超長水工隧洞有毒有害氣體施工防控技術(shù)

蔣 裕 飛

（中國水利水電第七工程局有限公司，四川成都 610213）

0 前 言

地下洞室在開挖過程中遇到的不可預(yù)見因素較多，有毒有害氣體是其中之一，一旦對(duì)有毒有害氣體監(jiān)測(cè)不及時(shí)或采取的防治措施不當(dāng)，就會(huì)給施工生產(chǎn)和人員生命安全造成極大的危害［1］，因此在施工中對(duì)有毒有害氣體的監(jiān)測(cè)和防治是非常重要的。本文結(jié)合固增水電站發(fā)生巖層中“氣囊”（空腔）二次爆破現(xiàn)象，初步分析有毒有害氣體的成因并重點(diǎn)探討有毒有害氣體的處理措施。

1 工程概況

固增水電站系木里河干流“一庫六級(jí)”開發(fā)方案中的第五級(jí)，位于四川省木里縣固增鄉(xiāng)，為低閘引水式電站，由首部樞紐、引水系統(tǒng)、地面廠房等建筑物組成。其上游與俄公堡水電站尾水銜接，下游與立洲水電站水庫相接。引水隧洞布置在木里河左岸，隧洞長約11.06km，縱坡為2.0869‰。引水隧洞為馬蹄形，過流斷面尺寸為6.1m×7.8m（底寬×高），共布置6條施工支洞。

引水隧洞地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化頻繁復(fù)雜，主要地質(zhì)巖性由薄層～極薄層板巖、炭質(zhì)頁巖、中厚層變質(zhì)石英砂巖、薄層～極薄層石英砂巖、鈣質(zhì)板巖、炭質(zhì)板巖、硅質(zhì)板巖、千枚化板巖、鈣泥質(zhì)板巖夾千枚巖、薄層灰?guī)r夾板巖等組成，部分洞段巖性由沖洪積塊碎石土組成。

自撒洼溝至915林場(chǎng)加油站對(duì)面沖溝段的地層巖性為奧陶系下統(tǒng)人工組的變質(zhì)石英砂巖夾板巖。從地層巖性及巖石成因來看，具備形成有毒有害氣體的地質(zhì)條件；從巖體結(jié)構(gòu)面狀況來看，具備形成氣體儲(chǔ)存空間“氣囊”的地質(zhì)構(gòu)造。

2 氣體爆炸情況及有毒有害氣體產(chǎn)生原因

4號(hào)施工支洞控制段下游（樁號(hào)：T7＋740m）進(jìn)行爆破后，對(duì)洞內(nèi)進(jìn)行了強(qiáng)制通風(fēng)；通風(fēng)大約30min后，4號(hào)施工支洞洞口出現(xiàn)大量的煙霧，洞口有明顯沼氣味（腐臭味）；再次通風(fēng)30min后，洞口無異常現(xiàn)象，現(xiàn)場(chǎng)氣體檢測(cè)人員佩戴ZYX45隔絕式壓縮氧氣自救器進(jìn)入洞內(nèi)檢測(cè)，至三岔口部位發(fā)現(xiàn)，氧氣濃度低于16%氣體報(bào)警異常后，立即撤離至洞外，因通風(fēng)時(shí)間較長，第一次檢測(cè)氧氣含量為19.7%，一氧化碳含量為8ppm，其他氣體檢測(cè)值為0；爆破12h后，檢測(cè)人員佩戴正壓式呼吸器進(jìn)洞檢查，氣體無異常，但發(fā)現(xiàn)實(shí)際爆破后的渣量比爆破設(shè)計(jì)裝藥量爆破形成渣量多，且掌子面頂拱有垮塌現(xiàn)象，經(jīng)設(shè)計(jì)、地質(zhì)、技術(shù)等專業(yè)人員現(xiàn)場(chǎng)勘查，判定存在氣體造成二次爆破現(xiàn)象。

