蘇少凡，蘇培東，邱鵬，李有貴

西南石油大學地球科學與技術(shù)學院，成都 610500)

1 前言

隨著我國鐵路公路建設(shè)的不斷向西部、西南部推進，隧道工程也越來越多，由于地質(zhì)條件的復(fù)雜多變，穿越非煤系地層的隧道在施工中更容易遇到瓦斯、二氧化碳等有害氣體，因此對施工技術(shù)要求也越來越高。非煤系隧道有害氣體相關(guān)的施工技術(shù)研究正引起學者的廣泛關(guān)注與研究。

目前部分學者對非煤系隧道的施工技術(shù)進行了研究，在隧道有害氣體監(jiān)測、隧道通風及防突等方面取得了一系列成果[1-4]。如趙軍喜在2003年結(jié)合圓梁山隧道工程，在施工中采用壓入式與巷道式相結(jié)合的通風方法和鉆超前卸壓孔方法，有效地降低了有害氣體涌出的危險性[5]；王慶國在2008年對瓦斯隧道施工中的幾種防突措施進行了簡單分析，提出了短進尺、弱爆破、勤監(jiān)測、強通風、快噴錨等措施，以達到安全、快速施工的目的[6]；2011年，郝俊鎖以梅嶺關(guān)隧道為例，對瓦斯的地質(zhì)預(yù)報、氣體檢測及隧道通風進行了研究分析，認為非煤系瓦斯隧道安全施工的控制重點在于人與物的因素相結(jié)合，以保證施工安全[7]；2014年趙鈺結(jié)合天臺寺隧道的施工工程實例，提出了超前鉆探、加強通風、勤檢測、短進尺、配備防爆設(shè)備和加強施工管理的施工及防治措施并對其效果進行了檢驗[8]；李鵬等提出了采用物探法和地質(zhì)法相結(jié)合的方式進行非煤系瓦斯隧道的地質(zhì)預(yù)報[9]；龐偉等在2019年結(jié)合天目山隧道的工程實例對隧道通風措施進行了研究，通過對比通風前后氣體濃度變化分析了有害氣體的分布規(guī)律，并對通風效果進行了評價[10]。

綜合以上研究可以看出，在隧道有害氣體施工技術(shù)主要集中于氣體監(jiān)測及通風研究，氣體防突措施大多針對煤層瓦斯，而快速降毒措施鮮少有學者進行研究。本文針對非煤系隧道有害氣體的監(jiān)測通風一體化動態(tài)研究及防突和降毒措施進行了研究創(chuàng)新并以工程實例進行了效果檢驗，為此類隧道的施工提供了指導作用。

2 非煤系隧道有害氣體特征

非煤系隧道有害氣體除自身的強滲透性和窒息性以外，還具有高濃度性、復(fù)雜多樣性、隨機性、高壓性和預(yù)測的高難度性[11]。有害氣體的存在和難以預(yù)測的規(guī)律對隧道施工具有嚴重的危害性，威脅施工人員的生命安全，易發(fā)生高壓氣體突出且對隧道及設(shè)備也具有腐蝕性。

(1) 強滲透性：有害氣體的滲透性極高，易透過裂隙發(fā)育的巖石滲透到隧道開挖空間中。

(2) 窒息性：有害氣體濃度升高，空氣中氧氣濃度急劇下降，會引起人員窒息。

(3) 高濃度性：從區(qū)內(nèi)有害氣體檢測和監(jiān)測情況來看，隧道內(nèi)二氧化碳濃度持續(xù)保持爆表狀態(tài)，其他有害氣體的濃度也遠超安全標準限值。

(4) 復(fù)雜多樣性：目前在非煤系隧道檢測出的有害氣體種類繁多，二氧化碳、硫化氫、一氧化碳、二氧化硫、氨氣及氫氣并存，且可能同時存在其他有害氣體。

(5) 隨機性：區(qū)內(nèi)有害氣體濃度呈現(xiàn)出間歇性變化，無明顯的規(guī)律性可循，呈游離運動的特點，說明有害氣體濃度具有隨機性。

(6) 高壓性：有害氣體沿大斷裂向上運移的過程中，在節(jié)理裂隙密集處容易在局部富集，形成規(guī)模大小不等的高壓氣囊，隧道施工帶來了極高的困難和危險性。

(7) 預(yù)測高難度性：縱觀區(qū)內(nèi)有害氣體的變化趨勢，由于其無明顯的規(guī)律性，預(yù)測難度較大性。這也凸顯了加強有害氣體檢測的重要性。

