新疆某深埋長(zhǎng)引水隧洞有害氣體成因分析及防治

李玉光

（新疆伊犁河流域開(kāi)發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

新疆某隧洞工程洞長(zhǎng)41.82 km，輸水隧洞為無(wú)壓洞，縱坡0.18%。該標(biāo)段主要采用TBM開(kāi)挖施工方案，最大埋深約2 268 m，均為順坡掘進(jìn)，逆坡排水。TBM 單向掘進(jìn)施工段長(zhǎng)14 km。目前該隧洞標(biāo)段TBM 已施工至合同樁號(hào)。后追加2 km，累計(jì)完成TBM 掘進(jìn)17 568m，刷新了TBM 獨(dú)頭連續(xù)掘進(jìn)的世界紀(jì)錄，TBM 實(shí)際平均月進(jìn)尺458.67 m/月，最高月進(jìn)尺達(dá)803m，最高日進(jìn)尺達(dá)55.75 m，達(dá)到國(guó)內(nèi)類(lèi)似工程領(lǐng)先水平。隧洞局部洞段巖石中含有有毒有害、易燃易爆氣體，TBM在掘進(jìn)施工過(guò)程中溢出，一氧化碳、硫化氫為化學(xué)有毒物質(zhì)，甲烷為易燃易爆物質(zhì)。

2 有害氣體發(fā)生情況

2018 年12 月19 日18：40，TBM 掘進(jìn)至樁號(hào)14+564 時(shí)，設(shè)備停機(jī)焊接拱架時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)人員突然看到從頂護(hù)盾下部油缸位置噴出一簇火焰，并伴有“轟隆”聲，18：20 現(xiàn)場(chǎng)施工人員又聞到異味。

2018 年12 月19 日19：20，技術(shù)人員進(jìn)入護(hù)盾內(nèi)部進(jìn)行排查，從護(hù)盾尾部至掌子面區(qū)域突然發(fā)生巨響，并伴有大量氣流及灰塵，主機(jī)皮帶進(jìn)人孔蓋板被氣浪掀起，護(hù)盾尾部15 m范圍內(nèi)充滿(mǎn)了灰塵，現(xiàn)場(chǎng)能聞到類(lèi)似于爆破后產(chǎn)生的氣味，現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員及時(shí)用便攜式檢測(cè)儀、甲烷檢測(cè)儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)有毒氣體進(jìn)行了檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)甲烷及其他可燃?xì)怏w。

2018年12月20日9：30，隧洞右側(cè)4～5點(diǎn)鐘位置發(fā)現(xiàn)了3處正在燃燒的火焰。通過(guò)對(duì)燃?xì)馓幍臍怏w檢測(cè)，CO含量為14 ppm。技術(shù)人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)，樁號(hào)14+577右側(cè)有2處正在燃燒，火焰呈淡藍(lán)色，1 處已經(jīng)熄滅。可用明火引燃。另外，在距離該燃燒火焰約1.50 m的裂隙處，用明火引燃時(shí)，可以觀察到明顯的“爆燃”現(xiàn)象，伴隨有“轟隆”響聲，隨即消失，稍等片刻后又可引燃，仍會(huì)有聲響。

3 有害氣體分布

3.1 有害氣體溢出點(diǎn)分布

有害氣體溢出點(diǎn)主要分布在距離TBM 護(hù)盾1.80 m 范圍內(nèi)，隧洞右側(cè)4～5 點(diǎn)鐘范圍內(nèi)。有3 個(gè)溢出點(diǎn)，其位置如圖1所示。

圖1 有害氣體溢出點(diǎn)相對(duì)位置示意圖

裂隙L2512、L2513，裂隙產(chǎn)狀NE35°NW∠83°，屬剪切裂隙，裂面光滑，其中一條向上延伸到頂拱，裂隙局部微張，裂面內(nèi)附方解石。有害氣體大多沿微張部分溢出，在與其他細(xì)小裂隙交匯處有害氣體更為集中。

3.2 有害氣體檢測(cè)成果

2018 年12 月20 日上午，對(duì)有害氣體溢出點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)到的氣體成分為甲烷和一氧化碳，現(xiàn)場(chǎng)手持儀檢測(cè)在裂隙口測(cè)得CO 含量約50 ppm，超標(biāo)準(zhǔn)值（24 ppm），甲烷達(dá)到危險(xiǎn)值1%。