地下工程建設(shè)過程中常遇到的有毒有害氣體成因：①煤層氣，瓦斯類氣體，主要成分以甲烷、二氧化碳、氮?dú)鉃橹?；②石油天然氣，如頁巖氣、頁巖油等；③地下礦物，如硫化物、黃鐵礦、黃銅礦等在地下水及漫長地質(zhì)演化過程中形成的以硫化氫、二氧化碳為主的氣體。將現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)查勘情況，結(jié)合工程臨近并所屬相同（近）地層的某電站長引水隧洞發(fā)生過極其嚴(yán)重的有毒氣體中毒現(xiàn)象（硫化氫引起中毒，二氧化碳引起窒息），推斷4號(hào)支洞下游的毒害氣體屬第③類成因。在固增水電站某一支洞開挖過程中，曾檢測(cè)出微量的硫化氫氣體；4號(hào)施工支洞主洞控制段下游開挖過程中選用雙閥圖層型采樣不朽鋼瓶，通過負(fù)壓式采樣，收集洞內(nèi)鉆孔作業(yè)過程中的氣體，送至專業(yè)氣體檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)并分析巖層中氣體成分，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在硫元素、碳元素。綜合分析認(rèn)為，巖層內(nèi)存在硫化氫、二氧化碳為主的有毒有害氣體，而檢測(cè)出的一氧化碳?xì)怏w主要是由于爆破產(chǎn)生的。

3 有毒有害氣體洞段施工防控技術(shù)措施

根據(jù)有毒有害氣體特性，在處置過程中遵循“稀、排、測(cè)、防”的四字方針進(jìn)行治理［2］。

“稀”就是通過確定合理的通風(fēng)方案、增加相應(yīng)的通風(fēng)設(shè)備，達(dá)到增加輸送洞內(nèi)新鮮空氣量的目的，使有毒有害氣體濃度處于安全濃度范圍內(nèi)。

“排”是防止有毒有害氣體突然釋放后濃度驟增導(dǎo)致人員死亡或在爆破過程中發(fā)生二次爆炸而采取的預(yù)防措施，通過超前探孔和排放孔，提前了解掌握未開挖洞段的巖層特性及有毒有害氣體的濃度。

“測(cè)”是在開挖及襯砌過程中通過合理的監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

“防”是以人為本，為了保證進(jìn)入隧洞內(nèi)施工人員的安全，通過教育培訓(xùn)、佩戴防護(hù)面罩以及防護(hù)服以抵制有毒有害氣體對(duì)人體的傷害，同時(shí)做好應(yīng)急撤離。

3.1 稀釋有毒有害氣體的措施

洞內(nèi)采用自然通風(fēng)及機(jī)械通風(fēng)，以保證通風(fēng)量。洞口設(shè)置55kW×2臺(tái)風(fēng)機(jī)，風(fēng)速1260m3／min，并進(jìn)行24h通風(fēng)，使洞內(nèi)出露的毒害氣體迅速稀釋。對(duì)后續(xù)開挖過程中可能存在毒害氣體的洞段，在掌子面部位增加局部通風(fēng)設(shè)備，在鉆爆臺(tái)車頂部安裝3.5kW的局部抽風(fēng)機(jī)，風(fēng)量為92m3／min，通過加大通風(fēng)量，使氣體流動(dòng)并被稀釋，防止毒害氣體局部富集造成濃度升高，同時(shí)利用鉆孔的供風(fēng)設(shè)備對(duì)掌子面進(jìn)行補(bǔ)風(fēng)，保證掌子面鉆孔以及隧洞開挖支護(hù)施工安全。