3 非煤隧道有害氣體施工技術(shù)研究

3.1 有害氣體監(jiān)測與通風一體化管理技術(shù)

針對非煤系隧道有害氣體不確定性、不穩(wěn)定性及難以預(yù)測性等特點，采用人工檢測和全自動檢測設(shè)備相結(jié)合的方式，對圍巖及施工中的氣體檢測，并對作業(yè)環(huán)境進行全過程全自動智能監(jiān)測，以保證施工安全。按照其作用和檢測方法的不同分為隧道周邊一定范圍圍巖中的氣體檢測、施工工序的氣體檢測和作業(yè)環(huán)境的全過程全自動智能監(jiān)測3種形式。

(1) 圍巖中的氣體檢測

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報TSP、地質(zhì)雷達、瞬變電磁等物探結(jié)果，推測可能存在有害氣體的位置，有針對性地在隧道前方及周邊實施長、短距離結(jié)合的有害氣體檢測孔，通過檢測有害氣體的類型、含量、涌出量等參數(shù)，判斷有害氣體可能存在的三維空間位置和分布、運移規(guī)律。

(2) 施工工序的氣體檢測

由專業(yè)檢測人員每班交接班時對作業(yè)環(huán)境內(nèi)有害氣體濃度檢測，與自動監(jiān)測系統(tǒng)檢測結(jié)果相互印證。關(guān)鍵工序、關(guān)鍵工作施工時，由專業(yè)檢測人員進行有害氣體檢測，保證施工安全。

(3) 作業(yè)環(huán)境的全過程全自動智能監(jiān)測因有害氣體成分復(fù)雜，每種氣體的特性不一，結(jié)合各種氣體的密度與空氣密度的關(guān)系，分析各種氣體可能富集的區(qū)域，在隧道不同斷面、斷面不同位置布設(shè)氣體檢測探頭，實時監(jiān)測各類有害氣體濃度變化。

在非煤系隧道的施工中，根據(jù)氣體的物理特性，優(yōu)化有害氣體檢測部位，合理布置全自動有害氣體監(jiān)測探頭，實現(xiàn)有害氣體的全方位、無死角監(jiān)測。并建立隧道有害氣體監(jiān)測與通風一體化動態(tài)管理系統(tǒng)，其主要功能包括實時監(jiān)測數(shù)據(jù)展示、超限自動報警、通風量調(diào)整、各氣體季度趨勢曲線以及超限預(yù)警次數(shù)統(tǒng)計幾個模塊(圖 1)，通過圍巖中有害氣體檢測、環(huán)境中有害氣體監(jiān)測，以實現(xiàn)有害氣體快速預(yù)警和信息化管理體系。監(jiān)測全過程以自動監(jiān)測為主，輔以手動監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送至洞口控制室，通過數(shù)據(jù)分析計算氣體濃度是否超過警戒閾值，并在氣體濃度超標時自主實施通風量調(diào)整程序，實現(xiàn)有害氣體監(jiān)測信息化和智能化管理，信息化程度高。

圖1 隧道有害氣體監(jiān)測與隧道通風動態(tài)管理

該系統(tǒng)的整體架構(gòu)主要包括(圖 2)：

圖2 隧道有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

(1) 底層數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)庫作為系統(tǒng)底層存儲結(jié)構(gòu)，主要負責為系統(tǒng)提供永久的數(shù)據(jù)存儲。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL提供實時氣體濃度值、數(shù)據(jù)讀取時間、超限等級等相關(guān)數(shù)據(jù)的存儲功能。

(2) 數(shù)據(jù)接口層：該層連接數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)氣體濃度值記錄、超限預(yù)警記錄等的底層存取和修改；同時為業(yè)務(wù)層提供數(shù)據(jù)訪問的抽象接口，將數(shù)據(jù)庫與業(yè)務(wù)層隔離開來，保證數(shù)據(jù)安全。

(3) 業(yè)務(wù)層：該層主要包括實時氣體濃度值獲取、自動通風量調(diào)整、季度氣體濃度值趨勢統(tǒng)計和年度超限預(yù)警統(tǒng)計4個功能模塊。用戶請求到來時，通過url匹配映射到對應(yīng)的功能函數(shù)，經(jīng)過對用戶登錄和權(quán)限驗證后，向下層數(shù)據(jù)接口發(fā)起數(shù)據(jù)請求，最后將結(jié)果包裝成JSON格式返回給前端交互層。

