六盤山隧道穿越有毒有害氣體地層施工技術探討

周學勝

摘 要：有毒有害氣體為隧道施工過程中經常遇到的情況。六盤山隧道為新建天平鐵路第一特長隧道，隧道2#斜井施工區需要穿越含H2S地層，有毒有害氣體施工質量都對隧道施工產生很大的影響，施工中的每一點疏忽都可能造成安全隱患。因此，論文就隧道穿越該段施工中的工序控制、規范施工進行論述，就施工過程中加強管理等措施進行分析，提出了隧道穿越有毒有害氣體環境下的隧道施工的預防、治理措施，確保了隧道的施工安全，取得了良好的效果。

關鍵詞：隧道工程 H2S氣體 防治措施 施工技術

中圖分類號：U457 文獻標志碼：A 文章編號：1672-3791（2014）01（b）-0040-04

1 工程概況

新建天平鐵路六盤山隧道位于甘肅省平涼市華亭縣六盤山山脈，隧道起訖里程DIK83+498～DIK100+217，全長16719 m，為全線最長的小斷面越嶺隧道。隧道進口位于華亭縣麻庵鄉三角城左側河谷內，出口位于華亭縣西華鎮青林村。隧道全部段落均為下坡，坡率分別為5‰/2752 m、6‰/400 m、13‰/13550m、0‰/17 m。進口端574 m為蓮花臺車站雙線隧道。根據區域地質資料及現場調查顯示，隧道通過二條區域性大斷裂和一條次級斷層，二處不整合接觸節理密集帶等。隧道設計斷面較小（Ⅱ級44.42 m2、Ⅲ級48.22 m2、Ⅳ級49.45 m2、Ⅴ級54.75 m2），各工序施工干擾大，機械通行會讓困難，導致施工進度緩慢，如何解決小斷面隧道快速施工，是我項目部一直研究的課題。

2 隧道穿越有害氣體段安全施工技術

2.1 H2S氣體的產生情況

2012年11月6日六盤山隧道2#斜井，掌子面施工至DIK90+673時，出現臭雞蛋氣味；隨著施工的推進，氣味逐漸加重，導致作業工人出現不同程度的惡心，并伴有嘔吐現象。隨后于2012年11月8日在掌子面進行了TSP探測；2012年11月11號在掌子面DIK90+692進行了超前水平鉆探。超前地質預報、鉆探結果及現場觀測表明：掌子面DIK90+692～DIK90+699共7 m范圍內，其圍巖掌子面基本相同，以砂巖夾泥巖為主；其后圍巖強度有增加趨勢。在掌子面超前鉆進過程中，鉆桿沾有黑色油狀物，難溶于水；在隧道的日常巡查中，發現已完成初支段局部有黑色發青油色物質滲出，在DIK90+580線路右側初支表面可見較大范圍的油漬痕跡（見圖2）。

至2012年11月14日，掌子面推進到DIK90+704后發現圍巖巖相出現變化，巖石顏色逐漸變成深灰色，臭味加重，且掌子面線路右側出現較大的基巖裂隙水（見圖1）。掌子面附近被水浸過的混凝土顏色變為深綠色，且拱頂超前錨桿上有油漬滴出，經觀察此物質對混凝土及鋼筋有腐蝕作用。隨著時間的延長，掌子面圍巖上聚集了越來越多的油狀物。在此期間，施工作業過程中共有3人次出現留鼻血癥狀，多人出現頭暈嘔吐癥狀，共計9人次到華亭人民醫院就診。

2.2 水及H2S氣體的檢測

掌子面施工到DIK90+673時，出現臭雞蛋味氣體時出現的基巖裂隙水，設計院水樣分析pH值為8.6，硫酸根離子高達6538.8 mg/L，此外還含有氯離子和碳酸根離子。此處的基巖裂隙水能嚴重的化學侵蝕環境。在掌子面附近的棄砟表面出現大量的絮狀結晶鹽（見圖3）。

2012年11月24日施工單位委托西安建筑科技大學對2#斜井出現的有害氣體及水樣進行了取樣（見表1），2012年11月25日～11月28日進行了檢測，經檢測該氣體組成為硫化氫（H2S）、一氧化碳（CO），H2S氣體檢測最高為6.03 mg/m3，水樣中（S2-）含量為18.79～23.11 mg/L（詳見檢測報告）。后現場使用復合氣體探測儀測出掌子面通風前CO濃度為18～22 ppm，通風后CO濃度為10～14 ppm；斜井內CO濃度為40 ppm（見圖4）。

