全斐，蘇培東，趙宇，陳應(yīng)武，趙春杰

（1 中國(guó)中鐵十局集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南 250000；2 西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都 610500；3 昆明局集團(tuán)有限公司 滇西鐵路建設(shè)指揮部，云南大理 671000）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，鐵路、公路、市政等基礎(chǔ)建設(shè)的逐步推進(jìn)，交通設(shè)施逐步向地質(zhì)復(fù)雜的偏遠(yuǎn)山區(qū)延伸，隧道工程數(shù)量隨之增加，山嶺地區(qū)隧道地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，特別是滇西南地區(qū)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，多種不良地質(zhì)發(fā)育，施工風(fēng)險(xiǎn)極大，其中隧道有毒有害氣體危害正逐漸成為隧道施工、運(yùn)營(yíng)安全的主要影響因素之一。

隧道工程施工中曾發(fā)生過(guò)多次瓦斯爆炸及其他突出事故，貴昆鐵路巖腳寨隧道、達(dá)成線炮臺(tái)山隧道、都汶公路董家山隧道等都曾發(fā)生瓦斯爆炸事故，造成近百人遇難，傷亡慘重。據(jù)資料顯示，法國(guó)、波蘭、保加利亞、前蘇聯(lián)等國(guó)家煤礦施工中都曾發(fā)生過(guò)巖石和二氧化碳突出現(xiàn)象。我國(guó)1975 年、1978 年和1985 年吉林營(yíng)城煤礦、甘肅窯街礦務(wù)局三礦層發(fā)生大規(guī)模巖石和二氧化碳?xì)怏w突出。然而在公路、鐵路隧道建設(shè)中，非煤系地層中有害氣體突出暫未查閱到相關(guān)記載。

隨著非煤系地層隧道施工問(wèn)題日漸增多，研究非煤系地層隧道施工的成果也日漸增多。渝懷鐵路圓梁山隧道非煤系地層出現(xiàn)瓦斯、SO2、H2S 和VOC 等多種有害氣體，趙軍喜[1]對(duì)施工通風(fēng)系統(tǒng)、瓦斯治理及治理效果進(jìn)行了研究。李曉洪[2]等對(duì)鷓鴣山隧道施工中的有害氣體來(lái)源進(jìn)行分析，說(shuō)明了隧道瓦斯賦存狀態(tài)與地質(zhì)構(gòu)造有緊密的聯(lián)系。郝俊鎖[3]等將施工實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的瓦斯、CO、風(fēng)速、溫度等參數(shù)直接傳送到地面監(jiān)控室，利用計(jì)算機(jī)對(duì)瓦斯隧道通風(fēng)狀況進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析與預(yù)警。周躍峰[4]等針對(duì)成蘭鐵路躍龍門(mén)隧道高濃度H2S 氣體，研究了H2S 成因、分布特征及危害情況，提出了施工期的保護(hù)措施。此外，還有部分學(xué)者也結(jié)合單個(gè)隧道有害氣體危害，研究了其防治方法與通風(fēng)方案[5-10]。分析已有成果可知，這些非煤系地層隧道有害氣體都是常壓或低壓逸出，提出的施工措施也多為減少或削弱有害氣體本身的毒害性；由于工程地質(zhì)條件、有害氣體類型差異較大，并未形成系統(tǒng)有效的可推廣成果。目前鐵路工程行業(yè)對(duì)非煤系地層隧道有害氣體防治仍無(wú)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)可循。

2016 年大臨鐵路紅豆山隧道花崗質(zhì)糜棱巖地層發(fā)生高壓有害氣體突出，為一種新型的地質(zhì)災(zāi)害。本文在收集整理現(xiàn)場(chǎng)已有成果的基礎(chǔ)上提出了高壓有害氣體突出機(jī)理和防突工程措施。這些措施有效降低了有害氣體突出的風(fēng)險(xiǎn)，保證了隧道紅豆山隧道施工的安全，同時(shí)可為類似非煤系地層隧道施工提供借鑒。

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)概況

大臨鐵路是中緬鐵路的一段，北起大理站，經(jīng)巍山縣后跨越瀾滄江進(jìn)入臨滄市。紅豆山隧道位于臨滄市鳳慶縣及云縣境內(nèi)，里程DK114+497～DK125+113，全長(zhǎng)10 616 m，最大埋深1 020 m，單線Ⅰ級(jí)鐵路隧道。全隧共設(shè)2 座斜井和2 座洞身平導(dǎo)，紅豆山隧道平面布置如圖1 所示。

