周躍峰，李傳富，宋貴明

(中國中鐵二院工程集團有限責任公司,四川 成都 610031)

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成蘭鐵路躍龍門隧道H2S整治措施的探討

周躍峰，李傳富，宋貴明

(中國中鐵二院工程集團有限責任公司,四川 成都 610031)

為了解決鐵路隧道施工及運營期間有害氣體H2S的危害，通過對H2S產(chǎn)生原因、隧道內(nèi)分布特征和危害情況的分析，采用工程類比和理論計算的研究方法，得出施工期加強超前探測、加強通風稀釋和制定專項勞動保護措施，運營期采用水氣分離排放的處理方案，從而確保隧道施工和運營安全。

鐵路隧道；H2S；通風；封閉；排放

0 引言

隨著鐵路、公路、城市地下工程建設領域的拓寬和地下空間的開發(fā)，有害氣體已成為工程建設特別是山區(qū)和丘陵地區(qū)隧道施工所面臨的一種常見的地質(zhì)災害，對施工期、運營期的施工生產(chǎn)和人員安全是一種嚴重威脅。H2S氣體溢出的案例多見于油井及煤礦等工程中，隧道內(nèi)出現(xiàn)H2S溢出的工程案例較少，TB 1003—2005《鐵路隧道設計規(guī)范》[1]也僅對通過瓦斯地層的隧道有相關要求，而且無H2S相關的系統(tǒng)整治經(jīng)驗。唐協(xié)等[2]對隧道內(nèi)H2S氣體涌出通道進行了研究，并提出了治理措施；郝俊鎖[3]對穿越含淺層天然氣地層隧道施工所處區(qū)域構造位置、地層巖性與淺層天然氣構造和儲層關系以及天然氣儲集層的類型、發(fā)育特征對隧道的影響等方面進行了研究。石油勘探及采挖的過程中有較多H2S氣體伴生的情況，對其危害及防治有相關的規(guī)定要求；市政排污管道中容易產(chǎn)生化學反應，產(chǎn)生少量H2S氣體并溶解于水中，因此也進行了相關方面的研究；國內(nèi)也有H2S對建筑材料影響的相關探索[4-5]。雖然這些研究成果對特定項目的有害氣體地質(zhì)災害預警、防治提供了較好的參考，但由于各工程環(huán)境有著較大差異，這些研究并未形成有效統(tǒng)一的可推廣成果，目前鐵路工程行業(yè)無規(guī)范、標準可循。如何把握含有害氣體地層對地下工程的影響和成災機制，采取何種有效措施減少或避免災害發(fā)生，研究解決這一難題對隧道等地下工程安全施工和順利運營具有重要意義。正在施工的成蘭鐵路躍龍門隧道出現(xiàn)了較長段落的H2S溢出，通過查閱相關規(guī)范，理論計算結合現(xiàn)場實際，制定了一套行之有效的綜合整治措施。

1 工程概況

成蘭鐵路躍龍門隧道為穿越龍門山山脈的極高風險隧道，雙線雙洞分修，左線全長19 981 m，右線全長20 042 m，單面上坡，最大埋深1 450 m。洞身通過地層主要為泥盆系(D)白云質(zhì)灰?guī)r，寒武系(∈1c)粉砂巖、磷灰?guī)r，志留系(S)千枚巖、炭質(zhì)千枚巖夾灰?guī)r，晉寧期輝綠巖(β)，震旦系(Z)硅質(zhì)巖、頁巖、炭質(zhì)頁巖夾灰?guī)r、白云巖等。洞身共發(fā)育5條斷層、2個向斜和2個背斜，其中1條為全新世活動斷裂。輔助坑道采用“3橫+2斜+1平”方案，具體布置見圖1。

圖1 輔助坑道布置(單位：m)

2 H2S產(chǎn)生原因和危害

2.1 2#斜井

躍龍門隧道2#斜井正洞小里程有異常臭雞蛋味，該段埋深400 m，巖性為志留系中上統(tǒng)茂縣群(S2-3mx)千枚巖、炭質(zhì)千枚巖夾灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，富水。經(jīng)便攜式H2S檢測儀進行檢測，正洞右線小里程方向H2S體積分數(shù)為(1～3)×10-6，正洞左線小里程方向H2S體積分數(shù)為(3～6)×10-6，濕度70%～76%，洞內(nèi)溫度19 ℃，水溫13 ℃，集中出水口處H2S體積分數(shù)可達(31～36)×10-6。委托專業(yè)機構對H2S體積分數(shù)鉆孔檢測情況如表1所示。