加強(qiáng)風(fēng)筒管理，風(fēng)筒吊掛平直，主支交匯處、彎頭采用硬質(zhì)帶閥門三通，消滅大小破口，減少通風(fēng)阻力和漏風(fēng)，確保風(fēng)筒出口處風(fēng)量不小于50m3／min，掌子面回風(fēng)速度不小于0.15m／s。進(jìn)風(fēng)流中，氧氣濃度不低于20%，二氧化碳濃度不超過0.5%，同時(shí)施工過程中按照要求測(cè)風(fēng)，如果測(cè)量值低于所需要的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)及時(shí)采取措施加強(qiáng)通風(fēng)。專人定期對(duì)洞內(nèi)通風(fēng)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行檢查，并做好維修保養(yǎng)記錄，負(fù)責(zé)風(fēng)機(jī)及風(fēng)管的日常維護(hù)工作，保證通風(fēng)效果［3］，若出現(xiàn)設(shè)備故障情況應(yīng)及時(shí)維修。

洞內(nèi)所有鉆孔過程中，應(yīng)安排專人用水管對(duì)鉆孔部位進(jìn)行噴灑，防止鉆孔過程中鉆頭與巖石摩擦出現(xiàn)火花將可燃?xì)怏w引爆，并對(duì)部分有毒有害氣體進(jìn)行稀釋，保證鉆孔過程中施工安全。

3.2 預(yù)排有毒有害氣體的措施

有毒有害氣體洞段掘進(jìn)按照“有掘必探，先探后掘”的原則。在地質(zhì)專業(yè)探測(cè)地質(zhì)情況并出具地質(zhì)報(bào)告的基礎(chǔ)上，在掌子面鉆設(shè)預(yù)排放孔，排放孔采用手風(fēng)鉆鉆孔，孔長根據(jù)實(shí)際情況確定，一般排放孔采用5m打設(shè)一環(huán)、預(yù)留2.5m打設(shè)下一環(huán)。排放孔采用Φ42孔，橫向間距為1m，豎向間距為1m，上下斷面排放孔間距控制在1.5m。鉆孔完成后采用便攜式檢測(cè)儀在孔口進(jìn)行檢測(cè)。如果探測(cè)孔氣體濃度超標(biāo)，則進(jìn)行超前鉆探與地質(zhì)分析相結(jié)合的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，利用SIR-3000型地質(zhì)雷達(dá)、俄羅斯TGS-360pro設(shè)備開展地質(zhì)超前預(yù)報(bào)，查明掌子面前方30m的圍巖情況。這些措施不僅為隧洞施工開挖和支護(hù)提供依據(jù)和指導(dǎo)建議，還可以判斷是否存在“氣囊”現(xiàn)象。若存在“氣囊”，可根據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)初步定位“氣囊”位置，再通過泄壓孔定向泄壓。

掘進(jìn)過程中，增加超前探孔深度及數(shù)量，提前了解掌握未開挖洞段的巖層特性及釋放的有毒有害氣體，避免有毒有害氣體在開挖過程中集中釋放，造成短期洞內(nèi)濃度過大。采用潛孔鉆QZJ-100B進(jìn)行超前物探孔施工，孔徑不小于50mm，孔深不小于20m，孔數(shù)不少于3個(gè)，特殊洞段孔數(shù)不少于5個(gè)（根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可增加）［4］。超前物探孔施工時(shí)，工作人員必須隨身攜帶有毒有害氣體檢測(cè)儀及應(yīng)急物資（防毒面具、正壓式呼吸器等），在鉆孔過程中，若發(fā)現(xiàn)存在有毒有害氣體釋放，立即通知洞內(nèi)作業(yè)人員及時(shí)撤離至洞外，防止有毒有害氣體對(duì)人員造成傷害。超前探孔布置情況見圖1～2。

圖1 常規(guī)洞段孔位布置（單位：cm）

為防止開挖線以外有毒有害氣囊的存在，開挖施工采用短進(jìn)尺、弱爆破的方式進(jìn)行爆破作業(yè)，每循環(huán)開挖控制在1.5m以內(nèi)，鉆探過程和鉆探完成后，用有毒有害氣體檢測(cè)儀器進(jìn)行檢測(cè)，探明是否存在有毒有害氣體及其濃度，并記錄和繪制有毒有害氣體濃度-里程曲線，分析掘進(jìn)前方有毒有害氣體賦存情況，指導(dǎo)掘進(jìn)施工和管理。