圖1 紅豆山隧道平面示意圖

構(gòu)造上紅豆山隧道位于瀾滄江斷裂與南汀河斷裂挾持地段，臨滄復(fù)式花崗巖基北緣。隧址區(qū)構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，經(jīng)歷了多期不同方式的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，構(gòu)造關(guān)系復(fù)雜，洞身發(fā)育7 條斷層和1 個(gè)向斜。隧道穿越地層主要為花崗質(zhì)糜棱巖、黑云母花崗巖等，受構(gòu)造影響強(qiáng)烈，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育。

1.2 有害氣體概況

2017 年6 月，紅豆山隧道施工穿越花崗質(zhì)糜棱巖地層時(shí)發(fā)生高壓有害氣體突出事件。突出巖堆長(zhǎng)度約15 m、寬7.5 m、坡度約45°，體積約150 m3，巖堆呈粉狀、砂狀和塊碎石狀，塊石粒徑10～20 cm，結(jié)構(gòu)松散，巖性為花崗質(zhì)糜棱巖。距離掌子面20～30 m 位置，隧底積水深約5～20 cm，隧底右側(cè)距邊墻角2 m 處，有連續(xù)冒泡現(xiàn)象。

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)水中氣泡檢測(cè)，各氣體最大濃度分別為：二氧化碳88.53×10-2mol/mol、氧氣2.47×10-2mol/mol、氮?dú)?7.28×10-2mol/mol、硫化氫18.27×10-6mol/mol，檢測(cè)結(jié)果顯示隧道巖體內(nèi)賦存一定數(shù)量的有害氣體。中國(guó)科學(xué)院礦產(chǎn)綜合利用研究所分析測(cè)試中心對(duì)現(xiàn)場(chǎng)礦石及附著物進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果：S 總含量0.15%，C 總含量1.28%。

通過(guò)對(duì)隧道1 號(hào)斜井內(nèi)有害氣體監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)有硫化氫、二氧化碳、一氧化碳、甲烷、氨氣、二氧化硫、二氧化氮、氫氣和氯氣共9 種有害氣體，其中硫化氫和二氧化碳?xì)怏w長(zhǎng)期處于高濃度超限狀態(tài)（表1）。

表1 紅豆山隧道1 號(hào)斜井各種有毒有害氣體濃度范圍統(tǒng)計(jì)表

1.3 有害氣體突出機(jī)理

隧道高壓有害氣體突出主要表現(xiàn)為施工掘進(jìn)工作面突然噴射出大量有害氣體和巖塊的一種氣動(dòng)現(xiàn)象。分析紅豆山隧道高壓有害氣體突出的發(fā)生過(guò)程，當(dāng)隧道前方及周邊存在有害氣體富集區(qū)時(shí)，伴隨隧道作業(yè)面逐漸接近氣體富集區(qū)，圍巖應(yīng)力重新分布，完整巖盤(pán)的巖體抵抗力越來(lái)越小，不足以抵抗高壓有害氣體時(shí)，形成高壓有害氣體的瞬時(shí)噴出。從隧道高壓有害氣體突出的部位分析，隧道高壓有害氣體突出主要有掌子面巖石突出、掌子面拱頂巖石突出和隧道周邊巖石及支護(hù)突出三種形式（圖2）。

圖2 高壓有害氣體突出的三種情況

2 高壓有害氣體防突技術(shù)

2.1 防突措施作用機(jī)理

1）非煤系地層有害氣體多以游離狀態(tài)存在，軟弱圍巖帶、空腔等不良地質(zhì)易形成高壓有害氣體富集，通過(guò)物探手段，結(jié)合大的地質(zhì)構(gòu)造背景，分析有害氣體可能存在的區(qū)域，采用鉆探形成通道，游離的有害氣體通過(guò)通道逸出，一方面可準(zhǔn)確探明有害氣體的位置，進(jìn)行有害氣體的排放；另一方面可檢測(cè)逸出有害氣體的各項(xiàng)指標(biāo)，用于有害氣體危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)。

2）超前鉆孔施工時(shí)間長(zhǎng)，數(shù)量有限，無(wú)法全方位探測(cè)掌子面前方及周邊有害氣體賦存情況，采用短距離加深炮孔和徑向探孔，一方面探明工作面周邊短距離內(nèi)存在有害氣體富集形成高壓的可能性；另一方面，當(dāng)存在高壓有害氣體時(shí)，通過(guò)探孔排放降壓，降低高壓氣體突出的風(fēng)險(xiǎn)。

