蔣 裕 飛

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610213）

0 前 言

地下洞室在開挖過程中遇到的不可預(yù)見因素較多，有毒有害氣體是其中之一，一旦對有毒有害氣體監(jiān)測不及時或采取的防治措施不當(dāng)，就會給施工生產(chǎn)和人員生命安全造成極大的危害［1］，因此在施工中對有毒有害氣體的監(jiān)測和防治是非常重要的。本文結(jié)合固增水電站發(fā)生巖層中“氣囊”（空腔）二次爆破現(xiàn)象，初步分析有毒有害氣體的成因并重點探討有毒有害氣體的處理措施。

1 工程概況

固增水電站系木里河干流“一庫六級”開發(fā)方案中的第五級，位于四川省木里縣固增鄉(xiāng)，為低閘引水式電站，由首部樞紐、引水系統(tǒng)、地面廠房等建筑物組成。其上游與俄公堡水電站尾水銜接，下游與立洲水電站水庫相接。引水隧洞布置在木里河左岸，隧洞長約11.06km，縱坡為2.0869‰。引水隧洞為馬蹄形，過流斷面尺寸為6.1m×7.8m（底寬×高），共布置6條施工支洞。

引水隧洞地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化頻繁復(fù)雜，主要地質(zhì)巖性由薄層～極薄層板巖、炭質(zhì)頁巖、中厚層變質(zhì)石英砂巖、薄層～極薄層石英砂巖、鈣質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖、硅質(zhì)板巖、千枚化板巖、鈣泥質(zhì)板巖夾千枚巖、薄層灰?guī)r夾板巖等組成，部分洞段巖性由沖洪積塊碎石土組成。

自撒洼溝至915林場加油站對面沖溝段的地層巖性為奧陶系下統(tǒng)人工組的變質(zhì)石英砂巖夾板巖。從地層巖性及巖石成因來看，具備形成有毒有害氣體的地質(zhì)條件；從巖體結(jié)構(gòu)面狀況來看，具備形成氣體儲存空間“氣囊”的地質(zhì)構(gòu)造。

2 氣體爆炸情況及有毒有害氣體產(chǎn)生原因

4號施工支洞控制段下游（樁號：T7＋740m）進(jìn)行爆破后，對洞內(nèi)進(jìn)行了強制通風(fēng)；通風(fēng)大約30min后，4號施工支洞洞口出現(xiàn)大量的煙霧，洞口有明顯沼氣味（腐臭味）；再次通風(fēng)30min后，洞口無異?，F(xiàn)象，現(xiàn)場氣體檢測人員佩戴ZYX45隔絕式壓縮氧氣自救器進(jìn)入洞內(nèi)檢測，至三岔口部位發(fā)現(xiàn)，氧氣濃度低于16%氣體報警異常后，立即撤離至洞外，因通風(fēng)時間較長，第一次檢測氧氣含量為19.7%，一氧化碳含量為8ppm，其他氣體檢測值為0；爆破12h后，檢測人員佩戴正壓式呼吸器進(jìn)洞檢查，氣體無異常，但發(fā)現(xiàn)實際爆破后的渣量比爆破設(shè)計裝藥量爆破形成渣量多，且掌子面頂拱有垮塌現(xiàn)象，經(jīng)設(shè)計、地質(zhì)、技術(shù)等專業(yè)人員現(xiàn)場勘查，判定存在氣體造成二次爆破現(xiàn)象。

地下工程建設(shè)過程中常遇到的有毒有害氣體成因：①煤層氣，瓦斯類氣體，主要成分以甲烷、二氧化碳、氮氣為主；②石油天然氣，如頁巖氣、頁巖油等；③地下礦物，如硫化物、黃鐵礦、黃銅礦等在地下水及漫長地質(zhì)演化過程中形成的以硫化氫、二氧化碳為主的氣體。將現(xiàn)場地質(zhì)查勘情況，結(jié)合工程臨近并所屬相同（近）地層的某電站長引水隧洞發(fā)生過極其嚴(yán)重的有毒氣體中毒現(xiàn)象（硫化氫引起中毒，二氧化碳引起窒息），推斷4號支洞下游的毒害氣體屬第③類成因。在固增水電站某一支洞開挖過程中，曾檢測出微量的硫化氫氣體；4號施工支洞主洞控制段下游開挖過程中選用雙閥圖層型采樣不朽鋼瓶，通過負(fù)壓式采樣，收集洞內(nèi)鉆孔作業(yè)過程中的氣體，送至專業(yè)氣體檢測機構(gòu)檢測并分析巖層中氣體成分，經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)存在硫元素、碳元素。綜合分析認(rèn)為，巖層內(nèi)存在硫化氫、二氧化碳為主的有毒有害氣體，而檢測出的一氧化碳?xì)怏w主要是由于爆破產(chǎn)生的。