表1 測試資料統(tǒng)計表

2.2 3#橫洞

躍龍門隧道3#橫洞發(fā)現(xiàn)有H2S氣體，該段埋深550 m，巖性為志留系中上統(tǒng)茂縣群(S2-3mx)千枚巖、炭質(zhì)千枚巖夾灰?guī)r，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，地下水發(fā)育。經(jīng)檢測在右側墻角出水孔H2S處體積分數(shù)為 91.4×10-6，隨著遠離出水口H2S氣體體積分數(shù)逐漸降低。風管口風速為13.2 m/s，回風巷道內(nèi)H2S氣體體積分數(shù)為(1～4)×10-6，濕度70%～76%，洞內(nèi)溫度19 ℃，水溫13 ℃。

2.3 H2S物理化學及病毒性特征簡介

硫化氫，分子式H2S，相對分子質(zhì)量為34.076，有一種特殊的臭雞蛋味，標準狀況下是一種易燃的酸性劇毒氣體。相對密度為1.19(空氣為1)，易溶于水，亦溶于醇類、石油溶劑和原油，燃點為292 ℃，與空氣或氧氣以適當?shù)谋壤?4.3%～46%)混合就會爆炸。

H2S是一種強烈的神經(jīng)毒物，有劇毒，雖有惡臭，但極易使人嗅覺中毒而毫無察覺，這是因為H2S與細胞色素氧化酶中二硫鍵起作用，影響細胞氧化過程，導致組織缺氧，不但能使人體血液缺氧中毒，同時對眼睛及呼吸道黏膜具有強烈的刺激作用，能引起鼻炎、氣管炎和肺氣腫。其質(zhì)量分數(shù)與危害情況的關系見表2。

表2 H2S含量危險度表

我國《煤礦安全規(guī)程》[6]及TB 10027—2012《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》[7]規(guī)定硫化氫在空氣中的最高允許體積分數(shù)為6.6×10-6。根據(jù)中國石油天然氣股份有限公司《預防H2S中毒事故管理暫行規(guī)定》[8]對其危害區(qū)域等級進行劃分如表3所示。

表3 H2S氣體危險區(qū)域等級劃分表

H2S具有還原性和很強的腐蝕性，引起的硫酸腐蝕是混凝土腐蝕的主要原因。

2.4 工程區(qū)H2S產(chǎn)生、運移特征

H2S主要來源如下：生物降解、微生物硫酸鹽還原、硫酸鹽熱化學還原及熱化學分解、巖漿成因。

躍龍門隧道H2S有害氣體產(chǎn)生受控于本隧道特殊的地層巖性(含硫地層)及復雜活躍的地質(zhì)構造，其中深大斷裂構造起控制作用。該區(qū)域位于規(guī)模宏大、結構復雜的巨型推覆構造帶即著名的龍門山構造帶，從控制有害氣體產(chǎn)生、運移和分布角度入手，涉及的地層主要有志留系中上統(tǒng)茂縣群(S2-3mx1)千枚巖、炭質(zhì)千枚巖夾灰?guī)r，寒武系下統(tǒng)清平組(∈1c)粉砂巖、磷灰?guī)r(本層有不穩(wěn)定的油頁巖，且在所夾泥灰?guī)r中有瀝青充填，厚280.7 m)，震旦系下統(tǒng)邱家河組(Zbq)硅質(zhì)巖、頁巖、炭質(zhì)頁巖夾灰?guī)r、白云巖，晉寧期侵入巖(βμ)。褶皺主要有大屋基倒轉背斜、老林口倒轉復向斜和半山腰倒轉復背斜；斷層主要有千佛山斷層。區(qū)域構造如圖2所示。

圖2 區(qū)域地質(zhì)構造及礦產(chǎn)金屬異常區(qū)分布圖

在特殊的地層巖性(4套含硫地層及侵入巖)、特殊的金屬含礦異常帶和區(qū)域性褶皺斷裂組合情況下，含硫地層物質(zhì)(集中在寒武系地層及金屬礦化異常帶)在硫酸鹽熱化學還原情況下，產(chǎn)生H2S，向上飄逸遇水并溶解于地下水中，隨地下水運移。在隧道開挖后，由于圍巖體及地下水場受到擾動，必然引起內(nèi)部H2S壓力降低，破環(huán)了H2S存在的狀態(tài)和硫化礦水解的原有平衡，H2S便會隨之涌出；同時硫化礦也會不斷水解，生成新的H2S氣體不斷涌出，這就是隧道內(nèi)出現(xiàn)H2S氣體的原因。故在掌子面尤其是集中出水口H2S質(zhì)量分數(shù)較高，隨與出水口距離增加其質(zhì)量分數(shù)逐步稀釋降低，在回風巷道明顯降低。