3）非煤系有害氣體，如硫化氫和二氧化碳溶于水后變成酸性水。在加深炮孔中高壓注入純凈水或堿性生石灰水，一方面利用化學(xué)中和反應(yīng)迅速降低有害氣體的濃度，起到卸壓降毒作用；另一方面，高壓注水還可以排出圍巖裂隙中部分有害氣體。

2.2 高壓有害氣體探測(cè)

1）物探

采用地震波反射法（TSP 法）、地質(zhì)雷達(dá)等物探手段對(duì)前方地質(zhì)情況進(jìn)行預(yù)報(bào)。TSP 法每100 m 施作一次，前后兩次應(yīng)重疊10 m 以上，遇異常情況應(yīng)適當(dāng)加密測(cè)試頻率。地質(zhì)雷達(dá)常用于探測(cè)掌子面前方10～30 m 地質(zhì)情況，前后兩次測(cè)試搭接長(zhǎng)度應(yīng)不小于5 m。

利用物探成果，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料分析和現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查，可以預(yù)測(cè)隧道掌子面前方圍巖完整性、節(jié)理裂隙區(qū)、空腔位置，進(jìn)而初步預(yù)測(cè)掌子面前方是否存在有害氣體富集區(qū)。

2）鉆探

在地質(zhì)調(diào)查和物探綜合預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上，對(duì)初步預(yù)測(cè)的不良地質(zhì)體、物探異常部位直接采用鉆探方法驗(yàn)證，探明隧道掌子面前方及洞周圍巖不良地質(zhì)情況，檢測(cè)孔口是否有有害氣體逸出。鉆探法采用長(zhǎng)距離鉆探（超前水平鉆）+短距離鉆探（加深炮孔）方法+周邊鉆探（徑向探孔）。

長(zhǎng)距離鉆探：即超前水平鉆，是利用工程鉆機(jī)在隧道掌子面鉆探，一般孔深25～100 m， 傾角1°～3°，兩次搭接長(zhǎng)度不小于5 m。超前鉆孔根據(jù)物探結(jié)果，一般布置2～4 個(gè)，探孔布置于隧道中心和周邊位置，當(dāng)超前地質(zhì)鉆孔存在異常情況時(shí)，結(jié)合預(yù)測(cè)結(jié)果判斷，可加密鉆孔或加深鉆孔。

短距離鉆探：主要是加深炮孔，每次開(kāi)挖前，在隧道掌子面鉆5～8 個(gè)淺孔進(jìn)行超前探測(cè)。加深炮孔深度一般6 m 以上，每次爆破進(jìn)尺不得超過(guò)3 m，鉆孔外插角21°，掌子面安全巖盤(pán)厚度始終保持在3 m 以上。鉆孔的數(shù)量根據(jù)物探、長(zhǎng)距離鉆孔探測(cè)的有害氣體的段落、位置及檢測(cè)有害氣體的濃度確定，鉆孔均勻布置于隧道開(kāi)挖輪廓下，布設(shè)方式見(jiàn)圖3。

圖3 加深炮孔布置示意圖

周邊鉆探：即徑向探孔，當(dāng)超前鉆孔發(fā)現(xiàn)有害氣體時(shí)，采用風(fēng)槍探孔對(duì)隧道周邊及基底（仰拱開(kāi)挖后）進(jìn)行探測(cè)。探孔深度5 m；斷面環(huán)向間距5 m，每個(gè)斷面10 個(gè)，均勻分布于隧道周邊。

所有鉆孔均采用水鉆，鉆進(jìn)時(shí)及時(shí)記錄鉆進(jìn)的時(shí)間、速度、壓力、以及沖洗液的顏色和成分變化；觀察有無(wú)氣體逸出，有無(wú)卡鉆、頂鉆、氣體噴出等氣動(dòng)現(xiàn)象，做好記錄[11]。鉆探時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉆孔內(nèi)有害氣體濃度、壓力，隨時(shí)預(yù)報(bào)，一旦發(fā)現(xiàn)有高壓有害氣體存在，馬上用防噴封孔器及時(shí)封堵鉆孔，為現(xiàn)場(chǎng)工作人員及時(shí)撤離和后續(xù)處理提供緩沖時(shí)間。

2.3 有害氣體突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)

