周鶴

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，烏魯木齊 830000）

1 工程概況

新疆某隧洞工程全長39.73 km，縱坡0.20%，采用TBM（全斷面硬巖隧道掘進機）開挖，最大埋深達到2 230 m。整個隧洞采用順坡掘進、逆坡排水方式，單向掘進施工段長度14.2 km。該隧洞部分區(qū)段的巖石中含有甲烷等易燃易爆氣體和硫化氫等有毒氣體。出于安全施工考慮，需要對有害氣體的類型、分布、數(shù)量等展開預測分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出相應的防治措施。

2 有害氣體的預測分析

2.1 有害氣體發(fā)生情況

該隧道工程施工中，出現(xiàn)過2次有害氣體泄漏情況。第一次是在2022年10月13日上午9時28分，TBM 掘進至樁號15+572，設(shè)備停機焊接拱架時，隧洞內(nèi)作業(yè)人員觀察到頂護盾下方油缸處噴出一簇火焰，同時發(fā)出震耳的響聲，伴隨有異味。第二次是在2022年10月15日的14點47分，在隧洞右側(cè)發(fā)現(xiàn)1處正在燃燒的火焰。隧洞內(nèi)的施工人員及時報告給施工負責人，然后安排專人收集燃燒位置的氣體，并使用專項設(shè)備進行了其他成分分析。結(jié)果表明，空氣中一氧化碳的含量為15 ppm。觀看火焰顏色，為淡藍色。在燃燒點右側(cè)2.80 m處，有一處最大寬度為0.50 mm、長度為700 mm的裂縫，有氣體泄漏?，F(xiàn)場人員使用打火機在裂縫處打火，發(fā)現(xiàn)有爆燃現(xiàn)象。

2.2 有害氣體的預測分析

有害氣體儲存在巖體內(nèi)，在未開挖狀態(tài)下，隧道巖體的完整度較高，內(nèi)部氣體處于封閉、平衡狀態(tài)；在隧道開挖后，由于爆破振動和圍巖應力變化，導致巖體出現(xiàn)破壞、形成裂縫，原本被封閉在巖體內(nèi)的有害氣體會在壓力差的作用下，沿著裂隙向外擴散，并聚集到空氣密度較低、壓力較小的隧道內(nèi)。根據(jù)這一情況，可以結(jié)合施工期間的現(xiàn)象或者在施工過程中采取一些措施，達到預測有害氣體的效果。例如：施工人員可根據(jù)掌子面變形情況進行預測，若掌子面發(fā)生變形，會導致炮眼受到擠壓，藥卷無法正常放入，這種情況下有較大概率存在有害氣體?；蛘呤窃谑┕て陂g采取超前鉆孔的方式，獲取巖層中的巖芯，通過分析巖芯特征判斷是否存在有害氣體。如果巖芯的顏色以紅褐色、淺綠色為主，并且呈薄片狀或砂狀，說明隧洞圍巖存在噴發(fā)危險巖石，有較大概率存在有害氣體。

2.3 有害氣體的預測成果

按照上述方法對隧洞內(nèi)的有害氣體進行預測，得出以下結(jié)論：

有害氣體溢出點位置。隧洞內(nèi)主要有3 個有害氣體的溢出點，并且集中分布在距離TBM護盾2.00 m范圍內(nèi)，具體位置如圖1所示。

圖1 有害氣體溢出點相對位置示意圖

結(jié)合上圖可知。溢出點1和2，分別位于TBM護盾的左右兩側(cè)，而溢出點3則位于裂隙L2 512和L2 513之間。從形成原因上來看，這兩條裂隙均屬于剪切裂隙，裂隙表面較為光滑，并且在兩條裂隙交叉后，共同線上延伸一直接近洞頂。

2022年10月15日的下午，工作人員利用手持儀器采集隧洞內(nèi)的氣體并分析，測得空氣中有害氣體主要為一氧化碳和甲烷，其中一氧化碳濃度為15 ppm，未超過標準（24 ppm）；甲烷濃度為1.10%，達到危險值（1%）。隨后，工作人員連續(xù)3 d 收集3個溢出點的空氣并帶回實驗室檢測。

結(jié)合檢測數(shù)據(jù)可知，該隧洞內(nèi)的有害氣體主要有一氧化碳、硫化氫和甲烷3種類型。

3 有害氣體的防治措施

3.1 勘察設(shè)計階段的防治措施

在隧道施工前的勘察設(shè)計環(huán)節(jié)，如果勘察人員探明了擬選線路上存在大量分布的有害氣體，那么應當及時更換線路方案，另選一條有害氣體較少的線路。如果沒有其他更好的方案，隧洞必須經(jīng)過含有有害氣體的地層，則應當在設(shè)計方案中加入必要的預防措施。

