隧洞施工中硫化氫氣體的防治

潘奕舟

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院地質(zhì)勘察研究所）

0 前言

在常規(guī)的施工中，常采用壓入式通風(fēng)法對隧洞內(nèi)的硫化氫氣體進(jìn)行處理，用來消除硫化氫對施工人員造成的職業(yè)病。壓入式通風(fēng)法采用風(fēng)機(jī)與風(fēng)管組成通風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)外界新鮮空氣向隧洞內(nèi)的供給，進(jìn)而置換或稀釋隧洞內(nèi)的硫化氫氣體，使硫化氫氣體的濃度降低到安全標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。在具體施工中受到各種復(fù)雜因素的干擾，隧洞內(nèi)硫化氫氣體的排出不是固定值，而通風(fēng)系統(tǒng)吹入的氣體量是相對固定的，因此很容易出現(xiàn)新鮮空氣的補(bǔ)給滿足不了硫化氫的安全標(biāo)準(zhǔn)，此時(shí)很容易給施工人員造成危害。因此需要進(jìn)行深入分析，找出硫化氫的防治措施，提升隧洞內(nèi)施工的安全性。

1 工程概況

ARTS水電站引水發(fā)電系統(tǒng)位于中低山區(qū)，地形起伏，全長約6.25 km 左右，穿越“Ω”型河道所圍限基巖山體，山頂高程2 000～2 583 m，，洞線主要穿越的地層有石炭系和白堊系，構(gòu)造方向總體以北西向?yàn)橹?，褶曲發(fā)育，巖層總體產(chǎn)狀300°～350°SW∠30°～80°，地下洞室圍巖見表1所示。

表1 ATRS水電站引水系統(tǒng)隧洞內(nèi)圍巖統(tǒng)計(jì)表

施工方在樁號2+948檢測出洞室有硫化氫氣體，掌子面附近氣體濃度10～30 ppm，最高＞50 ppm，經(jīng)現(xiàn)場查看，作業(yè)面氣體濃度較高，遠(yuǎn)離作業(yè)面氣體濃度小，洞室通風(fēng)效果差，空氣流通不暢。

2 硫化氫的成因

硫化氫作為一種微甜、無色、臭雞蛋氣味、劇毒的氣體，密度大于空氣密度，氣體溶于水，溶解度會隨著氣溫的增加逐漸降低，燃燒過程中會產(chǎn)生深藍(lán)色火焰，還會產(chǎn)生有毒有害的二氧化硫氣體，在260 ℃下濃度處于4.30%～46%范圍內(nèi)時(shí)會產(chǎn)生爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

硫化氫在空氣中的濃度達(dá)到0.000 1%時(shí)會被聞到，隨著濃度的提升，嗅覺神經(jīng)會逐漸被麻痹，引起中毒，反而不被嗅到。硫化氫具有劇毒，具有強(qiáng)烈的刺激作用，可以阻礙生物的氧化作用，造成人體缺氧。硫化氫的主要來源為：產(chǎn)生于舊巷與老空區(qū)，礦物的燃燒與氧化，含硫礦物的水解，有機(jī)物的腐爛等。

根據(jù)硫化氫成因機(jī)理的不同可以將自然界硫化氫的成因分為5 類：巖漿成因、硫酸鹽熱化學(xué)還原、熱化學(xué)分解、微生物硫酸鹽還原與生物降解。其中煤與圍巖中存在硫酸鹽巖與含硫有機(jī)質(zhì)，它們在熱化學(xué)還原作用與熱化學(xué)分解作用下會產(chǎn)生硫化氫氣體，但是煤中硫酸鹽巖含量與圍巖中有機(jī)質(zhì)硫的含量較低，因此在反應(yīng)后產(chǎn)生的硫化氫含量均低于2%，但是圍巖中硫酸鹽巖的含量增加時(shí)，會生成較高濃度的硫化氫氣體；硫酸鹽的熱化學(xué)還原反應(yīng)主要由于烴類或有機(jī)物與硫酸鹽發(fā)生反應(yīng)，造成硫酸鹽還原為二氧化碳與硫化氫氣體，主要由硫化氫性天然氣與高含硫化氫天然氣引起，一般在150 ℃以上發(fā)生反應(yīng)；熱化學(xué)分解反應(yīng)的成因主要指煤中含硫有機(jī)化合物受到熱力作用，造成含硫雜環(huán)的斷裂生成硫化氫，因此還被稱為裂解型硫化氫，該方式生成的硫化氫濃度一般低于1%；微生物硫酸鹽還原菌作為典型微生物，可以將各種烴類與有機(jī)質(zhì)還原成硫酸鹽，之后通過異化作用將其轉(zhuǎn)化為硫化氫；生物降解主要以腐敗作用為主，基于生成的含硫有機(jī)質(zhì)，同化作用的環(huán)境出現(xiàn)變化后，會造成有機(jī)質(zhì)的腐敗分解，最終生成硫化氫氣體。