(4) 交互層：該層主要提供前后端交互、一般數(shù)據(jù)渲染以及圖表渲染功能。對于與后端的交互功能，該層將用戶請求通過Ajax進行包裝并傳遞給后臺，并能夠接受后端傳回的數(shù)據(jù)或錯誤信息；該層將后端傳回的一般動態(tài)數(shù)據(jù)通過Bootstrap模板引擎進行渲染，圖表數(shù)據(jù)通過ECharts進行渲染。

(5) 展示層：一方面為用戶提供進入非煤系隧道有害氣體監(jiān)測系統(tǒng)的入口，另一方面為用戶提供交互的直觀結(jié)果。

根據(jù)前人的研究，將非煤系隧道有害氣體危險性劃分為極高度、高度、中度、低度4個危險等級，在該管理系統(tǒng)中除低度危險的記錄外，其余危險等級的記錄都存儲到超限預(yù)警統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫中。該系統(tǒng)將有害氣體檢測納入工序管理，實施全過程、全方位監(jiān)測，保證了施工安全，有助于了解有害氣體可能存在的空間展布，為有害氣體防治提供可靠依據(jù)。

3.2 有害氣體防突措施

隧道非煤系地層高壓有害氣體突出表現(xiàn)為在極短的時間內(nèi)從工作面噴出大量巖石和氣體的動力現(xiàn)象。傳統(tǒng)的煤層瓦斯防突措施受有害氣體種類繁多及氣壓相對較高的限制，有毒有害氣體相較于煤層瓦斯來說難以排放，對施工進度及施工人員的安全威脅較大，不適用于非煤系隧道有害氣體的突出治理。因此針對該區(qū)域內(nèi)有害氣體突出的特點制定了以物探鉆孔預(yù)測+鉆孔排放+高壓注水為主要方式的行之有效的防突措施。其預(yù)報手段為物探和鉆探，物探手段用以分析工作面前方范圍內(nèi)是否存在高壓有害氣體，鉆孔手段用以測定有害氣體初速度及突出的危險性。當判定存在高壓有害氣體突出的風險時，立即采取鉆孔排放及高壓注生石灰水的措施。

(1) 物探手段

在非煤系隧道施工前，利用TSP超前預(yù)報法、地質(zhì)雷達等物探手段對前方的地質(zhì)情況進行預(yù)報。其中TSP超前預(yù)報每100 m一次，根據(jù)實際情況適時加密預(yù)報頻率，前后兩次連續(xù)預(yù)報應(yīng)重疊不少于10 m以保證預(yù)報結(jié)果的連貫性。地質(zhì)雷達探測前方距離約10～30 m。前后兩次連續(xù)預(yù)報時重疊長度應(yīng)不少于5 m。物探技術(shù)對隧道掌子面前方巖體的完整性、軟弱圍巖、節(jié)理裂隙及空腔位置進行了宏觀分析，初步判斷了前方圍巖存在高壓有害氣體的可能性。

(2) 鉆探手段

以地質(zhì)調(diào)查法和物探手段為基礎(chǔ)，進一步對前方范圍內(nèi)的不良地質(zhì)體和異常部位進行鉆探預(yù)測，采用長距離鉆探+短距離鉆探+周邊鉆探的方法進行。

長距離鉆探即超前水平鉆，利用鉆機在隧道開挖工作面進行鉆探，探測孔一般25 m一個循環(huán)，單孔長度為30 m左右，立角1°～3°，相鄰探測孔之間搭接長度為5 m，當存在異常時適時加密或加深鉆孔。

短距離鉆探即加深炮孔，在每次開挖前用長6 m的鉆桿鉆小孔徑的淺孔對工作面進行超前探測，炮孔長度應(yīng)較循環(huán)進尺深不少于3 m，每次爆破進尺不超過3 m，外插角21°，使工作面始終保持3 m的安全巖盤。

周邊鉆探即徑向探孔，當超前鉆孔監(jiān)測到存在有害氣體時，采用風槍探孔對隧道周邊及基底進行探測?？咨? m，斷面環(huán)間距5 m，若有害氣體濃度較高，則在一開挖段布置探孔進行補充探測。

鉆孔均采用水鉆，鉆探過程中及時記錄鉆進的時間、速度、壓力和沖洗液的顏色、成分；觀察是否有氣體逸出和卡鉆、頂鉆、氣體噴出等現(xiàn)象；實時監(jiān)測鉆孔內(nèi)氣體濃度及壓力并做出準確預(yù)報，發(fā)現(xiàn)存在高壓有害氣體時立刻利用防噴封孔器封堵鉆孔，為工作人員撤離和處理提供緩沖時間。