2018 年12 月20 日，礦山救援隊(duì)由隧洞口至掌子面，全長(zhǎng)約7 500 m，沿途進(jìn)行有害氣體檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 有害氣體檢測(cè)成果表

經(jīng)上述地點(diǎn)檢測(cè)表明：掌子面樁號(hào)14+565.0有甲烷氣體溢出。局部地點(diǎn)有甲烷氣體積聚。

2018年12月21日11時(shí)，礦山救援隊(duì)再次入隧洞進(jìn)行二次檢測(cè)，在表1所述地點(diǎn)除機(jī)頭架下K14+577除，未發(fā)現(xiàn)CO及甲烷，機(jī)頭架下K14+577 處有害氣體溢出點(diǎn)測(cè)得甲烷含量為0.66%，CO含量為102 ppm。

2018 年12 月21 日17 時(shí)，2018 年12 月21 日17 時(shí)，礦山救援隊(duì)進(jìn)洞進(jìn)行第三次檢測(cè)，在護(hù)盾后1 m處的出氣點(diǎn)測(cè)得甲烷值為0.10%～0.30%，CO 值為610 pp～670 ppm；在護(hù)盾后2.40 m處的出氣點(diǎn)測(cè)得甲烷值為0，CO 值為4pp～5 ppm；其他部位測(cè)得的在害氣體值均為0。

2018 年12 月22 日上午，對(duì)有害氣體進(jìn)行檢測(cè)，在偏離有害溢出點(diǎn)10 cm以上的位置均未檢測(cè)到有害氣體。在NE向與其它裂隙交匯處檢測(cè)時(shí)出現(xiàn)了甲烷報(bào)警，其含量為1.30%左右，之后在幾分鐘的間隔內(nèi)又進(jìn)行了多次檢測(cè)，又出現(xiàn)了2～3次報(bào)警（其值大于1%），有5～6 次測(cè)試的甲烷含量在0.63%～0.78%之間。由此可見(jiàn)有害氣體的溢出是不均勻的，在進(jìn)行第一次測(cè)試時(shí)均出現(xiàn)了報(bào)警，之后經(jīng)過(guò)測(cè)試對(duì)氣流擾動(dòng)后，測(cè)試值出現(xiàn)波動(dòng)。

2018年12月25日，分別對(duì)2#溢出點(diǎn)（距護(hù)盾1.40 m，樁號(hào)14+577處）；3#溢出點(diǎn)（距護(hù)盾2.40 m樁號(hào)14+476處）有害氣體含量進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)成果見(jiàn)表2。

表2 有害氣體溢出點(diǎn)檢測(cè)成果表

2018年12月23日在TBM左前方進(jìn)行超前鉆探，鉆孔深度為18 m；12月24日，在TBM右前方進(jìn)行超前鉆探，鉆孔深度為35 m。對(duì)超前鉆孔孔口及孔口附近對(duì)有害氣體進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)成果見(jiàn)表3。

表3 超前鉆孔附近有害氣體檢測(cè)成果表

4 工程地質(zhì)概況

4.1 地質(zhì)條件

出現(xiàn)有害氣體的位置為志留系上統(tǒng)庫(kù)茹爾組（S3k1）石英細(xì)砂巖，灰綠色，致密結(jié)構(gòu)，厚層～塊狀構(gòu)造，巖質(zhì)堅(jiān)硬。局部夾有變泥質(zhì)灰黑色硅質(zhì)粉砂巖，致密結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)較堅(jiān)硬。巖體以鑲嵌結(jié)構(gòu)、次塊狀結(jié)構(gòu)為主，部分為碎裂結(jié)構(gòu)。該洞段內(nèi)無(wú)出水點(diǎn)，洞壁及洞頂呈干燥狀。綜合判定為Ⅲ類(lèi)圍巖。

4.2 主要工程地質(zhì)問(wèn)題

洞室穩(wěn)定：本段隧洞存在多處掉塊現(xiàn)象。樁號(hào)14+555～14+558段，拱頂?shù)魤K，多為10～20 cm的碎塊石；樁號(hào)14+578～14+574 段拱頂?shù)魤K，寬約1.50 m，主要為塊徑10～15 cm 的碎石；護(hù)盾后側(cè)局部存在掉塊現(xiàn)象。

