楊 曼，彭興文，胡文軍

(1．武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430074；2．中南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)安全科學(xué)與管理學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引 言

湖北省三峽翻壩公路S3標(biāo)段季家坡隧道右洞掘進(jìn)至YK14+683時(shí)(掘進(jìn)長(zhǎng)度為953 m，此處隧道埋深416 m)，掌子面左側(cè)錨桿孔施鉆完畢后，從多個(gè)孔內(nèi)溢出不明氣體，隨即被電焊火星引燃，并伴有濃厚異味.著火范圍主要集中在掌子面左側(cè)開挖輪廓線附近(距洞底3 m處至拱頂)，另在YK14+681拱頂沿裂隙及層理亦有不明氣體燃燒.火焰多呈藍(lán)色，部分呈黃色，焰高達(dá)30～40 cm.掌子面上部圍巖為震旦系陡山沱組灰黑色、黑色碳質(zhì)白云巖，厚度約1.5 m，含有磷與黃鐵礦；其上(拱頂)為深灰色薄層灰質(zhì)白云巖；掌子面中下部圍巖為震旦系南沱組淺灰綠色冰磧砂質(zhì)泥礫巖，礫含量較小，礫徑多以0.5～1 cm居多.南沱組與上覆陡山沱組呈平行不整合接觸.可見有兩條(系同一組)裂隙發(fā)育，裂隙傾向SE150～160°，傾角為70～80°，延伸長(zhǎng)度大于6 m，從左至右貫穿掌子面，著火范圍主要沿其中一條裂隙分布.

這種險(xiǎn)情嚴(yán)重地影響了隧道施工.為此，筆者在隧道內(nèi)各預(yù)設(shè)監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)進(jìn)行有害氣體成分及濃度監(jiān)測(cè)，并鑿超前孔進(jìn)行孔口瓦斯及其他有害氣體檢測(cè)，對(duì)隧道中逸出的易燃?xì)怏w成因、儲(chǔ)藏條件、前方地層存在瓦斯的可能性做出預(yù)測(cè)，從而有針對(duì)性地提出該隧道施工過程的安全對(duì)策.

1 監(jiān)測(cè)方案

監(jiān)測(cè)儀器儀表：甲烷檢測(cè)采用美國(guó)華瑞公司復(fù)合氣體檢測(cè)儀器；測(cè)定涌出氣體壓力采用DP10000-IIIB精密氣壓測(cè)定儀配1 m氣體測(cè)定皮托管；測(cè)定隧道內(nèi)風(fēng)速采用組合式 0.2～50 m/s 風(fēng)速測(cè)定儀；測(cè)定隧道內(nèi)空氣溫度與濕度數(shù)字式溫度、濕度測(cè)定儀器；氣體取樣泵、取樣氣袋采取隧道內(nèi)氣樣，氣體成分分析實(shí)驗(yàn)室(色譜儀)分析氣樣袋內(nèi)氣體成分及濃度[1].

在隧道內(nèi)，在隧道口20 m處、以后每隔100 m處分別設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)(依次為1#至10#).隧道沿程監(jiān)測(cè)位置圖見圖1.在掌子面分上部、中部和下部，分別設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，連續(xù)對(duì)隧道內(nèi)各預(yù)設(shè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行有害氣體連續(xù)監(jiān)測(cè)，分別測(cè)試各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的CH4、NO2、SO2、H2S、CO等有害氣體濃度、溫度、濕度、風(fēng)速等參數(shù)[2].監(jiān)測(cè)掌子面及其裂隙的瓦斯及有害氣體濃度，壓力等參數(shù).監(jiān)測(cè)其隨時(shí)間的變化規(guī)律.隧道掌子面檢測(cè)位置圖如圖2.超前探測(cè)孔呈倒品字型布置(1#、2#、3#孔孔徑均為50 mm，孔深分別為40、43、35 m)，鉆探人員為煤礦瓦斯勘測(cè)專業(yè)人員，采用煤礦瓦斯探鉆設(shè)備鑿水平超前孔.各超前孔每掘進(jìn)5 m，就停機(jī)檢測(cè)一次，監(jiān)測(cè)指標(biāo)為CH4、NO2、SO2、H2S、CO等有害氣體濃度、氣壓等.超前孔掘進(jìn)完成后，每天上午9：00～12：00、下午2：00～5：00對(duì)孔口進(jìn)行巡檢，監(jiān)測(cè)上述監(jiān)測(cè)指標(biāo)的變化情況.超前探測(cè)孔孔位布置見圖3.