圖2 特殊洞段孔位布置（單位：cm）

3.3 監(jiān)測(cè)有毒有害氣體的措施

（1）采購足夠數(shù)量PGM6208（進(jìn)口）多功能氣體檢測(cè)儀（可測(cè)氮氧化合物、硫化物、碳氧化合物、可燃?xì)怏w等）或AS8900B四合一氣體檢測(cè)儀器（可測(cè)硫化氫、一氧化碳、氧氣、可燃?xì)怏w等）。

（2）采取設(shè)備和活物相結(jié)合的檢測(cè)方式，由專人進(jìn)行有毒有害氣體檢測(cè)工作。根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)、設(shè)計(jì)地質(zhì)巖層分析及經(jīng)驗(yàn)判斷，在掘進(jìn)過程中對(duì)毒害氣體隧道作業(yè)面造孔采用固定式與移動(dòng)式相結(jié)合的方式連續(xù)不斷地進(jìn)行檢測(cè)；便攜式檢測(cè)儀器固定在有毒有害氣體溢出段兩側(cè)邊墻距底板1.5m處，距離掌子面施工區(qū)域50m，并制定專人進(jìn)行巡查記錄，每30min記錄一次；帶班人員、專職檢測(cè)人員、安全員、質(zhì)檢員等攜帶6臺(tái)AS8900B四合一氣體檢測(cè)儀器，并佩戴口哨、銅鑼或射光燈；檢測(cè)員應(yīng)如實(shí)記錄檢測(cè)情況，并將檢測(cè)時(shí)間、檢測(cè)地點(diǎn)每30 min通過應(yīng)急電話匯報(bào)于洞外值班室值班人員，洞外值班員應(yīng)如實(shí)記錄，方便了解洞內(nèi)情況；洞內(nèi)掌子面施工時(shí)段，在附近進(jìn)行有毒有害氣體測(cè)試，作為參考。

（3）隧洞開挖深度較深（平均至支洞約1.1km），所有洞段爆破后通風(fēng)由原30min延長至1h。通風(fēng)時(shí)間達(dá)標(biāo)后，由氣體檢測(cè)人員手持便攜式氧氣罐或ZYX45隔絕式壓縮氧氣自救器，徒步進(jìn)洞進(jìn)行氣體檢測(cè)，檢測(cè)安全后，通過洞內(nèi)電話通知作業(yè)人員進(jìn)洞作業(yè)，洞內(nèi)爆破后必須嚴(yán)格按照“先通風(fēng)、再檢測(cè)、后作業(yè)”的方式進(jìn)行，爆破后檢測(cè)人員著防靜電服裝進(jìn)洞檢測(cè)。

（4）在鉆孔過程中，選用雙閥型不銹鋼瓶，通過負(fù)壓式采樣，收集洞內(nèi)鉆孔作業(yè)過程中氣體，送至專業(yè)氣體檢測(cè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)并分析巖層中氣體成分，為后續(xù)施工提供依據(jù)和指導(dǎo)。

（5）檢測(cè)儀器必須由專人使用、保管，按要求定期調(diào)校、保養(yǎng)維護(hù)，并建立相應(yīng)的臺(tái)賬，將儀器的使用情況、調(diào)校情況、故障情況、維修保養(yǎng)情況等逐一記錄。

3.4 防護(hù)有毒有害氣體的措施

（1）組織隧洞施工全員進(jìn)行安全教育，重點(diǎn)講解隧洞施工毒害氣體的危害及有關(guān)防護(hù)，熟悉應(yīng)急物資使用方法，保證全員了解毒害氣體的防治技術(shù)措施、組織措施、防護(hù)措施等；制定專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案，并開展全員應(yīng)急演練。