3.2 施工階段的防治措施

3.2.1 加強監(jiān)測，做好通風工作

在隧道工程的前期勘察環(huán)節(jié)，如果監(jiān)測到易燃易爆的甲烷、硫化氫等有害氣體，必須要在施工階段建立起有害氣體的監(jiān)測系統(tǒng)，利用高靈敏度的監(jiān)測儀器，不間斷、高頻率地采集隧道內(nèi)的有害氣體濃度信息。同時，還可以人為設(shè)置濃度閾值，一旦監(jiān)測數(shù)據(jù)超出了閾值，則監(jiān)測儀器自動進行報警，提醒工作人員及時采取措施降低有害氣體的濃度。以瓦斯為例，利用瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測裝置實時采集隧道空氣中瓦斯的濃度，如果濃度高于1.00%，則禁止裝藥放炮；如果濃度高于2%，要求隧道內(nèi)的施工人員必須立刻撤離，保障人員安全。另外，像主風流處，總回風風流處等，也對瓦斯的濃度限制作出相應的要求，可作為監(jiān)測報警的依據(jù)。當有害氣體濃度不高，或者是剛剛超過設(shè)定的閾值時，可以采取通風措施稀釋有害氣體的濃度。在隧洞內(nèi)增加通風設(shè)備，并盡量在護盾、掌子面等位置安排更多的通風設(shè)備，通過增加空氣流動性，達到稀釋空氣中有害氣體濃度的效果。在有害氣體溢出洞段應做到24 h 不間斷通風，防止形成密閉空間，可以有效降低有害氣體聚集帶來的安全隱患。

3.2.2 鉆孔排氣降壓

當隧道工作面的前方有壓力較大、存量較大的有害氣體時，常規(guī)的通風措施已經(jīng)無法滿足快速排氣、保證安全的需求，這種情況下可以選擇超前鉆孔、輔助豎井的方式快速、大量地排出有害氣體，避免隧道施工過程中發(fā)生爆炸事故或者中毒事故。文章研究的隧道工程，采取了“鉆孔真空抽放法”進行排氣、降壓。挑選了3條直徑為1 800 mm的瓦斯抽放管道，從隧道內(nèi)部伸出洞外約30 m，以較大壓力通入氣流，將前方圍巖內(nèi)的瓦斯氣體排出。在隧道開挖方式上，則采取了短進尺、弱爆破、強支護、快噴錨的大斷面開挖模式，在長度為3 860 m的隧道內(nèi)，共計開孔124個，先后進行了5次排氣降壓，累計排氣時間超過40 h，初步估算排放瓦斯量達到10萬m3，最終該隧道圍巖中瓦斯壓力穩(wěn)定在16～17 kPa，符合安全要求。

3.2.3 有害氣體的封堵

對深埋長隧道內(nèi)的有害氣體進行封堵，避免有害氣體的擴散，也是一種常用且有效的方法。根據(jù)封堵方式的不同，具體可分為兩種類型：一種是襯砌，在隧道開挖過程中，由于打破了巖土結(jié)構(gòu)的力學平衡，導致隧道圍巖的滲透能力得到加強，在壓力差的影響下有害氣體會擴散到開挖空間中，并且隨著時間的延長有害氣體的濃度也會越來越高。襯砌封堵就是將混凝土涂抹在隧道圍巖的表面，等到混凝土完全固結(jié)后，可以形成一道滲透率低、氣密性好的屏障，有效阻擋有害氣體進入到隧道內(nèi)部。另一種是注漿，漿液的主要成分是水泥，比襯砌用的混凝土更加細密。注漿法封堵有害氣體，適用于那些因為巖層存在節(jié)理裂隙，導致有害氣體從裂隙中擴散到隧道內(nèi)的情況。該方法對于寬度在0.20 mm以內(nèi)的裂縫有較好的封堵效果，如果裂縫寬度過大，對有害氣體的封堵效果會變差。為了提高水泥漿液的封堵效果，需要采用高壓注漿法，將注漿壓力設(shè)定在10 MPa左右，等到水泥漿液干涸后，可以同時起到封堵有害氣體和提高抗?jié)B能力的作用。

4 結(jié)語

巖層中的有害氣體會在隧洞開挖過程中釋放出來，并在壓力差的作用下聚集到隧洞施工空間內(nèi)，當有害氣體濃度達到一定值后，不僅會危及現(xiàn)場施工個人原因的身體健康，而且還有可能引發(fā)爆炸事故，造成隧洞垮塌和人員傷亡。因此，做好有害氣體的預測分析與科學防治，是隧道工程管理的一項重要任務。通過提前開展預測分析，對有害氣體的分布情況、大體儲量、危害程度等作出相對準確的判斷，從而提前制定應對預案。在施工過程中，采取必要的防治措施，通過加強通風管理，或者采用襯砌、注漿等措施進行封堵，保證隧洞空氣中有害氣體的濃度始終處于安全范圍之內(nèi)，為現(xiàn)場施工的安全開展創(chuàng)造良好環(huán)境。