开挖所诱发应力变化的21%至35%。
• 实现了高压气库中损伤、变形和渗流动态演化的数值计算。
• 综合考虑裂隙密度和气体压力，建立了瓦斯涌出量和释放持续时间的预测模型。

引言

随着深部地下工程项目的持续推进，隧道建设正向更大深度和日益复杂的地质环境延伸。在中国西部，受地形崎岖和线路条件限制，许多隧道需在埋深超过1000 m的条件下施工（Li等，2019；Zhang等，2024；Zhang等，2025）。深部地层开挖往往伴随高地应力，这种高应力、封闭的地质环境为气体生成与富集提供了有利条件，进一步复杂化了工程地质环境。与常规隧道相比，深埋隧道更易受到开挖过程中强烈卸荷诱发的高压瓦斯涌出问题（Ding和Yue，2022；Zhong等，2022；Black，2017；Skoczylas等，2019）。

在煤矿领域，对隧道围岩瓦斯渗流的研究已广泛开展，主要关注煤层气（Chen等，2025；Niu等，2022；Shu等，2023）。Li等（2025b）通过实验室试验和数值模拟，研究了瓦斯压力、水平应力及煤间摩擦等因素对突出发生的影响，从微观和宏观角度揭示了突出过程中不稳定能量释放的机理。Hou等（2019）考察了隧道穿越不同倾角煤层时围岩瓦斯突出的演化规律，指出突出风险随倾角增大而升高，且突出位置相应上移。Tan等（2026）建立了考虑动态开挖扰动、Klinkenberg效应及瓦斯解吸特征的损伤-渗流耦合框架，并利用该框架考察了隧道穿越煤层时围岩中瓦斯迁移的时空演化。结果表明，瓦斯涌出量与煤层瓦斯压力、煤层厚度及埋深呈正相关。Xu等（2023）建立了煤与瓦斯突出的动力地质系统，通过构建描述含煤气体应力-损伤-渗流相互作用的控制方程，揭示了底板巷道中通过钻孔瓦斯抽放消除突出机理，定义了煤与瓦斯突出的形成与失稳判据，并提出了以"卸压+瓦斯降压"为核心的防治策略。

与含煤地层中的瓦斯突出相比，非含煤地层中的气源和涌出模式更加多样。气体不仅源自地幔脱气和变质作用相关气体，还包括沿断裂带迁移富集的深部气体，主要储存在裂隙或空腔中（Qiu等，2025；Chen等，2020；Kang等，2013；Li等，2025a）。受构造活动和含气方式影响，非含煤地层中的瓦斯富集表现出明显的空间随机性，进一步增加了瓦斯涌出灾害的识别与预测难度。针对非含煤地层，Wierzbicki和Mlynarczuk（2013）研究了波兰铜矿白云岩地层中CO?气体突出的机理。结果表明，白云岩中的气体可能源自周围碳酸盐岩分解产生的伴生气。同时，白云岩作为低孔隙度介质，气体吸附能力极弱，气体主要储存在裂隙中。气体突出的动态驱动力主要来源于自由态气体的膨胀，而吸附气的贡献可忽略不计。基于邛崃隧道高温水与有害气体涌出事故，Zhang等（2024a，Zhang等，2024b）阐明了非含煤地层中热水与气体（H?S和CO?）混合出露的地质构造特征。研究表明，热水的出现主要归因于地层中塑性熔体的存在，而岩体中的气体源自深部地壳的地幔衍生气体，二者均通过断裂迁移至浅部地层并最终出露。基于成兰铁路月龙门隧道花岗岩地层中H?S涌出事故，Luo等（2022）分析了隧道爆破开挖引起的围岩损伤下瓦斯渗流演化过程。结果表明，围岩瓦斯涌出量与岩石岩性、构造裂隙密度等因素密切相关，且爆破载荷对围岩瓦斯涌出具有显著促进作用。

