郝俊鎖 劉俊峰 李 勇
(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司,河北 豐潤 064000)
隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè),越來越多的地下工程不可避免需要穿越大量有毒有害氣體地層,給工程建設(shè)帶來極大的風(fēng)險和挑戰(zhàn)。因此,開展有毒有害氣體的賦存特征及其綜合控制技術(shù)研究具有一定的急迫性。
天然地層中有害氣體的來源主要有兩大類。一是成巖過程伴隨生成物或礦物因水解、高溫、氧化還原等物理、化學(xué)作用產(chǎn)生的有毒有害氣體,為與地層巖性和巖石的礦物成分密切相關(guān)的母質(zhì)類型。主要是以甲烷為主的烴類氣體(同時伴有CO2、H2、N2、H2S、SO2、CO)、放射性氡氣、巖石分解氣(如CO2、H2S、SO2、CO)等。研究對象主要包括煤系地層[1-2],含放射性鈾地層[3-4],含黃鐵礦、黃銅礦、閃鋅礦、硫磺等礦物地層[5],研究內(nèi)容為有毒有害氣體成因及其對工程建設(shè)的影響與防治等。另一類是與構(gòu)造活動單元有關(guān)的儲存型,斷層、裂隙是有毒氣體擴(kuò)散運(yùn)移到其他地層中的通道,巖石中的空隙、裂隙等是其儲氣層。研究對象主要包括淺層天然氣成因、運(yùn)移及其對工程的影響[6-7],斷裂構(gòu)造復(fù)雜地層有害氣體的成因機(jī)制和運(yùn)移模式對工程的影響等[8-9]。
綜上所述,目前國內(nèi)外學(xué)者對賦存有毒有害氣體的地下工程已有較多研究,但是鮮有涉及賦存氯氣的地下工程的研究。本文以滇中引水工程獅子山隧洞為例,通過工程勘察和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)探討氯氣的成因、聚集和儲存機(jī)理,并參考其他行業(yè)規(guī)范研究地下工程建設(shè)中的氯氣危害識別方法與標(biāo)準(zhǔn),最終提出隧洞施工中的氯氣檢測方法與防治措施。研究結(jié)果可供獅子山隧洞及其類似工程借鑒和參考。
滇中引水工程輸水總干渠引水線路總長664km,其中隧洞58座,累計長度612km,占線路長度的92%。其中,獅子山隧洞位于賓川縣,全長29.420km。隧洞設(shè)計流量125m3/s,凈斷面采用馬蹄形,R=4.60m,寬×高=9.20m×9.20m,底坡1/4200。隧洞穿越DLⅡ47+945~49+201段,CWZK237鉆孔表明地層巖性為強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化粗粒花崗巖,地層中Cl2超標(biāo),為規(guī)定限值的1.3倍。DLⅡ47+945~49+201段的隧洞縱斷面見圖1。
圖1 獅子山隧洞穿越有毒有害氣體段縱斷面
依據(jù)固定污染源排氣中氯氣的測定甲基橙分光光度法(HJ/T 30—1999),采用嶗應(yīng)2050空氣/智能TSP綜合采樣器對Cl2進(jìn)行監(jiān)測,獅子山隧洞4號支洞主洞施工里程下游段,經(jīng)現(xiàn)場手持氣體檢測儀檢測發(fā)現(xiàn)主洞內(nèi)已存有Cl2。取樣檢測共計8組樣品,檢測報告結(jié)果見表1。檢測結(jié)果表明現(xiàn)場主洞工作場所內(nèi)含有Cl2,最大含量3.469mg/m3,且均超過《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值 第1部分:化學(xué)有害因素》(GBZ 2.1—2019)中規(guī)定“工作場所Cl2職業(yè)接觸限值(MAC)為1.0mg/m3(換算為0.3ppm)”的要求。巖層中有毒有害氣體按來源分為有機(jī)成因和無機(jī)成因[10-12]。本工程Cl2賦存于巖漿巖地層,主要是由巖漿活動、無機(jī)鹽類分解等產(chǎn)生的氣體,存儲在花崗巖納米級孔隙中?,F(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明在新鮮、未風(fēng)化巖體中Cl2含量相對較高,富水或裂隙發(fā)育洞段基本檢測不到Cl2。這是因為巖體受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動、巖體風(fēng)化作用等,Cl2沿裂隙釋放或溶于地下水。
表1 氯氣現(xiàn)場檢測結(jié)果