ARTS 工程引水隧洞洞身段2+298 為Ⅲ圍巖，巖性主要為石炭系下統(tǒng)（C1h）灰?guī)r夾砂巖、碳質(zhì)頁巖。在灰?guī)r、碳質(zhì)頁巖中存在大量生物化石及石膏層，生物化石（以珊瑚、藻類、貝殼及節(jié)支動物為主）。該層富含的生物殘骸和有機(jī)物經(jīng)生物降解在腐敗作用主導(dǎo)下形成硫化氫氣體，含硫有機(jī)化合物在熱力作用下，硫酸鹽熱化學(xué)還原生成高含硫化氫天然氣和硫化氫型天然氣，可見掌子面裂隙處有可燃火苗。

3 隧洞施工中硫化氫的防治措施

結(jié)合ATRS水電站引水隧洞的施工現(xiàn)狀，對隧洞內(nèi)的硫化氫氣體進(jìn)行處理，在加強(qiáng)氣體濃度檢測，加強(qiáng)通風(fēng)，采用炮霧機(jī)進(jìn)行噴霧稀釋，同時(shí)配合在掌子面下水槽的開挖工作，將生石灰置于水槽內(nèi)，這一系列措施可以將硫化氫氣體的濃度控制在安全范圍內(nèi)。

3.1 硫化氫氣體的檢測

在隧洞內(nèi)的施工中，需要配備必要的硫化氫氣體檢測報(bào)警儀，并指派專人負(fù)責(zé)隧洞內(nèi)硫化氫氣體溢出段的氣體濃度檢測工作，并著重關(guān)注放炮與打眼后的氣體檢測。一旦檢測報(bào)警儀上顯示硫化氫氣體濃度超過6.6 ppm，需要立即停止作業(yè)，將相關(guān)工作人員撤離到安全區(qū)域，保持新鮮空氣的補(bǔ)給。設(shè)立的專職檢測員需要對隧洞內(nèi)的硫化氫氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)、全面的檢測，確保隧洞內(nèi)所有區(qū)域的硫化氫均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)時(shí)，才能通知其他施工人員進(jìn)入隧洞施工，對隧洞內(nèi)硫化氫的檢測應(yīng)具有實(shí)時(shí)檢測能力，了解隧洞內(nèi)硫化氫濃度的變化趨勢，及時(shí)采取各種措施。隧洞內(nèi)各點(diǎn)位的氣體檢測統(tǒng)計(jì)情況詳見表2所示。

表2 隧洞內(nèi)各檢測點(diǎn)的氣體統(tǒng)計(jì)表

在隧洞內(nèi)的鉆孔探放中，可以采用液壓地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，鉆頭采用直徑65 mm的，探放孔應(yīng)將直徑控制在75 mm，孔深控制在75 m，每次布設(shè)孔徑在6個(gè)左右，先將鉆深控制在50 m左右，并預(yù)留25的保安巖柱。在循環(huán)開挖前，需要采用超前鉆孔對掌子面釋放，在隧洞內(nèi)掌子面周邊與中部每隔2 m 鉆深孔，在孔深與孔徑上，掌子面中部與周邊保持一致，掌子面上探放孔不應(yīng)用作爆破孔用。

