深埋長隧洞有害氣體的預測分析及防治措施

周鶴

（新疆水利水電勘測設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、數量等展開預測分析，并根據分析結果提出相應的防治措施。

2 有害氣體的預測分析

2.1 有害氣體發生情況

該隧道工程施工中，出現過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，設備停機焊接拱架時，隧洞內作業人員觀察到頂護盾下方油缸處噴出一簇火焰，同時發出震耳的響聲，伴隨有異味。第二次是在2022年10月15日的14點47分，在隧洞右側發現1處正在燃燒的火焰。隧洞內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，并使用專項設備進行了其他成分分析。結果表明，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。現場人員使用打火機在裂縫處打火，發現有爆燃現象。

2.2 有害氣體的預測分析

有害氣體儲存在巖體內，在未開挖狀態下，隧道巖體的完整度較高，內部氣體處于封閉、平衡狀態；在隧道開挖后，由于爆破振動和圍巖應力變化，導致巖體出現破壞、形成裂縫，原本被封閉在巖體內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。根據這一情況，可以結合施工期間的現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：施工人員可根據掌子面變形情況進行預測，若掌子面發生變形，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。或者是在施工期間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的有害氣體進行預測，得出以下結論：

有害氣體溢出點位置。隧洞內主要有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，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

結合上圖可知。溢出點1和2，分別位于TBM護盾的左右兩側，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3 d 收集3個溢出點的空氣并帶回實驗室檢測。

結合檢測數據可知，該隧洞內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 勘察設計階段的防治措施

在隧道施工前的勘察設計環節，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，隧洞必須經過含有有害氣體的地層，則應當在設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 加強監測，做好通風工作

在隧道工程的前期勘察環節，如果監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測系統，利用高靈敏度的監測儀器，不間斷、高頻率地采集隧道內的有害氣體濃度信息。同時，還可以人為設置濃度閾值，一旦監測數據超出了閾值，則監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，利用瓦斯濃度監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，可作為監測報警的依據。當有害氣體濃度不高，或者是剛剛超過設定的閾值時，可以采取通風措施稀釋有害氣體的濃度。在隧洞內增加通風設備，并盡量在護盾、掌子面等位置安排更多的通風設備，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，常規的通風措施已經無法滿足快速排氣、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，從隧道內部伸出洞外約30 m，以較大壓力通入氣流，將前方圍巖內的瓦斯氣體排出。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，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，由于打破了巖土結構的力學平衡，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理裂隙，導致有害氣體從裂隙中擴散到隧道內的情況。該方法對于寬度在0.20 mm以內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滲能力的作用。

4 結語

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，當有害氣體濃度達到一定值后，不僅會危及現場施工個人原因的身體健康，而且還有可能引發爆炸事故，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，為現場施工的安全開展創造良好環境。