1）預(yù)測(cè)的位置及預(yù)測(cè)參數(shù)

根據(jù)物探、鉆探和監(jiān)測(cè)有害氣體逸出的部位，推斷可能存在有害氣體富集的范圍，測(cè)定各類探孔內(nèi)有害氣體類型、含量、濃度、壓力、涌出量等相關(guān)參數(shù)。鉆孔氣體壓力測(cè)試占用時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)際施工中，以有害氣體涌出初速度作為有害氣體突出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)。

2）預(yù)測(cè)孔布置與參數(shù)測(cè)定

一般利用超前鉆探孔和周邊探孔作為預(yù)測(cè)孔，施工中發(fā)現(xiàn)局部可能存在有害氣體富集時(shí)，根據(jù)需要增加預(yù)測(cè)孔。

預(yù)測(cè)孔孔徑φ42 mm，氣體涌出初速度、壓力測(cè)試按照《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》或《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

3）預(yù)測(cè)指標(biāo)及突出危險(xiǎn)性判定

在非煤系地層隧道施工中，當(dāng)鉆孔有害氣體涌出初速度測(cè)定值＞4 L/min，判定工作面有害氣體存在突出危險(xiǎn)。

測(cè)定鉆孔內(nèi)有害氣體壓力＞0.74 MPa，判定工作面有害氣體存在突出危險(xiǎn)。

當(dāng)鉆孔時(shí)伴有噴孔、卡鉆、鳴爆聲等動(dòng)力現(xiàn)象，亦可判定工作面有害氣體具有突出危險(xiǎn)性，需采取治理措施。

當(dāng)無(wú)上述情況時(shí)，認(rèn)為工作面有害氣體不具突出危險(xiǎn)性，施工采取加強(qiáng)通風(fēng)、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)措施即可。

2.4 防突措施

當(dāng)預(yù)測(cè)無(wú)突出危險(xiǎn)時(shí)，可不采取防突措施，加強(qiáng)通風(fēng)和有害氣體監(jiān)測(cè)，保證作業(yè)環(huán)境有害氣體濃度在安全限值下正常掘進(jìn)。

當(dāng)預(yù)測(cè)存在突出危險(xiǎn)時(shí)，必須采取針對(duì)性、便于實(shí)施的防突措施，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)有效，無(wú)突出危險(xiǎn)后方可正常掘進(jìn)。

1）鉆孔排放

高壓有害氣體排放一般利用隧道探測(cè)孔完成，當(dāng)有害氣體濃度較高時(shí)，可在有害氣體逸出位置附近增設(shè)專門(mén)排氣孔。排放孔布設(shè)范圍應(yīng)超出已探明有害氣體逸出范圍3 m 以上，排放孔鉆孔直徑φ89 mm，鉆孔深度采用長(zhǎng)、短交錯(cuò)布置，控制隧道斷面及周邊至少3 m 安全巖盤(pán)。

2）高壓注水

高壓注水可利用既有的超前水平鉆孔、加深炮孔和徑向探孔進(jìn)行。根據(jù)有害氣體賦存位置和監(jiān)測(cè)成果，可采取局部注純凈水或堿性水方式。當(dāng)有害氣體以游離狀態(tài)存在時(shí)，實(shí)施局部注水時(shí)，應(yīng)監(jiān)測(cè)相鄰及周邊探孔內(nèi)有害氣體的濃度變化情況。當(dāng)氣體壓力或濃度長(zhǎng)時(shí)間未衰減時(shí)，可增加注水孔，加快卸壓降毒速度。

高壓注水需采用高壓水泵送水，注水孔孔口需安裝耐高壓、易操作、性能可靠的封孔器[12-14]。高壓注水操作系統(tǒng)見(jiàn)圖4。

圖4 高壓注水系統(tǒng)示意圖

3）施工工藝流程

隧道非煤系地層有害氣體防突工藝流程見(jiàn)圖5 所示。

圖5 非煤系地層有害氣體防突施工程序

4）效果檢驗(yàn)

實(shí)施有害氣體防突措施后，應(yīng)檢測(cè)有害氣體排放效果。當(dāng)有害氣體檢驗(yàn)指標(biāo)在突出危險(xiǎn)臨界值以下時(shí)，則判定防突措施有效；反之，則防突措施未達(dá)到效果，可通過(guò)延長(zhǎng)排放時(shí)間，增加排放孔數(shù)量等方法來(lái)補(bǔ)救。