氯氣,常溫常壓下為黃綠色、有強(qiáng)烈刺激性氣味的有毒氣體,密度比空氣大,可溶于水,易壓縮,可液化為金黃色液態(tài)氯,是氯堿工業(yè)的主要產(chǎn)品之一,可用作為強(qiáng)氧化劑。Cl2中混和體積分?jǐn)?shù)為5%以上的氫氣時遇強(qiáng)光有爆炸的危險。Cl2能與有機(jī)物和無機(jī)物進(jìn)行取代反應(yīng)和加成反應(yīng)生成多種氯化物。
a.物理性質(zhì)。通常情況下為有強(qiáng)烈刺激性氣味的黃綠色的有毒氣體。氯氣密度是空氣密度的2.5倍,標(biāo)況下ρ=3.21kg/m3??扇苡谒乙兹苡谒穆然嫉扔袡C(jī)溶劑,難溶于飽和食鹽水。1體積水在常溫下可溶解2體積氯氣,形成黃綠色氯水。
b.化學(xué)性質(zhì)。Cl2具有強(qiáng)氧化性,與許多類物質(zhì)都能反應(yīng),如金屬(鈉、鐵、銅等)、非金屬(氫氣、磷等)、化合物(水、堿等)。Cl2與水反應(yīng)的產(chǎn)物為鹽酸和次氯酸:
Cl2+H2O=HCl+HClO
c.毒理學(xué)。Cl2吸入人體后,主要作用于氣管、支氣管、細(xì)支氣管和肺泡,導(dǎo)致相應(yīng)的病變,部分氯氣又可由呼吸道呼出。人體對Cl2的嗅閾為0.06mg/m3。人對不同濃度Cl2的反應(yīng)見表2[13]。當(dāng)Cl2濃度高達(dá)30000mg/m3時,一般濾過性防毒面具也無保護(hù)作用。
表2 人對不同濃度氯氣的反應(yīng)
依據(jù)安全生產(chǎn)法和職業(yè)病防治法,以《氯氣安全規(guī)程》(GB 11984—2008)、《工業(yè)企業(yè)設(shè)計衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GBZ 1—2010)、《工作場所有害因素職業(yè)接觸限值 第1部分:化學(xué)有害因素》(GBZ 2.1—2019)和《氯氣職業(yè)危害防護(hù)導(dǎo)則》(GBZ/T 275—2016)、《個體防護(hù)裝備選用規(guī)范》(GB/T 11651—2008)等作為獅子山隧洞工程Cl2風(fēng)險識別依據(jù),提出隧洞施工過程中氯氣條件下的施工風(fēng)險識別標(biāo)準(zhǔn)。
a.接觸限值。隧洞內(nèi)工作場所Cl2職業(yè)接觸限值為(MAC)1.0mg/m3。
b.報警閾值。隧洞內(nèi)設(shè)置Cl2便攜式檢測儀和固定式報警儀,報警閾值設(shè)定為1.0mg/m3。檢測運(yùn)行、維護(hù)記錄和標(biāo)定與計量檢定資料等應(yīng)完整并及時存檔。
c.作業(yè)人員教育培訓(xùn)。主要針對隧洞內(nèi)存在Cl2的工作環(huán)境條件下,作業(yè)人員如何正確使用和維護(hù)職業(yè)病防護(hù)設(shè)備和個人防護(hù)用品,發(fā)生Cl2超標(biāo)如何采取應(yīng)急處理措施等。
d.履行告知。認(rèn)真履行職業(yè)病危害告知義務(wù)。在隧洞內(nèi)有Cl2存在的地點于醒目位置設(shè)置有關(guān)氯氣危害防護(hù)的規(guī)章制度,現(xiàn)場測試Cl2濃度等。
e.個體防護(hù)。在Cl2濃度低于1.0mg/m3的工作環(huán)境條件下,個體防護(hù)裝備無特殊要求,工作時按GBZ/T 275—2016要求執(zhí)行。
f.風(fēng)險評估。針對隧洞內(nèi)存在Cl2的工作環(huán)境條件,進(jìn)行安全風(fēng)險評估。以工作場所接觸Cl2的性質(zhì)、濃度、接觸方式、危害防護(hù)措施等作為評價指標(biāo),對發(fā)生職業(yè)病危害的可能性和危害程度進(jìn)行綜合分析評估,為采取針對性預(yù)防措施提供科學(xué)決策依據(jù)。
根據(jù)Cl2特性與危害以及隧洞施工Cl2風(fēng)險識別方法和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測,并采取針對性防治措施。
根據(jù)《工作場所空氣中有害物質(zhì)檢測的采樣規(guī)范》(GBZ 159—2017)、《工作場所空氣有毒物質(zhì)測定》(GBZ/T 300—2017)、《固定污染源排氣中氯氣的測定甲基橙分光光度法》(HJ/T 30—1999)和《氯氣檢測報警儀校準(zhǔn)規(guī)范》(JJF 1433—2013)要求,進(jìn)行隧洞內(nèi)Cl2取樣檢測、現(xiàn)場連續(xù)不間斷監(jiān)測并進(jìn)行儀器設(shè)備校準(zhǔn)。采用人工檢測與自動監(jiān)測相結(jié)合的方法。