2.3 H2S氣體對人體的危害及施工重、難點

H2S氣體是強烈的神經毒素，對鼻腔粘膜有強烈刺激作用。六盤山隧道2#斜井單頭工作面掘進段落長，存在長距離反坡施工、通風（最長達4162 m）、大高差施工排水等施工難點；地質情況復雜，斷面小，工序干擾大，工程風險大，工期緊張，2#斜井平涼方向與3#斜井天水方向之間為六盤山隧道節點工期控制段落，對工期影響較大。環境保護任務重、責任大。工程沿線地區植被發育，森林密布，屬甘肅省重點森林保護區，生態環境脆弱，環、水保要求高，施工過程中必須自始至終做好棄碴、污水排放等工作，努力將工程施工對周圍環境的影響降至最低，建設綠色生態鐵路。2#斜井有毒有害氣體段施工重、難點及施工對策見表2所示。

2.4 有毒有害氣體及水的控制措施

2.4.1 有毒有害氣體的監測

由天平鐵路第四項目部安質部組建專門的監測機構，由安全總監周會帶領，在含H2S、CO氣體的段落必須進行作業前對施工段的氣體濃度檢測。按照及時、高效的原則進行日常施工監測。為保證檢測的有效性、準確性及專業性，成立以現場專職安全員為主，針對有毒有害氣體的檢測工班。在正式檢測之前對所有參與檢測的人員進行培訓，主要在如何檢測、如何記錄、出現異常情況如何處理等方面進行重點培訓，培訓后進行考核，考核合格方可上崗。

針對隧道內不同氣體，分別進行檢測，及時記錄。檢測分為固定檢測和移動檢測。可同時對H2S、CO、O2進行檢測。固定檢測為全天不間斷檢測，設置于距離掌子面20 m處，在初支焊接，固定臺架，將固定式檢測儀器放置在臺架上。移動檢測采用便攜式檢測設備，主要在施工作業前，作業過程中進行檢測，檢測頻率約20～30（min/次），在檢測過程中可加大檢測次數，頻繁進行檢測。每工序作業前對國內氣體施行檢測簽證制度，要求有毒有害氣體降到施工允許濃度，并經現場監理和現場負責人共同簽認后才允許作業人員進入施工。endprint

對H2S氣體固定檢測儀器選用CGD-I-1H2S型檢測儀，其檢測范圍為0～1000 ppm，當濃度超過10 ppm時儀器報警。移動檢測選用ADY-4手持式復合氣體檢測儀，其檢測范圍為0～100 ppm，當濃度超過5 ppm時儀器報警。當濃度超過10 ppm時，迅速撤離人員，加強通風。對CO氣體固定檢測儀器選用CGD-I-1CO型檢測儀，其檢測范圍為0～2000 ppm，當濃度超過50 ppm時儀器報警。移動檢測選用ADY-4手持式復合氣體檢測儀，其檢測范圍為0～1000 ppm，當濃度超過30 ppm時儀器報警。當濃度超過50 ppm時，迅速撤離人員，加強通風。對CO2氣體固定檢測儀器選用CGD-I-1O2型檢測儀，其檢測范圍為0～30%，當濃度低于19%時儀器報警。移動檢測選用ADY-4手持式復合氣體檢測儀，其檢測范圍為0～25%，當濃度低于19.5%時儀器報警。當濃度低于19.5%時，迅速撤離人員，加強通風。

2.4.2 含H2S、CO氣體段落施工通風

含H2S、CO氣體段落加強通風。采用混合式通風，洞外增加一臺220 kw壓入式風機，在斜井X11+00處和正洞DIK90+320大避車洞處各加設一臺220 kw壓入式風機，與洞外壓入式風機形成接力，風帶接至距離掌子面不大于20 m的位置，對掌子面進行24小時不間斷通風。在距離掌子面40 m處增設吸出式風機，風機前端接加勁管至掌子面，以利于掌子面附近氣體被吸出。具體風機平面布置見圖5所示。風機選用SDF（B）-NO.10～12.5型通風機。風管選用φ1300 mm的PVC高強長纖維布基拉鏈式軟風管，風管節長25 m，轉彎處用薄壁鋼管。軟風管懸掛在拱腰位置。