3.2 硫化氫氣體的稀釋與控制

首先應(yīng)進(jìn)行噴霧稀釋，將每組灑水噴霧裝置每隔5 m安裝在隧洞內(nèi)，進(jìn)行全斷面式的噴霧處理，采用9 個(gè)散狀式噴嘴組成一組灑水噴霧裝置，噴嘴的間距控制在2 m左右。在隧洞內(nèi)的施工中，將掌子面內(nèi)的閥門全部打開，進(jìn)行斷面式噴水，并在掌子面內(nèi)開挖積水坑，間隔保持在100 m 左右，并采用潛水泵將其中聚集水分抽出，起到凈化硫化氫的作用。

其次加大隧洞工作面風(fēng)量，防止硫化氫集聚。增大掌子面掘進(jìn)時(shí)風(fēng)量，確保有效稀釋和排除有毒氣體、可燃?xì)怏w釋放，防止硫化氫濃度超標(biāo)。當(dāng)掌子面開挖工作面有大量硫化氫氣體涌出時(shí)，采取大功率局部通風(fēng)機(jī)，加大供風(fēng)量集中抽排，風(fēng)筒末端到掌子面距離不超過5 m，以保證掘進(jìn)工作面風(fēng)量充足。在具體的施工中，采用風(fēng)機(jī)與膠質(zhì)風(fēng)筒進(jìn)行通風(fēng)，保證工作面上通風(fēng)能力超過正常施工狀況下的通風(fēng)情況，施工前安排專人負(fù)責(zé)隧洞內(nèi)的測風(fēng)工作，配置必要的低、中、高速風(fēng)表，每周對隧洞內(nèi)風(fēng)速進(jìn)行測量，結(jié)合測量結(jié)果調(diào)整通風(fēng)量，使其滿足隧洞內(nèi)的通風(fēng)作業(yè)要求。

3.3 施工壓漿與注漿階段硫化氫氣體的控制

在隧洞內(nèi)的注漿封堵施工中，需要采用水泥雙液水玻璃漿液進(jìn)行徑向上的注漿，對巖層的裂縫進(jìn)行封堵，但是注漿過程不能對引水隧洞內(nèi)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)線造成影響，同時(shí)還要起到抑制硫化氫氣體溢出的目的。注漿封堵應(yīng)遵循下述技術(shù)要求：①水泥漿液的水灰比控制在0.80∶1～1∶1之間；②注漿配比中的水泥應(yīng)滿足要求，例如采用PO32.5；③拌合水的水質(zhì)應(yīng)滿足水工建筑物工程的施工規(guī)范，避免水中存在有毒有害物質(zhì)；④采用水玻璃作為雙液注漿的材料，水玻璃與水泥漿的體積比為0.50∶1，水玻璃的密度為1.38 g/cm3，水泥漿比重為1.52 g/cm3；⑤根據(jù)傳統(tǒng)施工的技術(shù)特點(diǎn)，在雙液灌漿的漿液中添加適量的鹽水，比例控制在15%～20%范圍內(nèi)。

3.4 支護(hù)封閉階段的硫化氫的控制

在ATRS水電站引水隧洞的施工中為保證隧洞的穩(wěn)定性，采用全封閉性隧道支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)，同時(shí)配合橡膠止水帶對沉降縫與施工縫的處理、C20 混凝土對底部與仰拱的處理等措施，可以大大提升支護(hù)封閉效果。在施工作業(yè)流程上，按照提前封閉的要求，保證達(dá)到隔氣與止氣的標(biāo)準(zhǔn)，使隧洞支護(hù)襯砌的氣密性得到滿足。此外在各施工工序中采用的混凝土應(yīng)為氣密性較高的混凝土種類。

4 結(jié)論

文章以ARTS水電站引水隧洞的施工為例，講述了隧洞施工的基本情況，并對隧洞內(nèi)的環(huán)境與巖性特征進(jìn)行分析，指出主要隧洞內(nèi)巖石的構(gòu)成。之后結(jié)合該水電站飲水隧洞硫化氫的情況，詳細(xì)分析了硫化氫的成因。最后結(jié)合隧洞內(nèi)硫化氫的基本情況，從多角度論述了硫化氫的控制機(jī)理，可以為后續(xù)隧洞施工中硫化氫的防治提供基本思路。