a.人工檢測。配備K-600泵吸式手持Cl2檢測儀(量程0~20ppm,精度0.1ppm,顯示誤差±3%),指定專職檢測人員并進(jìn)行培訓(xùn),使其了解檢測報警儀的性能,熟練掌握使用方法。隧洞內(nèi)Cl2溢出段重要檢測部位為隧洞底部和離底板1.5m高的位置,做好爆破孔鉆孔時和起爆后的監(jiān)測工作。發(fā)現(xiàn)Cl2超限(大于0.3PPm)時,必須將所有人員撤至新鮮風(fēng)流中,并采取相應(yīng)措施處理。專職檢測人員進(jìn)行全面檢測,任何地點Cl2都不超標(biāo)時,方可通知其他人員施工。
b.自動監(jiān)控。本隧洞采用“多路報警控制器+GND-20系列氣體檢測變送器”Cl2監(jiān)測系統(tǒng),每個作業(yè)面配置4臺Cl2氣體探測器,實現(xiàn)洞內(nèi)Cl2連續(xù)不間斷的自動監(jiān)測,并將檢測數(shù)據(jù)上傳至洞口監(jiān)控器,當(dāng)Cl2濃度超出設(shè)定閾值時,通過聲、光連動形式自動報警。
多路報警控制器,采用能同時處理8路4~20mA變送器輸入信號并可以將4~20mA變送器信號再輸出的智能可控系統(tǒng)。系統(tǒng)主要應(yīng)用于需要檢測可燃或各種有毒氣體的場合,顯示待檢氣體的濃度值,當(dāng)現(xiàn)場的某種待檢氣體的濃度超出或低于所設(shè)置的報警值時,系統(tǒng)會自動進(jìn)行一系列報警動作。
GND-20系列氣體檢測變送器(選用CL2氣體探測器),采用了超大規(guī)模集成電路技術(shù),是一款由數(shù)字、擬混合通信技術(shù)設(shè)計的智能化氣體檢測變送器。產(chǎn)品滿足《作業(yè)場所環(huán)境氣體檢測報警儀通用技術(shù)》(GB 12358—2006)要求,防爆按照《爆炸性環(huán)境 第1部分:設(shè)備通用要求》(GB 3836.1—2010)和《爆炸性環(huán)境 第2部分:由隔爆外殼“d”保護(hù)的設(shè)備》(GB 3836.2—2010)進(jìn)行設(shè)計,可達(dá)到EXdIICT6Gb的防爆要求。
a.Cl2超前預(yù)測預(yù)報。隧洞開挖進(jìn)入粗粒花崗巖地層,需對有毒氣體Cl2進(jìn)行超前預(yù)測預(yù)報。沿隧洞軸線方向,布置超前探測鉆孔,孔深20~30m。根據(jù)鉆進(jìn)過程中的巖粉、鉆速、氣體成分和水質(zhì)情況,判斷前方水文、地質(zhì)、有毒有害氣體情況。
b.建立智能化隧洞安全監(jiān)控系統(tǒng)。建立基于物聯(lián)網(wǎng)的適用于隧洞建設(shè)特點的安全監(jiān)控系統(tǒng),將Cl2自動檢測系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、通風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和智能管理系統(tǒng)(安全管理、進(jìn)度管理、設(shè)備管理、施工管理、資料管理)等多個子系統(tǒng)進(jìn)行融合,實現(xiàn)隧洞施工“人、機(jī)、環(huán)、管”過程數(shù)據(jù)信息的全面感知,實現(xiàn)智能化施工全面管理[14]。
c.噴霧灑水溶解。隧洞開挖進(jìn)入粗?;◢弾r地層,安裝灑水噴霧裝置進(jìn)行全斷面封閉式噴霧。在出渣前,對爆破作業(yè)后新暴露的巖面、巖塊、碎渣噴水灑水。施工時,采用2~4臺噴霧器配合噴霧灑水溶解氯氣。
d.加強(qiáng)通風(fēng)。針對隧洞出現(xiàn)Cl2等有毒有害氣體具體情況,在原有通風(fēng)系統(tǒng)布置的基礎(chǔ)上增加通風(fēng)設(shè)施布置,進(jìn)一步加強(qiáng)有毒有害氣體洞段通風(fēng)能力。
e.采用濕式鑿巖機(jī)造孔,利用壓力水沖洗洞壁,爆破后利用噴霧器噴霧渣前宜用水淋濕石渣。噴射混凝土作業(yè)時,采用濕噴機(jī)作業(yè)。
本文依托滇中引水工程獅子山隧洞,通過工程勘察和現(xiàn)場實測對氯氣的特性、識別、檢測和防治等方面進(jìn)行研究,得到如下主要結(jié)論:獅子山隧洞Cl2賦存于巖漿巖地層,主要由巖漿活動、無機(jī)鹽類分解等產(chǎn)生并存儲在花崗巖納米級孔隙中。獅子山隧洞的智能化隧洞安全監(jiān)控系統(tǒng),采用Cl2專項超前預(yù)測預(yù)報、噴霧灑水、濕式鑿巖和加強(qiáng)通風(fēng)等針對性預(yù)防措施能有效控制Cl2影響,確保施工安全。