（2）認(rèn)真落實(shí)班前五分鐘活動(dòng)，所有人員進(jìn)洞必須穿防靜電服裝，嚴(yán)禁攜帶火源。

（3）把控鉆孔作業(yè)環(huán)節(jié)，嚴(yán)格控制鉆孔作業(yè)人員數(shù)量，鉆孔作業(yè)時(shí)必須保證作業(yè)面通風(fēng)良好。結(jié)合地質(zhì)雷達(dá)及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，對(duì)極可能出現(xiàn)有毒有害氣體但未開挖工作面，鉆孔作業(yè)人員、監(jiān)測(cè)人員必須佩戴ZYX45隔絕式壓縮氧氣自救器，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)洞內(nèi)氣體狀況，其他低風(fēng)險(xiǎn)洞段鉆孔作業(yè)人員、監(jiān)測(cè)人員必須攜帶ZYX45隔絕式壓縮氧氣自救器，便于及時(shí)使用。

（4）嚴(yán)抓重點(diǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行裝填炸藥，同時(shí)嚴(yán)控單個(gè)循環(huán)的開挖進(jìn)尺及爆破裝藥量。爆破作業(yè)前，確保同一個(gè)支洞三岔口上下游作業(yè)面作業(yè)人員全部撤離后，由一名爆破員在三叉口實(shí)施引爆（佩戴ZYX45隔絕式壓縮氧氣自救器），具備條件的情況下盡可能在洞外引爆。

（5）在掌子面及其附近設(shè)置應(yīng)急箱，根據(jù)情況備足個(gè)人防護(hù)設(shè)備（便攜式氧氣罐或ZYX45隔絕式壓縮氧氣自救器、唐豐防毒面罩配7號(hào)罐）。一旦檢測(cè)人員發(fā)現(xiàn)有毒有害氣體超標(biāo)，應(yīng)按照應(yīng)急預(yù)案立即暫停洞內(nèi)所有施工項(xiàng)目，組織人員撤離。撤離人員及時(shí)佩戴設(shè)置于工作面應(yīng)急包中的安全防護(hù)用品，待檢測(cè)各種有害氣體濃度降至安全標(biāo)準(zhǔn)之前，任何人員嚴(yán)禁進(jìn)入隧洞［5］。

（6）發(fā)生緊急事件必須進(jìn)行應(yīng)急處理時(shí)，進(jìn)入 人員需嚴(yán)格佩戴防毒面具，穿著防毒服，從支洞口手持便攜式檢測(cè)儀檢測(cè)洞口回風(fēng)流中的有毒有害氣體含量。當(dāng)含量在允許值范圍時(shí)，工作人員逐步進(jìn)入施工區(qū)域，待工作完畢后，及時(shí)淋浴并換洗工作服。作業(yè)人員應(yīng)學(xué)會(huì)自救互救，進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)須有人監(jiān)護(hù)。

4 結(jié) 語

有毒有害氣體在自然界廣泛存在，當(dāng)達(dá)到一定濃度后才會(huì)對(duì)人員造成損害。從上游某水電站有毒有害氣體的工程經(jīng)驗(yàn)來看，有毒有害氣體突然釋放、爆炸、燃燒一般發(fā)生在隧洞開挖爆破階段。鉆進(jìn)過程中，由于氣體沿鉆孔釋放的量有限，發(fā)生燃燒、爆炸的概率較低，施工人員在做好監(jiān)測(cè)、防護(hù)等措施的前提下，如現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)有氣體釋放跡象，應(yīng)及時(shí)撤離。本工程在長距離有毒有害氣體出露隧洞段的施工過程中采取了“稀、排、測(cè)、防”等措施，實(shí)現(xiàn)了有毒有害氣體洞段的安全施工，及隧洞的安全順利貫通。