圖1 監(jiān)測(cè)斷面布置圖

圖2 隧道掘進(jìn)掌子面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖3 隧道掌子面超前孔孔位布置圖

2 有害氣體監(jiān)測(cè)結(jié)果

隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛?體積分?jǐn)?shù)/%，下同)監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1.

3個(gè)超前探測(cè)孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表2.各超前孔在掘進(jìn)過程中，均未檢出有害氣體及瓦斯.成孔后6～12 h，才逐步有瓦斯及其他有害氣體溢出，但是氣壓很低,僅為1～2 Pa.各孔的瓦斯及其他有害氣體濃度保持每日略為下降的變化趨勢(shì).從13日開始，由于通風(fēng)風(fēng)筒靠近掌子面，通風(fēng)效果好，孔口瓦斯?jié)舛蕊@著下降.

表1 隧道內(nèi)瓦斯氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總表

表2 超前探測(cè)孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總表

已開挖隧道內(nèi)空氣瓦斯?jié)舛?、掌子面瓦斯?jié)舛纫约俺疤綔y(cè)孔瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)曲線分別見圖4、圖5、圖6.

圖4 隧道內(nèi)空氣瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)曲線

圖5 掌子面瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)曲線

圖6 超前探測(cè)孔瓦斯?jié)舛茸兓厔?shì)曲線

3個(gè)超前孔在掘進(jìn)過程中，均未檢出有害氣體及瓦斯.成孔后6～12 h，才逐步有瓦斯及其他有害氣體溢出，但是氣壓很低，僅為1～2 Pa.各孔的瓦斯及其他有害氣體濃度保持每日略為下降的變化趨勢(shì).從13日開始，由于通風(fēng)風(fēng)筒靠近掌子面，通風(fēng)效果好，孔口瓦斯?jié)舛蕊@著下降.

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析評(píng)估

3.1 瓦斯監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，已經(jīng)開挖隧道沿程空氣瓦斯?jié)舛葹?.1%～0.2%，低于國(guó)家隧道施工標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(可參照《鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范》(TB10120-2002))[3]的限定值，屬于安全作業(yè)區(qū).在正常通風(fēng)的前提下，該區(qū)域的施工是可以保障安全的.

而在掘進(jìn)掌子面，盡管隧道正常通風(fēng)，而其上部區(qū)域瓦斯?jié)舛热詾?.6%～5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不超過0.5%的限定值，屬于高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)區(qū)，具有導(dǎo)致發(fā)生特別重大安全事故的瓦斯?jié)舛葪l件，是隧道掘進(jìn)施工的重大安全隱患.

掌子面涌出瓦斯氣體壓力低，僅為1～3Pa，說明該地層瓦斯儲(chǔ)量低，瓦斯僅局部富積，發(fā)生大規(guī)模瓦斯突出的可能性較低.超前探測(cè)孔瓦斯及其他有害氣體監(jiān)測(cè)表明，該隧道前端40 m范圍有瓦斯富積，隧道前方區(qū)域瓦斯?jié)舛瘸跗谳^高，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化范圍為0.2%～5%，瓦斯氣體壓力為1～5 Pa，其濃度變化規(guī)律是成孔后當(dāng)天監(jiān)測(cè)值低，第2日達(dá)到峰值，以后逐天降低.說明前方地層局部瓦斯?jié)舛雀?、賦存量較小，而且分散.

3.2 其他有害氣體數(shù)據(jù)分析

在本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)過程中，檢出其他有害氣體，包括：CO、NO2、SO2、H2S等.根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GBZ21-2007和GBZ2.2-2007[4-5]要求，除1#超前探測(cè)孔SO2的濃度超過國(guó)家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)值10×10-6外，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)的CO、NOx、SO2、H2S等濃度均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)允許范圍之內(nèi).