3 有毒有害氣體洞段施工防控技術(shù)措施

根據(jù)有毒有害氣體特性，在處置過程中遵循“稀、排、測、防”的四字方針進(jìn)行治理［2］。

“稀”就是通過確定合理的通風(fēng)方案、增加相應(yīng)的通風(fēng)設(shè)備，達(dá)到增加輸送洞內(nèi)新鮮空氣量的目的，使有毒有害氣體濃度處于安全濃度范圍內(nèi)。

“排”是防止有毒有害氣體突然釋放后濃度驟增導(dǎo)致人員死亡或在爆破過程中發(fā)生二次爆炸而采取的預(yù)防措施，通過超前探孔和排放孔，提前了解掌握未開挖洞段的巖層特性及有毒有害氣體的濃度。

“測”是在開挖及襯砌過程中通過合理的監(jiān)測方案進(jìn)行監(jiān)測。

“防”是以人為本，為了保證進(jìn)入隧洞內(nèi)施工人員的安全，通過教育培訓(xùn)、佩戴防護(hù)面罩以及防護(hù)服以抵制有毒有害氣體對人體的傷害，同時做好應(yīng)急撤離。

3.1 稀釋有毒有害氣體的措施

洞內(nèi)采用自然通風(fēng)及機械通風(fēng)，以保證通風(fēng)量。洞口設(shè)置55kW×2臺風(fēng)機，風(fēng)速1260m3／min，并進(jìn)行24h通風(fēng)，使洞內(nèi)出露的毒害氣體迅速稀釋。對后續(xù)開挖過程中可能存在毒害氣體的洞段，在掌子面部位增加局部通風(fēng)設(shè)備，在鉆爆臺車頂部安裝3.5kW的局部抽風(fēng)機，風(fēng)量為92m3／min，通過加大通風(fēng)量，使氣體流動并被稀釋，防止毒害氣體局部富集造成濃度升高，同時利用鉆孔的供風(fēng)設(shè)備對掌子面進(jìn)行補風(fēng)，保證掌子面鉆孔以及隧洞開挖支護(hù)施工安全。

加強風(fēng)筒管理，風(fēng)筒吊掛平直，主支交匯處、彎頭采用硬質(zhì)帶閥門三通，消滅大小破口，減少通風(fēng)阻力和漏風(fēng)，確保風(fēng)筒出口處風(fēng)量不小于50m3／min，掌子面回風(fēng)速度不小于0.15m／s。進(jìn)風(fēng)流中，氧氣濃度不低于20%，二氧化碳濃度不超過0.5%，同時施工過程中按照要求測風(fēng)，如果測量值低于所需要的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)及時采取措施加強通風(fēng)。專人定期對洞內(nèi)通風(fēng)設(shè)備運行情況進(jìn)行檢查，并做好維修保養(yǎng)記錄，負(fù)責(zé)風(fēng)機及風(fēng)管的日常維護(hù)工作，保證通風(fēng)效果［3］，若出現(xiàn)設(shè)備故障情況應(yīng)及時維修。

洞內(nèi)所有鉆孔過程中，應(yīng)安排專人用水管對鉆孔部位進(jìn)行噴灑，防止鉆孔過程中鉆頭與巖石摩擦出現(xiàn)火花將可燃?xì)怏w引爆，并對部分有毒有害氣體進(jìn)行稀釋，保證鉆孔過程中施工安全。

3.2 預(yù)排有毒有害氣體的措施

有毒有害氣體洞段掘進(jìn)按照“有掘必探，先探后掘”的原則。在地質(zhì)專業(yè)探測地質(zhì)情況并出具地質(zhì)報告的基礎(chǔ)上，在掌子面鉆設(shè)預(yù)排放孔，排放孔采用手風(fēng)鉆鉆孔，孔長根據(jù)實際情況確定，一般排放孔采用5m打設(shè)一環(huán)、預(yù)留2.5m打設(shè)下一環(huán)。排放孔采用Φ42孔，橫向間距為1m，豎向間距為1m，上下斷面排放孔間距控制在1.5m。鉆孔完成后采用便攜式檢測儀在孔口進(jìn)行檢測。如果探測孔氣體濃度超標(biāo)，則進(jìn)行超前鉆探與地質(zhì)分析相結(jié)合的超前地質(zhì)預(yù)報，利用SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)、俄羅斯TGS-360pro設(shè)備開展地質(zhì)超前預(yù)報，查明掌子面前方30m的圍巖情況。這些措施不僅為隧洞施工開挖和支護(hù)提供依據(jù)和指導(dǎo)建議，還可以判斷是否存在“氣囊”現(xiàn)象。若存在“氣囊”，可根據(jù)地質(zhì)預(yù)報初步定位“氣囊”位置，再通過泄壓孔定向泄壓。