(3) 鉆孔排放

當檢測存在高壓有害氣體時，可以通過探孔排放實現(xiàn)氣體降壓以減少有害氣體突出風險。有害氣體的排放利用已布置的探測孔即可進行，當氣體濃度較高時可再增設(shè)排氣孔，布設(shè)范圍應(yīng)超出已探明的有害氣體逸出范圍不少于3 m，孔徑設(shè)置為89 mm，孔深應(yīng)長、短交錯布置，工作面保持3 m以上的安全巖盤。施工過程中若某孔動力現(xiàn)象明顯，可先行完成其他孔施工后再對該孔進行補鉆。每孔完成后應(yīng)及時檢測有害氣體類型及濃度，根據(jù)效果對排放時間進行適當調(diào)整。

(4) 高壓注水

非煤系隧道的有害氣體如H2S和CO2，在一定條件下溶于水、生石灰水。因此針對性地采取在探孔中高壓注入水和生石灰水的方法，通過中和反應(yīng)來迅速降低有害氣體的濃度以達到卸壓降毒的作用，同時利用高壓水通過圍巖裂隙的滲透擠出部分有害氣體。高壓注生石灰水利用高壓水泵送水(圖 3)，注水壓力為8～10 MPa，操作較為方便，泄壓效果好。

圖3 高壓注水系統(tǒng)簡單示意圖

3.3 有害氣體快速降毒措施

現(xiàn)有研究還沒有成熟的隧道有害氣體快速降毒技術(shù)，因此針對非煤系隧道有害氣體的成分復(fù)雜及毒性高的特點，提出了利用“中和反應(yīng)”的快速降毒的方法。其主要特點為：

(1) 隧道爆破作業(yè)時，在掌子面安裝一定量的有害氣體中和溶液，在爆破過程中完成中和反應(yīng)，利用爆炸能帶動水袋爆炸，形成“水楔”，其尖劈作用加劇裂隙的延伸與擴展，爆破形成的高壓沖擊波將炮孔內(nèi)的中和溶液擠入圍巖裂隙中，與裂隙中的有害氣體發(fā)生第一次中和反應(yīng)，降低圍巖中有害氣體含量。爆破時的高溫高壓環(huán)境使中和溶液霧化，形成細小顆粒在隧道中噴灑，與隧道中殘留的有害氣體第二次中和反應(yīng)，快速降低隧道作業(yè)環(huán)境中有害氣體含量。

(2) 改進了隧道爆破裝藥結(jié)構(gòu)，周邊眼采用間隔、不耦合裝藥，導爆索起爆，藥卷間裝入長約20 cm有害氣體中和溶液水袋；在周邊眼與輔助眼之間、輔助眼與輔助眼之間布置鉆孔，安裝中和溶液水袋。

(3) 采用噴淋、噴霧降毒系統(tǒng)，向作業(yè)環(huán)境噴灑有害氣體消解液，與有害氣體進行第三次中和反應(yīng)，降低有害氣體濃度。同時可將噴淋、噴霧降毒系統(tǒng)與有害氣體自動監(jiān)測系統(tǒng)連接，實現(xiàn)一體化和信息化管理，根據(jù)有害氣體濃度變化情況，及時啟用噴淋、噴霧降毒技術(shù)，保證施工安全。

4 工程施工實例

4.1 工程概況

紅豆山隧道的起訖里程為DK114+497 ～ DK125+113，全長10 616 m，最大埋深1 020 m，最小埋深約14 m，主要以花崗質(zhì)糜棱巖和印支期黑云母花崗巖為主，設(shè)計風險等級Ⅰ級。隧道共設(shè)2座斜井和2座洞身平導，分4個工區(qū)組織施工，其中進口工區(qū)承擔2 400 m正洞，1號斜井工區(qū)承擔2 763 m正洞、1 799 m斜井及2 210 m平導施工；2號斜井工區(qū)承擔3 445 m正洞、1 657 m斜井及1 600 m平導施工；出口工區(qū)承擔2 008 m正洞施工。地質(zhì)資料顯示，紅豆山隧道有害氣體極高度危險區(qū)域長度5 764 m，高度危險區(qū)域長度6 130 m，高度及以上危險區(qū)域長度占隧道總長度的70%以上。