2.5 H2S氣體分布特征

現(xiàn)場實測表明H2S受控于地質(zhì)構造并和地下水具有伴生關系，呈正相關關系。 靠近斷裂帶H2S體積分數(shù)明顯升高，涌水量大的位置H2S體積分數(shù)也相應較大。在無地下水或地下水不發(fā)育地帶，H2S體積分數(shù)應較?。辉诤湎?∈1c)地帶其體積分數(shù)可能會大幅度升高，尤其在金屬礦化異常帶與千佛山斷裂組合地帶其質(zhì)量分數(shù)可能較高。裂隙網(wǎng)絡及地下水運移直接控制H2S氣體分布段落及其體積分數(shù)，距離母體遠近、裂隙網(wǎng)絡及地下水的發(fā)育程度導致不同地段的H2S含量不均勻，且隨時間及施工方式的變化，逸出量也有變化。

短距離內(nèi)H2S隨著在空氣中傳播衰減極為明顯，躍龍門3#橫洞實測表明：在集中出水口H2S體積分數(shù)可達 91.4×10-6，隨遠離出水口H2S體積分數(shù)迅速降低，距離孔口 30 cm H2S體積分數(shù)降至 13×10-6，距離孔口50 cm H2S體積分數(shù)降至 7.3×10-6，此后，在不通風情況下，H2S體積分數(shù)隨距離變化不大，其體積分數(shù)擴散情況見圖3。

圖3 H2S含量擴散示意圖

2.6 預測分布段落

根據(jù)隧區(qū)地質(zhì)構造、地層巖性和地下水發(fā)育程度，躍龍門隧道H2S分布預測統(tǒng)計如表4所示。

表4 躍龍門隧道H2S分布情況統(tǒng)計表

注：根據(jù)風速質(zhì)量分數(shù)等檢測、記錄資料，確定硫化氫涌出量基準值A=0.000 6 m3/(min·m)。

2.7 水質(zhì)侵蝕性預判

根據(jù)H2S特性分析，可能存在以下侵蝕類型。

1)混凝土。H2S引起的硫酸腐蝕是混凝土腐蝕的主要原因。

2)鋼筋。H2S對金屬的腐蝕形式有電化學嚴重腐蝕、氫脆和硫化物應力腐蝕開裂，以后兩者為主，一般統(tǒng)稱為氫脆破壞。

3)止水帶。橡膠會產(chǎn)生鼓泡漲大、失去彈性。普通橡膠止水帶不能在H2S環(huán)境下正常使用。

4)防水板。H2S能夠與大部分塑料發(fā)生化學反應，常規(guī)防水板在H2S作用下加快老化，造成滲漏。

根據(jù)地層巖性及構造發(fā)育情況預測隧道侵蝕性情況如表5所示。

表5 H2S區(qū)域地下水侵蝕性預測統(tǒng)計表

3 H2S的危害整治措施

發(fā)現(xiàn)H2S氣體后，制定了H2S氣體段落專項施工方案、施工措施和應急預案，采取了加強通風和灑水措施，對局部有毒氣體易匯集的地方增加局部風扇稀釋，且撒生石灰稀釋H2S氣體，禁止進洞人員將手機、打火機、易燃和易爆物品帶入洞內(nèi)等，同時也系統(tǒng)研究制定了H2S的整治措施。

H2S的危害按照時間順序可分為準備期、施工期及運營期，按照作用對象不同可分為結構及人員，按照空間可分為洞內(nèi)及洞外。根據(jù)各階段部位的不同，針對H2S的整治方案介紹如下。

3.1 準備期超前探測

采用物探法查明前方地下水情況，避免富含H2S的地下水涌出，通過鉆設超前探孔超前探測掌子面前方H2S氣體蘊藏情況，提早探明前方氣體富集情況，避免盲目施工造成氣體突出，從而避免人員傷害。

3.2 施工期安全控制標準

建立全面的監(jiān)測系統(tǒng)，配備移動及固定氣體探測設備，隨時監(jiān)控H2S氣體體積分數(shù)情況，鑒于目前鐵路行業(yè)尚無控制標準，按照國家標準GBZ 2.1—2007《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值化學有害因素》[9]，安全生產(chǎn)控制標準為10 mg/m3(體積分數(shù)6.6×10-6)，如果其體積分數(shù)超過警戒范圍，人員應立即撤離現(xiàn)場，并加強通風，待其體積分數(shù)達到安全指標后方可繼續(xù)施工。