2.4.3 對含H2S、CO氣體段施工前預排放

為預防出現有毒可燃性氣體濃度突然增大，保證施工安全順利進行，在掌子面開挖前對掌子面施做超前探孔，超前探測氣體濃度、圍巖及地下水情況，每35 m施做3個長度不小于40 m的超前探孔。在施工中重視超前地質預測預報工作，堅持超前探孔，保證探孔施工的連續性，有疑問段應采用短探孔驗證，做到對前方情況心中有數，確保萬無一失。

2.4.4 對有毒有害氣體段堿中和處理

為降低掌子面及附近H2S濃度，確保施工安全，要求在各工序前對掌子面及周圍工作區域噴灑生石灰水，對施工環境中的弱酸進行中和處理，防止H2S氣體擴散及酸性溶液對施工人員身體造成傷害，盡可能避免對隧道實體工程造成不利影響。

在距掌子面10 m處，安放一儲水桶，儲水桶內灌入生石灰水，由專職安全員對掌子面附近使用噴霧器噴灑生石灰水，中和空氣中的H2S氣體，減小H2S氣體濃度。

2.4.5 對水的處理

為保護環境，在洞口增設三級化學處理池，在處理池內撒拌生石灰，以達到沉淀水中硫酸根和氯離子的要求，處理達標后進行集中排放。化學處理流程，必須對各沉淀池定期進行清理，保證污水沉淀處理效果。三級處理池統一按照5 m（長）×3 m（寬）×2 m（深）的規格尺寸進行設置，對處理池澆筑50 cm厚C15混凝土護壁，表層采用砂漿抹面5 cm，底板澆筑50 cm厚混凝土。結構尺寸見圖6。

2.5 有毒有害氣體段洞身施工方法及工藝

對有毒有害氣體段Ⅲ級圍巖采用全斷面法開挖，Ⅳ級圍巖采用（短）臺階法開挖。施工時采用TSP等物探技術對圍巖地質情況進行超前探測，堅持“光面爆破、噴錨緊跟、監控量測、及時反饋和修正”的原則，形成開挖、出碴、噴錨支護與混凝土襯砌相配合的流水作業。

2.5.1 徑向注漿

為預防H2S、CO等有毒可燃性氣體濃度突然增大的狀況，保證施工安全順利進行，自DIK90+668里程起，5 m范圍內注1：1水泥單液漿全環封閉圍巖，注漿管采用φ42×4 mm小導管，導管長4m，間距1.2× 1.2 m，梅花型布置，擴散半徑為2 m；注漿壓力1.5～2.0 MPa。單液徑向注漿工藝流程圖及示意圖見圖7所示。

2.5.2 注漿孔布置

注漿孔按漿液按擴散半徑R=2.0 m計算布設，注漿孔按梅花型布置，孔口環向間距約120 cm，縱向間距120 cm。單孔注漿深度6.0 m，全斷面布置注漿孔21個，平均每延米注漿孔18個。

注漿孔采用風機鉆孔，方向為隧道斷面徑向，孔徑為45 mm，比小導管外徑大3 mm。鉆孔孔位最大允許偏差為50 mm，鉆孔偏斜率最大允許偏差為0.5%，即200 mm。

2.5.3 小導管設計參數

小導管采用φ42 mm（外徑），壁厚4 mm的熱軋無縫鋼管，鋼管長4 m。外露10 cm以便于注漿操作。小導管孔口處焊接閘閥式止漿閥。

2.5.4 注漿壓力

注漿初期選擇：P1～P3=1.5～2.0 Mpa作為參考使用值，轉入正常注漿后，根據注漿中的具體情況再加以修正，選擇合適的注漿壓力。

2.5.5 注漿材料及設備

六盤山隧道2#斜井工區平涼方向圍巖節理較發育、存在地下基巖裂隙水，注漿主要目的為封堵基巖裂隙溢出的含有H2S的水質，由于目前水量不大，根據四方會議紀要采用水泥單液漿進行封堵。如后續施工中基巖裂隙率增大，水量增加，氣體濃度加大，為了保證施工后期安全，則采用無毒無污染的水泥—水玻璃雙液漿。