目前，关于非含煤地层围岩中瓦斯迁移的研究主要集中在沉积岩地层，主要关注瓦斯赋存机理（Cheng等，2025；He等，2022；Chang和Laforce，2024）。相比之下，非含煤地层中的瓦斯迁移特征尚未得到充分研究。特别是，低孔隙度硬岩地层中的瓦斯迁移规律鲜有报道。硬岩地层中的瓦斯迁移与砂岩等高孔隙度岩体存在显著差异，其渗流行为与裂隙发育程度密切相关。因此，隧道开挖卸荷对瓦斯迁移的影响更为显著。此外，现有非含煤地层隧道瓦斯迁移研究大多假设为恒压气源，然而实际工程中的有害气体通常源自储量有限的小型气库，随着瓦斯释放，气压边界会发生剧烈变化。这种边界条件的变化将改变瓦斯迁移行为，显著修正瓦斯涌出量的预测结果。在中国西部青藏高原广泛分布着大量火成岩。与常规沉积岩地层相比，火成岩地层中的高压气体主要源自岩浆冷凝过程中的脱气或与碳酸盐岩反应产生的气体，此类气体主要储存在构造运动和岩浆冷凝形成的封闭裂隙网络中，且通常赋存于深部地层。在大埋深和构造应力条件下，隧道开挖诱发的围岩气体释放规律与常规气库存在显著差异。这些研究空白限制了高原隧道工程中瓦斯灾害的准确评估与预测。

为研究非含煤地层中隧道开挖期间围岩瓦斯迁移与释放规律，以青藏高原花岗岩地层中隧道一次瓦斯涌出事件为工程背景，基于现场地质特征和瓦斯赋存机理，提出了表征火成岩中高压气库的工程地质结构模型。自主研制了高压气库中围岩瓦斯渗流的物理模型试验系统，系统分析了变气压力条件下围岩的力学响应行为和瓦斯迁移规律。此外，针对高压气库的独特属性，构建了围岩变形-损伤与瓦斯迁移动态演化的数值计算方法。通过数值模拟揭示了隧道围岩中瓦斯迁移的演化规律，并提出了高压气库瓦斯涌出量和释放持续时间的预测方法。本研究可为隧道穿越非含煤气库时围岩瓦斯迁移预测及相应控制策略制定奠定理论基础。

片段

工程背景

隧道总长26 km，最大覆土厚度1800 m。隧道位于由鲜水河断裂、龙门山断裂和安宁河断裂三条活动断裂构成的"Y形"构造体系东部汇聚带。施工期间释放了大量高压气体。在瓦斯涌出区，隧道覆土厚度约为900 m。围岩中的节理裂隙相对

模型试验设备

为模拟深埋隧道穿越高压气库施工期间围岩应力场与渗流场的演化，研制了一套高压气库中隧道开挖围岩瓦斯渗流的物理模型试验系统。该平台系统主要包括模型试验舱、加载装置、气库系统、隧道变形监测系统和数据采集系统。模型尺寸为1.5 m × 1 m × 1 m，平台可加载

考虑损伤影响的岩体流-固耦合模型

围岩中瓦斯的渗流由应力场与渗流场的相互作用引起。基于有效应力理论和广义胡克定律，可建立流-固耦合控制方程（Liu等，2024；Sysala等，2023）。

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其中Fi为i方向体力，ui为i方向变形，p为渗流压力，α为Biot系数（α < 1），G为拉梅常数，其表达式为

数值模型建立与工况设计

图14展示了数值模型的细节。根据本地地质构造特征和隧道设计规范，模型尺寸设定为60 m × 60 m × 120 m，隧道高6.5 m、宽6.8 m。模型中的气库裂隙通过随机分布生成，完整岩层中的节理间距大约在10至20 m之间。模型底部施加固定边界条件，侧面施加滚动约束

结论

(1) 当隧道与气库的相对距离减小到4D以内（D为隧道高度）时，气库对隧道变形产生显著影响。受完整花岗岩基体高刚度的限制，较高的气库瓦斯压力仅使气库范围内围岩变形最大增加12%。开挖卸荷和瓦斯释放均有助于缓解围岩中的垂直应力。瓦斯释放的影响

作者贡献声明

张吉路：原始稿件撰写、软件、调查、资金获取、正式分析、数据管理。刘新荣：审阅与编辑、项目管理、方法论、正式分析。周小涵：项目管理、资金获取、数据管理。赖元明：项目管理、资金获取。方磊：软件、调查。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作报道的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到重庆市博士后研究项目专项资金（项目编号：2025CQBSHTB3077）、重庆市人才计划与优秀科学家项目（项目编号：cstc2024ycjh-bgzxm0032）、国家自然科学基金（项目编号：52374079）以及重庆市自然科学基金（项目编号：CSTB2024NSCQ-MSX0195）的资助。作者感谢重庆渝跃行动对本研究的支持。

张吉路 | 刘新荣 | 周小涵 | 赖元明 | 方磊