六盤山隧道穿越有毒有害氣體地層施工技術(shù)探討

周學勝

摘 要：有毒有害氣體為隧道施工過程中經(jīng)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(qū)需要穿越含H2S地層，有毒有害氣體施工質(zhì)量都對隧道施工產(chǎn)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(guī)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(huán)境下的隧道施工的預(yù)防、治理措施，確保了隧道的施工安全，取得了良好的效果。

關(guān)鍵詞：隧道工程 H2S氣體 防治措施 施工技術(shù)

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?jīng)鍪腥A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(xiāng)三角城左側(cè)河谷內(nèi)，出口位于華亭縣西華鎮(zhèn)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(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及現(xiàn)場調(diào)查顯示，隧道通過二條區(qū)域性大斷裂和一條次級斷層，二處不整合接觸節(jié)理密集帶等。隧道設(shè)計斷面較?。á蚣?4.42 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(shù)

2.1 H2S氣體的產(chǎn)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(xiàn)臭雞蛋氣味；隨著施工的推進，氣味逐漸加重，導致作業(yè)工人出現(xiàn)不同程度的惡心，并伴有嘔吐現(xiàn)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(zhì)預(yù)報、鉆探結(jié)果及現(xiàn)場觀測表明：掌子面DIK90+692～DIK90+699共7 m范圍內(nèi)，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(fā)現(xiàn)已完成初支段局部有黑色發(fā)青油色物質(zhì)滲出，在DIK90+580線路右側(cè)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(fā)現(xiàn)圍巖巖相出現(xiàn)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(cè)出現(xiàn)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?yōu)樯罹G色，且拱頂超前錨桿上有油漬滴出，經(jīng)觀察此物質(zhì)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(yè)過程中共有3人次出現(xiàn)留鼻血癥狀，多人出現(xiàn)頭暈嘔吐癥狀，共計9人次到華亭人民醫(yī)院就診。

2.2 水及H2S氣體的檢測

掌子面施工到DIK90+673時，出現(xiàn)臭雞蛋味氣體時出現(xiàn)的基巖裂隙水，設(shè)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(huán)境。在掌子面附近的棄砟表面出現(xiàn)大量的絮狀結(jié)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(xiàn)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(jīng)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(xiàn)場使用復(fù)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(nèi)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(jīng)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(zhì)情況復(fù)雜，斷面小，工序干擾大，工程風險大，工期緊張，2#斜井平?jīng)龇较蚺c3#斜井天水方向之間為六盤山隧道節(jié)點工期控制段落，對工期影響較大。環(huán)境保護任務(wù)重、責任大。工程沿線地區(qū)植被發(fā)育，森林密布，屬甘肅省重點森林保護區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，環(huán)、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(huán)境的影響降至最低，建設(shè)綠色生態(tài)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(jiān)測

由天平鐵路第四項目部安質(zhì)部組建專門的監(jiān)測機構(gòu)，由安全總監(jiān)周會帶領(lǐng)，在含H2S、CO氣體的段落必須進行作業(yè)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(jiān)測。為保證檢測的有效性、準確性及專業(yè)性，成立以現(xiàn)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(xiàn)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(nèi)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?？赏瑫r對H2S、CO、O2進行檢測。固定檢測為全天不間斷檢測，設(shè)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(shè)備，主要在施工作業(yè)前，作業(yè)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(shù)，頻繁進行檢測。每工序作業(yè)前對國內(nèi)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(jīng)現(xiàn)場監(jiān)理和現(xiàn)場負責人共同簽認后才允許作業(yè)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(fù)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(fù)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(fù)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(shè)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(shè)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(jié)長25 m，轉(zhuǎn)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(yù)排放

為預(yù)防出現(xiàn)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(zhì)預(yù)測預(yù)報工作，堅持超前探孔，保證探孔施工的連續(xù)性，有疑問段應(yīng)采用短探孔驗證，做到對前方情況心中有數(shù)，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(qū)域噴灑生石灰水，對施工環(huán)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(nèi)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(huán)境，在洞口增設(shè)三級化學處理池，在處理池內(nèi)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?；瘜W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(tǒng)一按照5 m（長）×3 m（寬）×2 m（深）的規(guī)格尺寸進行設(shè)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(jié)構(gòu)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(shù)對圍巖地質(zhì)情況進行超前探測，堅持“光面爆破、噴錨緊跟、監(jiān)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(yè)。

2.5.1 徑向注漿

為預(yù)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(nèi)注1：1水泥單液漿全環(huán)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(shè)，注漿孔按梅花型布置，孔口環(huán)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(shè)計參數(shù)

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?jié){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(zhuǎn)入正常注漿后，根據(jù)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(shè)備