巖爆：樁號(hào)14+557 位置，頂拱右側(cè)清晰聽(tīng)到巖石爆裂聲響，有巖體剝落，局部有板裂現(xiàn)象，并伴有灰粉，剝落位形成塌坑，長(zhǎng)約1.50 m，寬約1 m，深度為0.20～0.25 m，巖石斷裂面新鮮，不規(guī)則，判定該處為輕微巖爆。

氣溫及地溫：測(cè)試洞室溫度24.80℃；洞壁溫度24.40℃；次日測(cè)試洞壁溫度18℃。

5 有害氣體的來(lái)源分析

按天然氣的形成條件可分為五種類(lèi)型，分別為生物氣、早期成巖氣、油型氣、煤氣型、無(wú)機(jī)成因的天然氣。根據(jù)目前掘進(jìn)洞段地質(zhì)條件，基本可以排除隧洞有害氣體為生物氣和油型氣；通過(guò)區(qū)域地質(zhì)資料，隧洞附近的煤系地層主要為侏羅系地層，距有害氣體溢出點(diǎn)較遠(yuǎn)。

隧洞附近深部地層含煤可能性不大。根據(jù)1：100 000地質(zhì)圖繪制的隧洞剖面可知，隧洞洞線以下1 000 m左右均為志留系地層，該地層內(nèi)無(wú)含煤層夾層。因而判斷隧洞深部存在含煤層的可能性不大。

輸水隧洞穿越侵入巖地層時(shí)，未發(fā)現(xiàn)有害氣體；附近的溫泉距離有害氣體溢出點(diǎn)距離約18 km，因而可以判斷有害氣體不屬于無(wú)機(jī)成因的天然氣。

根據(jù)隧洞附近的地質(zhì)條件，初步判斷隧洞出現(xiàn)的有害氣體屬于早期成巖氣，其來(lái)源具有多元化，極有可能為深部地層中存在的灰?guī)r、泥頁(yè)巖等灰黑色的地層富含有機(jī)質(zhì)，在其沉積成巖過(guò)程中形成了有害氣體，積聚在深部地層中。巖體中的裂隙成為有害氣體運(yùn)移的通道和貯存的空間。

6 結(jié)論

6.1 建議深孔超前預(yù)探

利用TBM 上配置的超前地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行超前鉆孔，探測(cè)前方地質(zhì)及有害氣體賦存情況。鉆孔深度大于30 m，記錄地質(zhì)異常情況。鉆孔后在孔口進(jìn)行有害氣體濃度檢測(cè)，判斷是否有有害氣體溢出、溢出初速度，判定有害氣體的溢出量。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有害氣體時(shí)可通過(guò)鉆孔逐步排放或提前預(yù)注漿封閉有害氣體。根據(jù)氣體檢測(cè)情況，調(diào)整鉆孔的位置及數(shù)量。

6.2 加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)

在確保監(jiān)測(cè)精度準(zhǔn)確可靠的前提下，現(xiàn)場(chǎng)施工期有害氣體的監(jiān)測(cè)宜選用便攜式氣體檢測(cè)報(bào)警儀，具備條件的情況下可建立全自動(dòng)的監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)配備專(zhuān)業(yè)的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)設(shè)備和專(zhuān)門(mén)的檢測(cè)人員進(jìn)行有害氣體的監(jiān)測(cè)（如便攜式光干涉型甲烷測(cè)定器、多種氣體檢定器）。使用的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備應(yīng)定期按要求進(jìn)行檢驗(yàn)和校準(zhǔn)，每次修復(fù)后應(yīng)到專(zhuān)門(mén)的檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)送檢，保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。每次監(jiān)測(cè)的同時(shí)應(yīng)做好各種有害氣體濃度變化的記錄，并及時(shí)匯總。

6.3 補(bǔ)充完善隧洞通風(fēng)設(shè)計(jì)

建議通風(fēng)設(shè)備盡可能前移至護(hù)盾或掌子面，確保風(fēng)流及時(shí)稀釋有害氣體的濃度，有害氣體溢出洞段應(yīng)24 小時(shí)排風(fēng)。盡可能避免人為形成密閉空間，如停機(jī)時(shí)需關(guān)注護(hù)盾內(nèi)或護(hù)盾與巖面空間內(nèi)的有害氣體含量。