非煤地層隧道有毒有害氣體施工探測技術研究

沈家君，蘇培東，趙 宇，趙春杰

（1.中鐵十局集團有限公司大臨鐵路項目部，云南 臨滄 675800；2.西南石油大學地科院，四川 成都 610500）

1 引言

非煤地層隧道施工中，常遭遇的有毒有害氣體以硫化氫（H2S）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、二氧化硫（SO2）、氨氣（NH3）等為主[1]，由于其具有高濃度、不穩定、高危害、探測難度大的特點，目前國內鐵路工程行業并無規范、標準可循，故而研究出針對非煤地層隧道有毒有害氣體的探測技術具有十分重要的意義。

目前國內外關于有毒有害氣體探測技術的研究多為單一探測方法。趙訓等[2]提出采用地質編錄和超前探測法，并對探測方案進行了說明。李鵬等[3]提出采用物探法和地質法進行非煤系瓦斯隧道的地質預報。何成[4]將地質編錄法、物探法和鉆探法應用于工程實際，取得良好的效果。王慶林等[5]對瓦斯隧道超前鉆探施工工藝提出了要求。張忠愛等[6，7]根據隧道的地質信息和鉆探法采用數學的方法定量計算有害氣體的賦存位置，并且取得了較好的應用效果。蘇培東等[8]提出了根據隧道的地質鉆孔信息定量探測有害氣體的逸出量。鮮有學者針對多種不同有毒有害氣體的探測方法進行綜合研究和利用。

新建大臨鐵路紅豆山隧道穿越非煤地層時遇高壓氣囊式有毒有害氣體，主要類型達8 種之多，在全國范圍內的隧道建設中尚屬首次遇到，世界罕見，超出了目前隧道有毒有害氣體施工探測范圍，無直接技術標準可循。

因此本文旨在總結研究紅豆山隧道施工期間采用的有毒有害氣體綜合探測技術，摸索總結出針對非煤地層隧道多種有毒有害氣體的綜合探測技術，為類似隧道工程有毒有害氣體施工探測提供參考。

2 工程概況

新建大理至臨滄鐵路（即大臨鐵路），始于大理，直達臨滄，貫穿無量山，全線位于云南西南區域。其中，紅豆山隧道為該線控制性工程，長10616m，風險等級為Ⅰ級高風險。隧道埋深最大1020m、最小14m，巖性主要以花崗質糜棱巖和印支期黑云母花崗巖為主。

隧道地處瀾滄江斷裂和南汀河斷裂間的復雜構造區，設有2 座斜井，其中1#斜井長1799m，2#斜井長1657m，縱坡為10%。1#斜井主要穿越糜棱巖、變質砂巖、板巖和片巖，遭遇的不良地質問題以高地應力、有毒有害氣體、放射性、高地溫和順層等類型為主。

3 施工方法

3.1 超前物探

3.1.1 地震波反射法

布設炮孔和接收器孔是數據采集前的基本要求。設炮孔24 個，深度1.50 m，直徑35mm～38mm，均布置在離地面1.0m 左右的邊墻上，需確保所有炮孔在同一水平線，各孔間隔1.5m，且最后設置的炮孔離掌子面大約5.0m。施鉆時確保各炮孔傾角、傾向均在10°～20°范圍內。布設接收器孔時，確保其與炮孔保持同一水平線。與炮孔不同，接收器孔深度2.0m，直徑42mm～45mm，設在離洞口第一口炮孔15m～20m 的范圍內，其傾角保持在5°～10°的范圍內。

然后進行數據采集，通過乳化炸藥瞬發電雷管的方式來激發地震波，有專門的儀器對信號進行收集。在依次引爆炸藥進行數據采集時，需要避免隧道內的其他同期作業。采集的信號是數據分析的基礎，這一過程有專業軟件可以處理，并形成包括縱波深度偏移剖面，縱波反射面，波速、泊松比、密度曲線和反射面二維圖在內的系列成果圖。