4.2 有害氣體監(jiān)測與通風一體化管理技術(shù)應(yīng)用

以紅豆山隧道2017年12月至2019年1月的CO2氣體濃度變化為例，從系統(tǒng)展示為氣體濃度值的季度趨勢曲線圖及超限統(tǒng)計餅圖(圖 4～圖 5)可以看出氣體在2018年9月之前長期處于高濃度狀態(tài)，最高濃度可達56 300 ppm，處于高度危險區(qū)的約占6.1%，中等危險區(qū)的約占43.17%，氣體濃度大多數(shù)時間呈不穩(wěn)定振蕩型，施工中有必要加強有害氣體監(jiān)測。

圖4 CO2氣體濃度趨勢圖

圖5 CO2氣體年度超限統(tǒng)計餅圖

通過對不同的監(jiān)測位置記錄其有害氣體濃度檢測分析，可判斷隧道一定范圍內(nèi)的有害氣體的分布位置，是分析有害氣體賦存規(guī)律及分布特征的重要條件，因此施工中需加強有害氣體探測，并及時采取相應(yīng)的防治措施。

4.3 有害氣體防突措施應(yīng)用

以紅豆山隧道為例，在運用該有害氣體突出治理技術(shù)后，共預(yù)測并處理有害氣體濃度超標、突出風險等險情150余次，未發(fā)生過有害氣體突出事故，保障了施工安全。施工中主要采用鉆孔排放和高壓注水的防突措施，在隧道有害氣體濃度明顯超標時采取鉆孔排放和高壓注水的泄壓降毒時間進行對比(表 1)并繪制曲線圖(圖 6)，可見鉆孔排放1 d后，濃度無明顯變化，而實施注生石灰水措施后，有害氣體濃度當天即降低至安全限值以下，可見采用鉆孔排放和高壓注水對氣體泄壓效果改善明顯。

表1 不同防突措施泄壓降毒效果記錄表

圖6 不同防突措施泄壓效果對比曲線

4.4 有害氣體快速降毒技術(shù)應(yīng)用

以紅豆山隧道為例，2019年1月至5月遇極高濃度的有害氣體，超前探孔、炮孔內(nèi)檢測出CO2濃度534～200 000 ppm、H2S濃度2.3～1 000 ppm?，F(xiàn)場對連續(xù)段落普通光面爆破和生石灰水壓爆破，通風15 min后掌子面作業(yè)環(huán)境中有害氣體濃度檢測(表 2)，可見20 min后，常規(guī)爆破通風時CO2氣體和H2S氣體濃度仍未降低至安全限值以內(nèi)，而采用生石灰水壓爆破通風時氣體濃度降低明顯，迅速達到安全限值要求，可見噴灑生石灰水的措施針對性強，能夠有效降毒，效果顯著。

表2 有害氣體濃度對比表

對紅豆山隧道發(fā)生的兩次CO2和H2S氣體濃度超標情況分別進行普通通風及通風+噴淋的措施(表 3)，并繪制采取措施前后的降毒效果曲線(圖 7～圖 8)進行分析，可見采用通風時輔以噴淋降毒措施相較于僅采用普通通風措施來說能夠有效降低CO2和H2S氣體濃度，降毒效果顯著。

表3 通風及噴淋降毒措施效果記錄表

圖7 CO2通風及噴淋降毒效果曲線

圖8 H2S通風及噴淋降毒效果曲線

5 結(jié)論

(1) 將有害氣體檢測及實時通風調(diào)整納入工序管理，建立隧道有害氣體監(jiān)測與通風一體化動態(tài)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了多種有害氣體自動檢測數(shù)據(jù)接力傳輸和有害氣體隧道施工通風的信息化管理，是施工安全的重要保證。

(2) 研究了非煤系地層有害氣體的防突措施，采用高壓注水快速降低掌子面前方范圍內(nèi)氣體的壓力和濃度，有效地降低了非煤系地層高壓有害氣體突出的風險，填補了非煤系地層有害氣體防突技術(shù)的空白，對非煤系地層有害氣體隧道施工具有指導作用。

(3) 提出利用有害氣體與中和溶液的“中和反應(yīng)”對有害氣體進行快速降毒的措施，通過工程實例驗證了該快速降毒措施的有效性和顯著效果，極大改善了有毒有害氣體隧道作業(yè)環(huán)境，降低了因有害氣體濃度超標造成安全事故的幾率。

(4) 隨著地下工程的不斷發(fā)展，施工中遇到有害氣體的種類越來越多，濃度也越來越高，同時具有爆炸性、隨機性、有毒性及爆突性的有害氣體對施工的危害極大，因此對此類有害氣體隧道的施工技術(shù)急需進一步地深入研究，并編制相關(guān)行業(yè)規(guī)范，以更好地保證施工安全。