掘進(jìn)過程中，增加超前探孔深度及數(shù)量，提前了解掌握未開挖洞段的巖層特性及釋放的有毒有害氣體，避免有毒有害氣體在開挖過程中集中釋放，造成短期洞內(nèi)濃度過大。采用潛孔鉆QZJ-100B進(jìn)行超前物探孔施工，孔徑不小于50mm，孔深不小于20m，孔數(shù)不少于3個，特殊洞段孔數(shù)不少于5個（根據(jù)現(xiàn)場實際情況可增加）［4］。超前物探孔施工時，工作人員必須隨身攜帶有毒有害氣體檢測儀及應(yīng)急物資（防毒面具、正壓式呼吸器等），在鉆孔過程中，若發(fā)現(xiàn)存在有毒有害氣體釋放，立即通知洞內(nèi)作業(yè)人員及時撤離至洞外，防止有毒有害氣體對人員造成傷害。超前探孔布置情況見圖1～2。

圖1 常規(guī)洞段孔位布置（單位：cm）

為防止開挖線以外有毒有害氣囊的存在，開挖施工采用短進(jìn)尺、弱爆破的方式進(jìn)行爆破作業(yè)，每循環(huán)開挖控制在1.5m以內(nèi)，鉆探過程和鉆探完成后，用有毒有害氣體檢測儀器進(jìn)行檢測，探明是否存在有毒有害氣體及其濃度，并記錄和繪制有毒有害氣體濃度-里程曲線，分析掘進(jìn)前方有毒有害氣體賦存情況，指導(dǎo)掘進(jìn)施工和管理。

圖2 特殊洞段孔位布置（單位：cm）

3.3 監(jiān)測有毒有害氣體的措施

（1）采購足夠數(shù)量PGM6208（進(jìn)口）多功能氣體檢測儀（可測氮氧化合物、硫化物、碳氧化合物、可燃?xì)怏w等）或AS8900B四合一氣體檢測儀器（可測硫化氫、一氧化碳、氧氣、可燃?xì)怏w等）。

（2）采取設(shè)備和活物相結(jié)合的檢測方式，由專人進(jìn)行有毒有害氣體檢測工作。根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)、設(shè)計地質(zhì)巖層分析及經(jīng)驗判斷，在掘進(jìn)過程中對毒害氣體隧道作業(yè)面造孔采用固定式與移動式相結(jié)合的方式連續(xù)不斷地進(jìn)行檢測；便攜式檢測儀器固定在有毒有害氣體溢出段兩側(cè)邊墻距底板1.5m處，距離掌子面施工區(qū)域50m，并制定專人進(jìn)行巡查記錄，每30min記錄一次；帶班人員、專職檢測人員、安全員、質(zhì)檢員等攜帶6臺AS8900B四合一氣體檢測儀器，并佩戴口哨、銅鑼或射光燈；檢測員應(yīng)如實記錄檢測情況，并將檢測時間、檢測地點每30 min通過應(yīng)急電話匯報于洞外值班室值班人員，洞外值班員應(yīng)如實記錄，方便了解洞內(nèi)情況；洞內(nèi)掌子面施工時段，在附近進(jìn)行有毒有害氣體測試，作為參考。

（3）隧洞開挖深度較深（平均至支洞約1.1km），所有洞段爆破后通風(fēng)由原30min延長至1h。通風(fēng)時間達(dá)標(biāo)后，由氣體檢測人員手持便攜式氧氣罐或ZYX45隔絕式壓縮氧氣自救器，徒步進(jìn)洞進(jìn)行氣體檢測，檢測安全后，通過洞內(nèi)電話通知作業(yè)人員進(jìn)洞作業(yè)，洞內(nèi)爆破后必須嚴(yán)格按照“先通風(fēng)、再檢測、后作業(yè)”的方式進(jìn)行，爆破后檢測人員著防靜電服裝進(jìn)洞檢測。