3.3 前方未開挖隧道有害氣體賦存情況分析及預(yù)測(cè)

根據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料，季家坡隧道地層體為南華紀(jì)-震旦紀(jì)上揚(yáng)子盆地北部緩斜坡帶形成的一組陸緣冰磧碎屑巖至海相碳酸鹽巖，巖石中藻類等有機(jī)物質(zhì)十分豐富，為甲烷氣體生成作好了物質(zhì)準(zhǔn)備[6].

季家坡隧道的巖石地層結(jié)構(gòu)包括南沱組和陡山沱組.

南沱組屬大陸冰川作用沉積.由塊狀灰綠色冰磧礫巖、冰磧含礫砂泥巖、冰磧砂質(zhì)泥礫巖組成.巖石疏松，頂部明顯見小空洞.南沱組為大陸冰川環(huán)境沉積的粗細(xì)不均的碎屑巖，基底式膠結(jié)為主，為孔隙度較大的巖石結(jié)構(gòu)，在后期成巖過程中，經(jīng)過冰融脫水、揮發(fā)、收縮，因此，在南沱組頂部形成收縮空洞.當(dāng)石中的藻類生物經(jīng)液化形成甲烷后，便沿后期生成的一些垂直裂隙和節(jié)理向上運(yùn)移，儲(chǔ)存于空洞之中，便形成理想的儲(chǔ)氣層.所以，本組是成氣、儲(chǔ)氣主要層位.瓦斯氣體的特點(diǎn)是分布不均勻，壓力低，局部濃度高.

陡山沱組分上、下兩部分.下部為深灰、灰黑色薄板狀泥質(zhì)條帶灰質(zhì)白云巖、含磷質(zhì)白云巖夾含碳白云質(zhì)灰?guī)r，藻類較植物豐富，同時(shí)由于巖性結(jié)構(gòu)緊密，沉積體內(nèi)水分含量較少，故藻類不易分解氣化.因此，本組不是理想的成氣、儲(chǔ)氣層位.但本組下部的方解石晶洞中仍存在少量易燃?xì)怏w的可能性.

因此，前方未掘進(jìn)隧道中的瓦斯氣體主要賦存區(qū)為震旦系南沱組、陡山坨組及燈影組巖石地層中，其中分布較為集中、有一定儲(chǔ)量的主要位于南坨組地層的頂部和陡山坨組地層底部的交界位置.該地層的瓦斯賦存特點(diǎn)是濃度高，分散呈局部賦存，瓦斯氣體壓力低.

4 安全對(duì)策

針對(duì)上述監(jiān)測(cè)分析結(jié)果，提出如下安全對(duì)策：

a. 安全技術(shù)對(duì)策.

強(qiáng)化隧道內(nèi)通風(fēng)和作業(yè)面通風(fēng)，增加通風(fēng)設(shè)備(包括增加主通風(fēng)機(jī)及射流局部通風(fēng)機(jī))，使作業(yè)面涌出瓦斯得以及時(shí)稀釋，保證隧道施工安全.

更換一般照明燈具及電纜為防爆級(jí).使用煤礦安全防爆炸藥，使用安全雷管.

加強(qiáng)隧道施工的全過程安全監(jiān)測(cè)，堅(jiān)持打30～50 m超前瓦斯探測(cè)孔，對(duì)隧道內(nèi)空氣、作業(yè)面瓦斯(包括超前孔的瓦斯)及其他有害氣體濃度及壓力實(shí)現(xiàn)24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)，掌握瓦斯?jié)舛燃皦毫ψ兓闆r，為隧道安全施工及安全監(jiān)管提供可靠數(shù)據(jù).

b. 安全管理對(duì)策.

施工部門應(yīng)成立低瓦斯隧道施工安全管理機(jī)構(gòu)，指定專職安全管理人員，強(qiáng)化對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)管.

隧道作業(yè)人員(包括管理人員、施工人員及特種作業(yè)人員)應(yīng)該接受相應(yīng)的瓦斯隧道安全施工基本安全知識(shí)培訓(xùn)，持證上崗.

制定并落實(shí)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理制度.制定用火安全制度，不得在隧道內(nèi)抽煙、攜帶火種等，加強(qiáng)用電安全管理，提供電力安全防范等級(jí).