3.3 運營期的監(jiān)測及控制措施

當隧道建成后，應建立監(jiān)控體系，分段設置監(jiān)測斷面，對H2S體積分數(shù)進行全天連續(xù)監(jiān)測，并設定控制閾值，當大于閾值時自動報警，并自動啟動風機通風[10]，確保洞內(nèi)H2S體積分數(shù)在安全范圍內(nèi)。對排水口、檢修通道等可能富集有害氣體及水的地方設置警示標志，避免人員誤入造成傷害。運營通風應與有害氣體的排放結合，通風路徑和設備應考慮有害氣體排放的需求。

3.4 結構的處理措施

3.4.1 建筑材料抗侵蝕

目前針對H2S鐵路行業(yè)無相關標準，鐵路混凝土結構在特殊環(huán)境下的耐久性設計，應事先通過專門的研究和論證[11]；因此，施工中應加強地下水化驗工作，逐段核實侵蝕等級，根據(jù)侵蝕等級采用相應等級的高性能混凝土，鋼筋保護層厚度應滿足耐腐蝕需要，襯砌按全封閉原則進行設計[12]。

H2S氣體和H2S溶液均會降低止水帶的力學性能[13]，止水帶應考慮采用能夠抵抗H2S侵蝕的材料；防水板也應采用能夠抵抗H2S侵蝕的材料。

注漿材料也要具有相應的耐侵蝕性[14]，且耐久性滿足設計要求。

3.4.2 氣體的封堵

基巖裂隙水應完全封堵，集中出水點應盡量封堵，當不能封堵時應考慮集中引排，地下水原則上不進入側溝內(nèi)。原則上低度區(qū)采用局部注漿封堵，中度區(qū)采用徑向注漿封堵，高度區(qū)采用超前注漿與徑向注漿相結合的方式進行封堵。

根據(jù)超前地質(zhì)預報結果，氣體溢出體積分數(shù)較高的段落采用全封復合襯砌，根據(jù)氣體壓力及質(zhì)量分數(shù)情況，按照設計方案在襯砌內(nèi)添加氣密劑。

輔助坑道根據(jù)預測結果，原則上也要對氣體進行封堵，應設置二次襯砌及防水板，必要時進行注漿封堵地下水。

3.5 施工人員的勞動保護

目前H2S工作環(huán)境的勞動保護尚無統(tǒng)一標準，隧道施工建議參照石油部門行業(yè)規(guī)定，結合TB 10120—2002《鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范》[12]要求制定。

3.6 洞內(nèi)有害氣體及水的排放

3.6.1 通風方案

通風稀釋有害氣體是施工階段降低有害氣體風險的主要手段，良好的通風是安全生產(chǎn)的重要前提[15]。考慮相鄰工區(qū)貫通后，可實現(xiàn)巷道式通風，供風能力大大增加，因此相鄰工區(qū)貫通前的通風方案研究是重點，根據(jù)當前工程條件研究以下幾個方案，方案示意見圖4。

圖4 躍龍門隧道增設通風巷道平面示意圖

1)風管壓入式方案(為當前條件下極限通風能力的研究)。

2) 隔離風道方案(3#橫洞增設隔離風道)。

3)增設3#橫洞副洞方案(實現(xiàn)巷道式通風)。

4)新增斜井方案。

根據(jù)風道內(nèi)風速不超過20 m/s(文獻報道科研成果)，以及回風巷內(nèi)風速不超過6 m/s[16]，計算風道及巷道的極限通風能力，用以檢算其對應稀釋H2S體積分數(shù)至6.6×10-6的能力，結果如表6所示。

表6 各方案風量及稀釋有害氣體能力對比

根據(jù)H2S的監(jiān)測顯示，設置初期支護后，H2S涌出量約為新開挖面的15%～20%。按保守考慮，認為注漿全封堵前，初期支護段落的H2S涌出量按新開挖的25%考慮應較為合理?？紤]輔助坑道開挖暴露面積，其延米涌出量按正洞的70%考慮；Ⅳ級圍巖進尺3 m，初期支護未注漿封堵段32 m考慮。計算正洞及輔助坑道H2S涌出量見表7。

根據(jù)預測，H2S涌出量每延米大于4A的段落總長為355 m，僅占總段落長度3.4%?？紤]按最高段落進行通風設計顯然不經(jīng)濟。本次擬將通風能力按滿足4A的涌出量進行控制，當部分現(xiàn)場涌出量高于該值時，采用撒生石灰、噴水霧及適當延長通風時間等方式進行考慮。由此校核段落通風稀釋能力如表8所示。