基于這些圖件和地質勘察階段及洞內開挖階段所獲取的相關資料，對掌子面前方如軟弱夾層、斷層破碎帶、節理裂隙發育情況等與圍巖密切相關的地質條件進行有效分析掌握，憑借這些信息可以推斷有害氣體的富含區域（圖1）。

圖1 地震波反射法（TSP）探測施做

3.1.2 地質雷達法

地質雷達探測方法的主要應用對象是不均勻地質體，包括巖溶、斷層破碎帶、軟弱夾層和氣囊等。測試區域要避免強烈的電磁波干擾，對測線周圍包括金屬物在內的電磁干擾物進行清除、避繞（圖2）。

圖2 地質雷達法探測施做

3.1.3 瞬變電磁法

瞬變電磁法[9,10]對低阻體反應敏感，可查明含水地質體，對于探查斷層破碎帶、溶洞溶隙、暗河以及其他地層中的地下水體都有較好的效果（圖3）。

圖3 瞬變電磁法探測施做

3.2 超前鉆探法

超前鉆探法主要指超前地質鉆孔和加深炮孔。此法是地質調查法與超前物探方法的重要補充，在這兩種方法的基礎上，主要承擔對隧道開挖面前端不良地質的重點探測任務，對孔口有毒有害氣體的溢出情況進行有效監測。鉆孔過程中的氣動現象是隧道賦存有毒有害氣體的重要判據，因此施鉆過程常常使用石灰水鉆，有利于觀測鉆孔期間的溢氣現象以及鉆孔氣動力現象。

3.2.1 超前水平鉆孔

超前水平鉆孔施工工藝根據現場實際施工工法情況及隧道有害氣體設計時的低、中、高、極高度危險區域判識進行布孔設置，極高度危險區域設置4 孔，高度危險區域設置2 孔，中度危險區域設置1 孔。超前地質鉆孔孔位、孔數、孔深、孔徑可根據現場揭示的地質情況進行動態調整，以滿足安全施工、整治處理和探測需要為原則，并按照現場具體要求進行施工。

具體施做工藝如下：需布設4孔時，其中1#、2#和3#孔呈等腰三角形布置，4#孔宜布置在掌子面的中心位置；需布設2孔時，在掌子面左右幅中間高度位置布置，1#、2#孔孔位離斷面輪廓線的距離宜控制在1.5m～2m。孔位布置如圖4所示。

圖4 超前鉆孔孔位布置示意圖

鉆孔深度30m 時，立角控制在1°～3°，有害氣體高度或極高度危險區域里程段落，采用超前地質鉆孔應確保終孔在隧道開挖輪廓線之外5m 以上，鉆孔外插角應大于13°。

在鉆探過程中，要時刻注意是否發生溢氣和鉆孔氣動力現象，大致判斷有毒有害氣體的空間位置展布。一旦發現有害氣體的溢出現象，要立刻斷電停鉆，組織人員撤離至開闊通風地帶，并及時上報技術負責人以便采取有效措施。

有毒有害氣體檢測人員必須配備便攜式CH4、H2S、CO、CO2、SO2、NO2、NH3、O2檢測儀，跟蹤超前鉆孔鉆進進行實時監測。

3.2.2 加深炮孔

加深炮孔主要采用風鉆形式在隧道掌子面進行鉆孔和探測。與循環進尺相比，加深炮孔長度更深（至少加深3m）。發生異常情況時，加密加深炮孔進行探測，探測深度不小于5m。加深炮孔孔位布置如圖5所示。

圖5 加深炮孔孔位布置示意圖

加深炮孔和超前地質鉆孔探測過程中，是否發生氣溢現象以及頂鉆等氣動力現象，需要由專業檢測人員全程在孔口進行隨時監測，并時刻注意空氣風流中是否存在異味，確保及時發現有毒有害氣體的溢出。一經發現，則需對氣體的性質、含量、濃度、壓力、涌出量等進行檢測測試，并大致判斷有毒有害氣體的空間位置展布并進行記錄，確定大致位置，進而指導下部施工。