2.5.6 注漿范圍及注漿量

注漿范圍為自DIK90+668開始，至掌子面不再有有毒有害氣體溢出結束。注漿工程量以現場監理工程師簽認為準。為了滿足經濟、合理的原則，在開挖過程中對圍巖滲水情況進行了詳細的調查和記錄，并在開挖以后進行了長期的統計，以準確掌握滲水狀況，為注漿固結提供基礎依據。注漿布置示意如圖8所示。注漿根據分區段分序進行注漿，以一個作業臺架長度5 m左右為一個注漿段落，根據注漿孔在隧道展開面上的布置。endprint

2.5.7 注漿施工注意事項

檢查注漿材料數量能否滿足連續注漿要求；進行注漿系統的安全檢查。

壓水試驗：注漿之前檢查機械運行情況、管路密封情況、進漿管的進漿情況。試驗壓力不低于1.3～1.5倍的終壓，即2.6～3.0 MPa。壓水試驗進行三次，每次5 min，試驗完成后，把水放掉。

注漿順序：沿隧道軸線由低到高、由下往上、先注邊墻，后注隧道拱部，最后注仰拱。

單孔注漿結束條件：達到終壓后并穩定10 min，且注漿量不小于設計注漿量的80%、進漿速度為開始進漿速度的1/4；注漿過程中要隨時觀察注漿壓力及注漿泵排漿量的變化情況，分析注漿情況，防止堵管、跑漿、漏漿。做好注漿記錄，包括孔位、孔徑、孔深、漿液配比、注漿壓力、注漿量等，以便于分析注漿效果。

注漿效果檢查：注漿后在分析資料的基礎上采用壓水試驗和現場觀察法檢查注漿效果。當初期支護表面有線狀出水或面狀滲水，或者壓水試驗時檢查孔的吸水量大于1.0 L/（min·m）時，必須進行補充注漿；注漿結束后，及時將注漿孔和檢查孔封堵密實。

3 結論

六盤山隧道具有“斷面小、地質條件復雜、施工程序繁多、洞內物流組織難”等特點，特別是隧道穿越有毒有害氣體段落施工，國內外尚缺乏同類型隧道的成熟設計、施工經驗可供借鑒。因此，依托在建的六盤山隧道，開展復雜地質條件下小斷面特長隧道穿越有毒有害氣體洞段的綜合快速施工技術研究具有重要的理論意義和現實意義。

有毒有害氣體施工質量都對隧道施工產生很大的影響，施工中的每一點疏忽都可能造成安全隱患。因此，應加強對每道工序的施工控制，嚴格按規范施工確保施工達到防、治效果，使隧道安全施工有保證。除了施工和技術方面的因素外，加強管理也是一個至關重要的因素。用長遠發展的眼光看，只有加強管理，努力提高整體技術水平，才能保證工期，創優質工程，才能獲得良好的經濟效益和社會效益，企業才能得以發展。通過現場施工人員和科技人員的共同努力，六盤山隧道目前已經通過了有毒有害氣體洞段的施工，取得了良好效果。該施工技術對穿越同類地層的隧道工程的設計和施工具有重大的指導和借鑒價值，對提高我國隧道工程領域的總體技術水平具有一定的積極意義。

參考文獻

[1] 吳應明.華鎣山隧道有害氣體監測與綜合治理技術[J].現代隧道技術，2003，4：68-73.

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[7] 邵俊江，王國欣.公路隧道施工中有害氣體的治理與安全措施[J].西部探礦工程，2006，3：306-307.endprint

2.5.7 注漿施工注意事項

檢查注漿材料數量能否滿足連續注漿要求；進行注漿系統的安全檢查。

壓水試驗：注漿之前檢查機械運行情況、管路密封情況、進漿管的進漿情況。試驗壓力不低于1.3～1.5倍的終壓，即2.6～3.0 MPa。壓水試驗進行三次，每次5 min，試驗完成后，把水放掉。

注漿順序：沿隧道軸線由低到高、由下往上、先注邊墻，后注隧道拱部，最后注仰拱。

單孔注漿結束條件：達到終壓后并穩定10 min，且注漿量不小于設計注漿量的80%、進漿速度為開始進漿速度的1/4；注漿過程中要隨時觀察注漿壓力及注漿泵排漿量的變化情況，分析注漿情況，防止堵管、跑漿、漏漿。做好注漿記錄，包括孔位、孔徑、孔深、漿液配比、注漿壓力、注漿量等，以便于分析注漿效果。