施工管理部門應(yīng)定期(每周一次)和不定期對(duì)隧道安全施工進(jìn)行檢查，及時(shí)處理暴露的安全問題，及時(shí)消除安全隱患，確保隧道施工任務(wù)安全順利完成.

施工單位應(yīng)制定隧道瓦斯及CO、SO2等有害氣體安全事故專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案，應(yīng)經(jīng)評(píng)審并報(bào)當(dāng)?shù)匕脖O(jiān)部門備案.應(yīng)急預(yù)案應(yīng)時(shí)常演練.

5 結(jié) 語

本文針對(duì)施工過程中逸出易燃?xì)怏w的季家坡隧道，在隧道內(nèi)各預(yù)設(shè)監(jiān)測(cè)斷面測(cè)點(diǎn)進(jìn)行有害氣體成分及濃度監(jiān)測(cè)，并鑿超前孔進(jìn)行孔口瓦斯及其他有害氣體檢測(cè).在現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，已經(jīng)開挖隧道沿程空氣瓦斯?jié)舛葹?.1%～0.2%，低于國(guó)家隧道施工標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限定值，屬于安全作業(yè)區(qū).在正常通風(fēng)的前提下，該區(qū)域的施工是可以保障安全的.而在掘進(jìn)掌子面，盡管隧道正常通風(fēng)，而其上部區(qū)域瓦斯?jié)舛热詾?.6%～5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不超過0.5%的限定值，屬于高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)區(qū)，具有導(dǎo)致發(fā)生特別重大安全事故的瓦斯?jié)舛葪l件，是隧道掘進(jìn)施工的重大安全隱患.對(duì)超前探測(cè)孔的瓦斯?jié)舛?、壓力的連續(xù)監(jiān)測(cè)表明，隧道前方地層有高濃度、低壓力的瓦斯賦存.個(gè)別監(jiān)測(cè)點(diǎn)有SO2等有害氣體超標(biāo)現(xiàn)象發(fā)生，應(yīng)引起注意.根據(jù)對(duì)季家坡隧道有害氣體連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析和地質(zhì)勘探資料分析，初步認(rèn)定該施工隧道為低瓦斯隧道作業(yè)區(qū).為避免安全事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)安全施工，施工單位應(yīng)采取各種安全技術(shù)及安全管理對(duì)策措施，如強(qiáng)化隧道內(nèi)通風(fēng)和作業(yè)面通風(fēng)，加強(qiáng)隧道施工的全過程安全監(jiān)測(cè)，堅(jiān)持鑿30～50 m超前瓦斯探測(cè)孔，對(duì)隧道內(nèi)沿程和掌子面的瓦斯(包括超前孔的瓦斯)及其他有害氣體濃度及壓力實(shí)現(xiàn)24 h連續(xù)監(jiān)測(cè)；成立低瓦斯隧道施工安全管理機(jī)構(gòu)，指定專職安全管理人員，強(qiáng)化對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)管，隧道作業(yè)人員(包括管理人員、施工人員及特種作業(yè)人員)應(yīng)該接受相應(yīng)的瓦斯隧道安全施工基本安全知識(shí)培訓(xùn)，持證上崗，制定并落實(shí)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)安全管理制度，定期(每周一次)和不定期對(duì)隧道安全施工進(jìn)行檢查，制定隧道瓦斯及SO2等有害氣體安全事故專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案.

參考文獻(xiàn)：

[1]施文.有害氣體檢測(cè)儀器原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：97-116.

[2]于立勛.有害氣體檢測(cè)儀器選擇與使用[J].中小企業(yè)管理，2009，22：287.

[3]鐵道部.TB10120-2002鐵路瓦斯隧道技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2006.

[4]衛(wèi)生部政策法規(guī)司.GBZ2.1-2007國(guó)家職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值，第1部分：化學(xué)有害因素[S].北京：人民衛(wèi)生出版社，2008.

[5]衛(wèi)生部政策法規(guī)司.GBZ2.2-2007國(guó)家職業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)工作場(chǎng)所有害因素職業(yè)接觸限值，第2部分：物理因素[S].北京：人民衛(wèi)生出版社，2008.

[6]劉傳正.長(zhǎng)江三峽庫區(qū)地質(zhì)滅害成因與評(píng)價(jià)研究[M].北京:地質(zhì)出版社，2007:189-207.