3.2.3 隧道周邊及基底探孔

施工過程中或超前地質預報發現有害氣體濃度達到中度及以上危險區域采用風槍探孔對隧道周邊及基底（仰拱開挖后）進行探測。每個斷面布置10 個探孔，分別位于拱頂（共1 個）、左右拱腰（共2 個）、左右拱腳（共2 個）、左右邊墻（共4 個）和隧底中心位置（共1個）。探孔深度5m，斷面環間距5m。

當開挖面發現有害氣體濃度達到中度及以上危險區域時，則在后方（已開挖段）布置2 個斷面的周邊及基底探孔進行補充探測。隧道周邊及基底探孔孔位布置如圖6所示。

圖6 周邊及基底探孔布置示意圖

3.3 非煤系有害氣體綜合探測主要措施

針對不同風險等級的段落，采取的綜合探測技術，具體見表1。

表1 有害氣體綜合探測方法

3.4 有害氣體濃度安全界線

為確保施工安全，有害氣體濃度安全界線規定如下（表2），超出安全界線時，洞內施工人員應撤出洞外，加強通風降低有害氣體濃度，安全規定限值見表2。

表2 有害氣體濃度安全界線規定

3.5 施工控制要點

①采用地震波反射法進行探測，鉆孔過程要嚴格按照設計方案施鉆，除特殊情況外，應確保孔位、孔深、直徑、傾角等要素與設計方案保持一致。

特殊情況下，鉆孔位置必須偏離設計點位置，應以原定點為圓心，在0.2m 的半徑范圍內進行局部挪移。應確保孔身平直暢通，以便耦合劑、套管和炸藥等能夠投放到預定位置。如果所鉆巖層并不穩定，為避免塌孔，可在孔內裝入尺寸合適的PVC 管或者類似的塑料管，起到保護孔壁的作用。

接收器的布置應該同炮點處于一個平面與高度，即分布在兩側邊墻的同個斷面。炮孔傾角和孔深需要在安裝炸藥之前測量清楚，常用的測量工具是電子傾角測量儀與管卷尺。以試驗確定所需的炸藥量，炸藥卷通過裝藥桿裝填至炮孔底部，并用水或別的介質封填炮孔。

在進行信號采集之前，需要對接收器與記錄單元實行必要的噪音測試；在數據采集之前，需要對儀器本身和環境實施噪音檢測，儀器狀態正常，聲波振幅最大值低于78db，則可以引爆炸藥收集對應的信號記錄。根據所接收直達波信號的強弱，有針對性地對裝填的炸藥量進行適當減增。

②運用地質雷達進行探測，需要確保儀器的技術指標符合要求，即包括系統增益≥150db、信噪比＞60db、采樣間隔≤0.5ns，規模轉換器不宜小于16 位等。此外，儀器還應當具有一些常用的功能，例如實時濾波、可選的信號疊加、手動和自動位置標記、點測和連續測量等。

在數據采集過程中，可憑借試驗確定天線工作頻率以及介電常數。面對情況較為復雜的探測對象，至少挑選兩種頻率的雷達天線，在各項指標都能滿足探測深度要求的前提下，挑選高頻天線作為最終選擇。測網密度、天線間距及其移位速度應能反映出探測對象的異常，測線的布設形式以十字和網格為主。

測試區域要避免強烈的電磁波干擾，對測線周圍包括金屬物在內的電磁干擾物進行清除、避繞。天線的支撐物需要具備絕緣性，在探測過程中，要保證工作天線和操作人員之間的相對位置不變，確保它所探測的表面較為規則和平整，不能影響和阻礙天線移動；此外，還要保證天線在探測過程中和探測面保持固定距離不變，即移動面大致平行于探測面。