（4）在鉆孔過程中，選用雙閥型不銹鋼瓶，通過負(fù)壓式采樣，收集洞內(nèi)鉆孔作業(yè)過程中氣體，送至專業(yè)氣體檢測機構(gòu)檢測并分析巖層中氣體成分，為后續(xù)施工提供依據(jù)和指導(dǎo)。

（5）檢測儀器必須由專人使用、保管，按要求定期調(diào)校、保養(yǎng)維護(hù)，并建立相應(yīng)的臺賬，將儀器的使用情況、調(diào)校情況、故障情況、維修保養(yǎng)情況等逐一記錄。

3.4 防護(hù)有毒有害氣體的措施

（1）組織隧洞施工全員進(jìn)行安全教育，重點講解隧洞施工毒害氣體的危害及有關(guān)防護(hù)，熟悉應(yīng)急物資使用方法，保證全員了解毒害氣體的防治技術(shù)措施、組織措施、防護(hù)措施等；制定專項應(yīng)急預(yù)案，并開展全員應(yīng)急演練。

（2）認(rèn)真落實班前五分鐘活動，所有人員進(jìn)洞必須穿防靜電服裝，嚴(yán)禁攜帶火源。

（3）把控鉆孔作業(yè)環(huán)節(jié)，嚴(yán)格控制鉆孔作業(yè)人員數(shù)量，鉆孔作業(yè)時必須保證作業(yè)面通風(fēng)良好。結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)及超前地質(zhì)預(yù)報，對極可能出現(xiàn)有毒有害氣體但未開挖工作面，鉆孔作業(yè)人員、監(jiān)測人員必須佩戴ZYX45隔絕式壓縮氧氣自救器，并實時監(jiān)測洞內(nèi)氣體狀況，其他低風(fēng)險洞段鉆孔作業(yè)人員、監(jiān)測人員必須攜帶ZYX45隔絕式壓縮氧氣自救器，便于及時使用。

（4）嚴(yán)抓重點作業(yè)環(huán)節(jié)，嚴(yán)格按照設(shè)計要求進(jìn)行裝填炸藥，同時嚴(yán)控單個循環(huán)的開挖進(jìn)尺及爆破裝藥量。爆破作業(yè)前，確保同一個支洞三岔口上下游作業(yè)面作業(yè)人員全部撤離后，由一名爆破員在三叉口實施引爆（佩戴ZYX45隔絕式壓縮氧氣自救器），具備條件的情況下盡可能在洞外引爆。

（5）在掌子面及其附近設(shè)置應(yīng)急箱，根據(jù)情況備足個人防護(hù)設(shè)備（便攜式氧氣罐或ZYX45隔絕式壓縮氧氣自救器、唐豐防毒面罩配7號罐）。一旦檢測人員發(fā)現(xiàn)有毒有害氣體超標(biāo)，應(yīng)按照應(yīng)急預(yù)案立即暫停洞內(nèi)所有施工項目，組織人員撤離。撤離人員及時佩戴設(shè)置于工作面應(yīng)急包中的安全防護(hù)用品，待檢測各種有害氣體濃度降至安全標(biāo)準(zhǔn)之前，任何人員嚴(yán)禁進(jìn)入隧洞［5］。

（6）發(fā)生緊急事件必須進(jìn)行應(yīng)急處理時，進(jìn)入 人員需嚴(yán)格佩戴防毒面具，穿著防毒服，從支洞口手持便攜式檢測儀檢測洞口回風(fēng)流中的有毒有害氣體含量。當(dāng)含量在允許值范圍時，工作人員逐步進(jìn)入施工區(qū)域，待工作完畢后，及時淋浴并換洗工作服。作業(yè)人員應(yīng)學(xué)會自救互救，進(jìn)入施工現(xiàn)場須有人監(jiān)護(hù)。

4 結(jié) 語

有毒有害氣體在自然界廣泛存在，當(dāng)達(dá)到一定濃度后才會對人員造成損害。從上游某水電站有毒有害氣體的工程經(jīng)驗來看，有毒有害氣體突然釋放、爆炸、燃燒一般發(fā)生在隧洞開挖爆破階段。鉆進(jìn)過程中，由于氣體沿鉆孔釋放的量有限，發(fā)生燃燒、爆炸的概率較低，施工人員在做好監(jiān)測、防護(hù)等措施的前提下，如現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)有氣體釋放跡象，應(yīng)及時撤離。本工程在長距離有毒有害氣體出露隧洞段的施工過程中采取了“稀、排、測、防”等措施，實現(xiàn)了有毒有害氣體洞段的安全施工，及隧洞的安全順利貫通。