3 防突措施實(shí)踐

從2017 年11 月開(kāi)始，大臨鐵路紅豆山隧道采用防突措施，探測(cè)處理高濃度有害氣體險(xiǎn)情150 余次，保證了施工安全。

在卸壓降毒方面：采用鉆孔排放和高壓注水兩種措施，在紅豆山隧道KD115+903～+925 極高濃度二氧化碳（CO2）段，采用鉆孔排放和高壓注水方法將有害氣體濃度降低至標(biāo)準(zhǔn)限值以下，所需降毒時(shí)間對(duì)比分析見(jiàn)表2。

表2 不同防突措施降毒效果對(duì)比

在節(jié)能降耗方面：采用高壓注水（注生石灰水），可有效降低有害氣體的濃度，縮短有害氣體排放時(shí)間和通風(fēng)時(shí)間，降低能耗。

在施工進(jìn)度方面：紅豆山隧道非煤系地層有害氣體隧道施工區(qū)段，采用鉆孔排放和高壓注水（注生石灰水）后施工進(jìn)度改善明顯。紅豆山隧道進(jìn)口月平均進(jìn)尺由85 m 提升到107 m，最高月進(jìn)尺突破130 m；紅豆山隧道1 號(hào)斜井平均月進(jìn)尺由124 m 提升至140 m，最高月進(jìn)尺突破180 m。

4 安全措施

4.1 超前鉆孔

（1）鉆探時(shí)隨時(shí)注意觀察鉆孔情況，鉆孔一旦出現(xiàn)水量突然增大、頂鉆等異?，F(xiàn)象時(shí)，應(yīng)立即停鉆檢查。鉆孔內(nèi)水壓過(guò)大時(shí)，應(yīng)立即固定鉆桿，嚴(yán)禁轉(zhuǎn)移或拔鉆，嚴(yán)禁人員站在鉆機(jī)后面，以免高壓水將鉆桿頂出造成傷人或透水事故。

（2）鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有害氣體，準(zhǔn)確判別其層儲(chǔ)位置和厚度。

4.2 有害氣體檢測(cè)和監(jiān)測(cè)

采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)和人工監(jiān)測(cè)對(duì)隧道進(jìn)行有害氣體濃度監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有害氣體濃度超標(biāo)時(shí)，立即撤離人員，采取應(yīng)急處理措施；有害氣體檢測(cè)人員必須經(jīng)過(guò)專業(yè)培訓(xùn)，并經(jīng)考試合格后持證上崗；鉆探過(guò)程中，氣體檢測(cè)人員需跟班作業(yè)，監(jiān)測(cè)探孔中有害氣體濃度變化。

4.3 通風(fēng)管理

（1）為防止有害氣體聚集，隧道各作業(yè)面采用獨(dú)立通風(fēng)，嚴(yán)禁兩個(gè)作業(yè)面串聯(lián)通風(fēng)，且風(fēng)速不得小于1 m/s。

（2）將通風(fēng)管理納入工序管理，安排專人負(fù)責(zé)通風(fēng)設(shè)備管理和維護(hù)。

（3）通風(fēng)管道距離掌子面不得大于5 m；洞外通風(fēng)機(jī)應(yīng)安裝在距離洞口30 m 的新鮮環(huán)境中。

4.4 應(yīng)急管理

（1）應(yīng)做好應(yīng)急物資的儲(chǔ)備和定期應(yīng)急演練，一旦發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情，立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，撤離人員，保證人員安全。

（2）掌子面附近儲(chǔ)備生石灰水，當(dāng)氣體濃度超標(biāo)時(shí)，采用噴灑生石灰水方式降低濃度。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）隧道高壓有害氣體突出是施工掘進(jìn)工作面突然噴出大量有害氣體和巖塊的一種強(qiáng)烈氣動(dòng)現(xiàn)象，主要有掌子面突出、掌子面拱頂突出和隧道周邊突出三種形式。

（2）隧道高壓有害氣體防突主要通過(guò)物探和鉆探手段來(lái)查明有害氣體特征，預(yù)測(cè)突出風(fēng)險(xiǎn)；主要利用鉆孔排放和高壓注水來(lái)降低有害氣體壓力，減少突出風(fēng)險(xiǎn)。

（3）隧道高壓有害氣體突出風(fēng)險(xiǎn)管控措施主要有加強(qiáng)超前鉆探和有害氣體探測(cè)，保證通風(fēng)效果，做好應(yīng)急管理。