③瞬變電磁法屬于時間域電磁感應法，通常采用增大電流的方式，形成極大的激勵磁場，提高信噪比以減少干擾。為了避免出現人為的電磁干擾現象，需要確保周圍無強干擾源、強磁場和金屬干擾物。在布置發射線框過程中，還應確保長度誤差≤5%，方向誤差≤1°，余線呈S形鋪在地面即可；此外，需要采取部分措施來證明所采集數據的準確性。

在不重布線圈的情況下，對各測點施行2組～3組的重復檢測；而重布線圈之后，對整個觀測區域中至少5%的物理點進行質檢復核，確保各質檢點相對誤差≤0.5m，高程誤差≤0.5m，一級測線點位置誤差≤0.2m，高程誤差≤0.2m。

④進行超前水平鉆探，一旦發生異常情況，需立刻停鉆檢查，比如鉆孔突水量和水壓激增、發生頂鉆等現象。有毒有害氣體檢測人員配備手持式風速測定儀，隨時檢測掌子面及其他地段風速情況，發現異常，馬上匯報，鉆進時應準確判別有毒有害氣體儲層厚度，并記錄深度；采用超前地質鉆孔應確保終孔在隧道開挖輪廓線至少5m之外，鉆孔外插角大于13°。

⑤采用加深炮孔進行探測，與循環進尺相比，加深炮孔長度更深（至少加深3m），外插角≥20°，以保證孔底在隧道輪廓線外2m；加深炮孔和超前水平鉆探測過程中，是否發生氣溢現象以及頂鉆等氣動力現象，需要由專業檢測人員全程在孔口進行隨時監測，并時刻注意空氣風流中是否存在異味，確保及時發現有毒有害氣體的溢出。一經發現，則需對氣體的性質、含量、濃度、壓力、涌出量等進行監測測試，并大致判斷有毒有害氣體的空間位置展布并進行記錄，確定大致位置，進而指導下部施工。

⑥隧道周邊及基底探測，檢測出有害氣體濃度達到中度及以上危險區域采用風槍探孔對隧道周邊及基底（仰拱開挖后）進行探測；設置孔深5m；斷面環間距5m；各斷面設置10 個探孔，集中氣體逸出點上下加密探測。

⑦隧道有害氣體探測的所有人員，都應當參加以有害氣體為主題的隧道安全培訓，考核合格才可上崗。

⑧當有毒氣體H2S、SO2濃度超過安全臨界濃度值6.6ppm、5ppm 時，應及時撤離施工人員，查明原因，加強通風，待濃度下降達到安全濃度后方可進行施工。

⑨工作人員進洞前一定要佩戴防毒面具或口罩，定期更換防毒面具和口罩等防護器具。

⑩施鉆過程中一旦發現有害氣體的噴出現象，要立刻斷電停鉆，組織人員撤離至開闊通風地帶，并及時上報技術負責人以便采取有效措施。

○1有毒有害氣體檢測人員必須配備便攜式H2S、SO2、CO、CH4、CO2、NO2、NH3、H2等有毒有害氣體檢測儀，施做物探、鉆探時，通風管距掌子面不大于5m，風速不小于1m/s。

4 工程應用情況

大臨鐵路紅豆山隧道2015 年12 月28 日開工，2017年6 月17 日1#斜井施工至X1DK1+242.5 處發現有害氣體，主要是H2S、CO 和CO2；2018年1月24 日紅豆山隧道進口施工至DK115+904，距洞口507m 處發現H2S、SO2、CO2等有害氣體，CO2濃度超20 萬ppm。施工過程中成功運用有害氣體綜合探測技術并安全通過探測。

5 結語

采用有害氣體綜合探測技術在全國非煤系地層隧道工程施工中尚屬首次。實踐證明，該技術可以有效探明隧道工程施工中潛藏的有害氣體的分布位置、性質、含量、濃度、壓力、涌出量等相關參數，是隧道施工方法及工藝的一次創新嘗試。

隧道非煤系地層有害氣體探測技術適用于煤系、非煤系地下工程的有害氣體探測，推廣應用前景廣闊。