注漿效果檢查：注漿后在分析資料的基礎上采用壓水試驗和現場觀察法檢查注漿效果。當初期支護表面有線狀出水或面狀滲水，或者壓水試驗時檢查孔的吸水量大于1.0 L/（min·m）時，必須進行補充注漿；注漿結束后，及時將注漿孔和檢查孔封堵密實。

3 結論

六盤山隧道具有“斷面小、地質條件復雜、施工程序繁多、洞內物流組織難”等特點，特別是隧道穿越有毒有害氣體段落施工，國內外尚缺乏同類型隧道的成熟設計、施工經驗可供借鑒。因此，依托在建的六盤山隧道，開展復雜地質條件下小斷面特長隧道穿越有毒有害氣體洞段的綜合快速施工技術研究具有重要的理論意義和現實意義。

有毒有害氣體施工質量都對隧道施工產生很大的影響，施工中的每一點疏忽都可能造成安全隱患。因此，應加強對每道工序的施工控制，嚴格按規范施工確保施工達到防、治效果，使隧道安全施工有保證。除了施工和技術方面的因素外，加強管理也是一個至關重要的因素。用長遠發展的眼光看，只有加強管理，努力提高整體技術水平，才能保證工期，創優質工程，才能獲得良好的經濟效益和社會效益，企業才能得以發展。通過現場施工人員和科技人員的共同努力，六盤山隧道目前已經通過了有毒有害氣體洞段的施工，取得了良好效果。該施工技術對穿越同類地層的隧道工程的設計和施工具有重大的指導和借鑒價值，對提高我國隧道工程領域的總體技術水平具有一定的積極意義。

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2.5.7 注漿施工注意事項

檢查注漿材料數量能否滿足連續注漿要求；進行注漿系統的安全檢查。

壓水試驗：注漿之前檢查機械運行情況、管路密封情況、進漿管的進漿情況。試驗壓力不低于1.3～1.5倍的終壓，即2.6～3.0 MPa。壓水試驗進行三次，每次5 min，試驗完成后，把水放掉。

注漿順序：沿隧道軸線由低到高、由下往上、先注邊墻，后注隧道拱部，最后注仰拱。

單孔注漿結束條件：達到終壓后并穩定10 min，且注漿量不小于設計注漿量的80%、進漿速度為開始進漿速度的1/4；注漿過程中要隨時觀察注漿壓力及注漿泵排漿量的變化情況，分析注漿情況，防止堵管、跑漿、漏漿。做好注漿記錄，包括孔位、孔徑、孔深、漿液配比、注漿壓力、注漿量等，以便于分析注漿效果。

注漿效果檢查：注漿后在分析資料的基礎上采用壓水試驗和現場觀察法檢查注漿效果。當初期支護表面有線狀出水或面狀滲水，或者壓水試驗時檢查孔的吸水量大于1.0 L/（min·m）時，必須進行補充注漿；注漿結束后，及時將注漿孔和檢查孔封堵密實。

3 結論

六盤山隧道具有“斷面小、地質條件復雜、施工程序繁多、洞內物流組織難”等特點，特別是隧道穿越有毒有害氣體段落施工，國內外尚缺乏同類型隧道的成熟設計、施工經驗可供借鑒。因此，依托在建的六盤山隧道，開展復雜地質條件下小斷面特長隧道穿越有毒有害氣體洞段的綜合快速施工技術研究具有重要的理論意義和現實意義。

有毒有害氣體施工質量都對隧道施工產生很大的影響，施工中的每一點疏忽都可能造成安全隱患。因此，應加強對每道工序的施工控制，嚴格按規范施工確保施工達到防、治效果，使隧道安全施工有保證。除了施工和技術方面的因素外，加強管理也是一個至關重要的因素。用長遠發展的眼光看，只有加強管理，努力提高整體技術水平，才能保證工期，創優質工程，才能獲得良好的經濟效益和社會效益，企業才能得以發展。通過現場施工人員和科技人員的共同努力，六盤山隧道目前已經通過了有毒有害氣體洞段的施工，取得了良好效果。該施工技術對穿越同類地層的隧道工程的設計和施工具有重大的指導和借鑒價值，對提高我國隧道工程領域的總體技術水平具有一定的積極意義。

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