六盤山隧道2#斜井工區(qū)平?jīng)龇较驀鷰r節(jié)理較發(fā)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(zhì)，由于目前水量不大，根據(jù)四方會議紀要采用水泥單液漿進行封堵。如后續(xù)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(jié)束。注漿工程量以現(xiàn)場監(jiān)理工程師簽認為準。為了滿足經(jīng)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(diào)查和記錄，并在開挖以后進行了長期的統(tǒng)計，以準確掌握滲水狀況，為注漿固結(jié)提供基礎(chǔ)依據(jù)。注漿布置示意如圖8所示。注漿根據(jù)分區(qū)段分序進行注漿，以一個作業(yè)臺架長度5 m左右為一個注漿段落，根據(jù)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(shù)量能否滿足連續(xù)注漿要求；進行注漿系統(tǒng)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(jié)束條件：達到終壓后并穩(wěn)定10 min，且注漿量不小于設(shè)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(chǔ)上采用壓水試驗和現(xiàn)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(jié)束后，及時將注漿孔和檢查孔封堵密實。

3 結(jié)論

六盤山隧道具有“斷面小、地質(zhì)條件復(fù)雜、施工程序繁多、洞內(nèi)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(nèi)外尚缺乏同類型隧道的成熟設(shè)計、施工經(jīng)驗可供借鑒。因此，依托在建的六盤山隧道，開展復(fù)雜地質(zhì)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(shù)研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。

有毒有害氣體施工質(zhì)量都對隧道施工產(chǎn)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(yīng)加強對每道工序的施工控制，嚴格按規(guī)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(shù)方面的因素外，加強管理也是一個至關(guān)重要的因素。用長遠發(fā)展的眼光看，只有加強管理，努力提高整體技術(shù)水平，才能保證工期，創(chuàng)優(yōu)質(zhì)工程，才能獲得良好的經(jīng)濟效益和社會效益，企業(yè)才能得以發(fā)展。通過現(xiàn)場施工人員和科技人員的共同努力，六盤山隧道目前已經(jīng)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(shù)對穿越同類地層的隧道工程的設(shè)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(lǐng)域的總體技術(shù)水平具有一定的積極意義。

參考文獻

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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(shù)量能否滿足連續(xù)注漿要求；進行注漿系統(tǒng)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(jié)束條件：達到終壓后并穩(wěn)定10 min，且注漿量不小于設(shè)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(chǔ)上采用壓水試驗和現(xiàn)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(jié)束后，及時將注漿孔和檢查孔封堵密實。

3 結(jié)論

六盤山隧道具有“斷面小、地質(zhì)條件復(fù)雜、施工程序繁多、洞內(nèi)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(nèi)外尚缺乏同類型隧道的成熟設(shè)計、施工經(jīng)驗可供借鑒。因此，依托在建的六盤山隧道，開展復(fù)雜地質(zhì)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(shù)研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。

有毒有害氣體施工質(zhì)量都對隧道施工產(chǎn)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(yīng)加強對每道工序的施工控制，嚴格按規(guī)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(shù)方面的因素外，加強管理也是一個至關(guān)重要的因素。用長遠發(fā)展的眼光看，只有加強管理，努力提高整體技術(shù)水平，才能保證工期，創(chuàng)優(yōu)質(zhì)工程，才能獲得良好的經(jīng)濟效益和社會效益，企業(yè)才能得以發(fā)展。通過現(xiàn)場施工人員和科技人員的共同努力，六盤山隧道目前已經(jīng)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(shù)對穿越同類地層的隧道工程的設(shè)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(lǐng)域的總體技術(shù)水平具有一定的積極意義。

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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(shù)量能否滿足連續(xù)注漿要求；進行注漿系統(tǒng)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(jié)束條件：達到終壓后并穩(wěn)定10 min，且注漿量不小于設(shè)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(chǔ)上采用壓水試驗和現(xiàn)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(jié)束后，及時將注漿孔和檢查孔封堵密實。

3 結(jié)論

六盤山隧道具有“斷面小、地質(zhì)條件復(fù)雜、施工程序繁多、洞內(nèi)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(nèi)外尚缺乏同類型隧道的成熟設(shè)計、施工經(jīng)驗可供借鑒。因此，依托在建的六盤山隧道，開展復(fù)雜地質(zhì)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(shù)研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。

有毒有害氣體施工質(zhì)量都對隧道施工產(chǎn)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(yīng)加強對每道工序的施工控制，嚴格按規(guī)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(shù)方面的因素外，加強管理也是一個至關(guān)重要的因素。用長遠發(fā)展的眼光看，只有加強管理，努力提高整體技術(shù)水平，才能保證工期，創(chuàng)優(yōu)質(zhì)工程，才能獲得良好的經(jīng)濟效益和社會效益，企業(yè)才能得以發(fā)展。通過現(xiàn)場施工人員和科技人員的共同努力，六盤山隧道目前已經(jīng)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(shù)對穿越同類地層的隧道工程的設(shè)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(lǐng)域的總體技術(shù)水平具有一定的積極意義。

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