表7 段落涌出量計算表

表8 H2S稀釋能力校核

根據(jù)當前地質(zhì)預測情況，通過對各方案的通風能力進行計算，普通的風管壓入式通風已不能滿足有害氣體稀釋要求，而采用隔離風道的通風方案、增設3#橫洞或增設通風斜井，能滿足大部分段落的H2S稀釋通風需要。

3#橫洞長達2.4 km，利用現(xiàn)有斷面進行長距離隔離風道改造，技術不成熟，通風可靠性低，因此推薦采用增設第2橫洞方案；2#斜井長度599 m，采用了增設隔離風道方案。

3.6.2 排放方案

運營期間水氣排放考慮2種方案進行比選，即水氣分離方案和水氣混合引排方案。并對各方案優(yōu)缺點進行比較見表9。

水氣分離引排方案1：加大隧道縱向盲管，在橫通道或洞室處水氣分離，水、氣分別封閉排放。

水氣分離引排方案2：保持既有縱向盲管系統(tǒng)不變，在盲管系統(tǒng)引入洞內(nèi)時設置水氣分離裝置，分別引流地下水和氣體至洞內(nèi)專用管道。其具體設計方案如圖5所示。

水氣集中引排方案3：對全部排水系統(tǒng)進行密閉處理，利用既有排水系統(tǒng)進行引排。

水氣集中引排方案4：環(huán)向、縱向盲管引入洞內(nèi)時直接引入鍍鋅鋼管，水、氣設置專用管道集中引排方案。

表9 水、氣排放方案對比

圖5 方案2水氣分離引排

水氣集中引排方案5：設置隧道體外排水系統(tǒng)。

推薦方案為水氣分離引排方案2。考慮當前水體監(jiān)測，水中溶解H2S較少，氣體單獨引排后，水中析出H2S基本形不成壓力，通過密閉水溝基本能達到隔離要求，而且單獨引排后，能盡可能減小洞內(nèi)通風壓力，且技術成熟檢修相對方便。

3.7 洞外有害氣體及水排放的控制

有害氣體及水排出洞外后，能否滿足環(huán)境排放要求，需根據(jù)施工和運營期的監(jiān)測結果確定，必要時設置專用的處理設施。

4 結論及建議

針對隧道內(nèi)H2S有害氣體的整治措施研究，我國積累的經(jīng)驗較少，特別是沒有系統(tǒng)整治的先例，本文通過對H2S產(chǎn)生原因、危害、隧道內(nèi)分布特征和侵蝕性分析，根據(jù)相關行業(yè)和國家規(guī)范制定了施工期和運營期的安全控制標準，提出了準備期超前探測，結構設防、勞動保護、加強通風、注漿封堵和氣體排放的綜合整治措施，在現(xiàn)場取得了良好的效果，也希望能為今后隧道建設中的類似問題提供借鑒。

目前我們的研究還有一些問題尚無最終結論，譬如：運營期隧道內(nèi)H2S的控制標準、其排放對環(huán)境的影響及對應處理措施等。因此隧道貫通后尚有待進一步研究解決，特別是勞動保護等相關問題需要跨行業(yè)進行研究，下一步將聯(lián)合相關單位繼續(xù)深入開展相關內(nèi)容的研究工作。

[1] 鐵路隧道設計規(guī)范：TB 10003—2005[S].北京:中國鐵道出版社,2005.(Code for design of railway tunnel:TB 10003—2005[S].Beijing:China Railway Publishing House,2005.(in Chinese))

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[12] 鐵路瓦斯隧道技術規(guī)范：TB 10120—2002[S].北京：中華人民共和國鐵道部，2002.(Technical code for railway tunnel with gas:TB 10120—2002[S].Beijing:Ministry of Railways of the People’s Republic of China,2002.(in Chinese))

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Discussion on Control Measures for H2S in Yuelongmen Tunnel on Chengdu-Lanzhou Railway

ZHOU Yuefeng,LI Chuanfu,SONG Guiming

(ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.,Ltd.,Chengdu610031,Sichuan,China)

The causes,distribution characteristics and damage of H2S to railway tunnel construction and operation are analyzed.The engineering comparison and theoretical calculation are carried out.A series of technologies,including strengthening advance detection,strengthening ventilation and making professional labor protection measures during tunnel construction and water-gas separation discharge method during tunnel operation,are adopted.The safety of tunnel construction and operation can be guaranteed by using above-mentioned technologies.

railway tunnel; H2S; ventilation; sealing; discharge

2015-09-08;

2016-04-27

周躍峰(1974—)，男，河南新鄉(xiāng)人，1997年畢業(yè)于西南交通大學，隧道及地下工程專業(yè)，本科，高級工程師，從事隧道設計工作。E-mail：pride20g@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.014

U 45

A

1672-741X(2016)10-1251-07