中铁北京工程局集团第五工程有限公司 浙江杭州 311215
摘要：大临铁路红豆山隧道1号斜井施工中发生疑似高压气体暴突，造成人员伤亡。经检测发现，主要有毒有害气体为硫化氢（H2S）、二氧化硫（SO2）、二氧化碳（CO2）、氢气（H2）等气体。本文结合红豆山隧道1号斜井的施工条件和检测情况，提出了相应的有毒有害气体防治措施。
关键词：大临铁路 红豆山隧道 1号斜井 硫化氢 有毒有害气体防治措施
0.引言
大临铁路北起既有大理站，南至新建临沧站，正线全长202.095km，设计行车速度160km/h，为客货共线单线电力牵引铁路，共有新建隧道35座，总长155.692km，占正线线路总长的77.0%。全线长度大于10km的隧道共4座，总长48674m。最长隧道为林保山隧道，全长14076m。2017年6月21日位于临沧市凤庆段的红豆山隧道1号斜井发生疑似有毒有害气体暴突事故，造成6名施工人员遇难。本次事故表现为非煤系地层中气囊式疑似有害气体突然喷出灾害，在云南及全国范围内的铁路隧道建设中，尚属于首次遇到，为一种新型的自然灾害。
1.工程概况
红豆山隧道1#斜井起讫点里程X1DK1+799～X1DK0+000，全长1799m。斜井纵坡为10%的下坡。1#斜井平导长1124m，洞身纵坡同正洞，采用双车道无轨运输，内净空尺寸为7.5m（宽）×6.2m（高）。洞门端墙前设置5m挡墙，洞顶仰坡自然坡面采用锚杆框架梁防护。于坡面防护外5~8m设置天沟。
该段属高中山侵蚀、剥蚀地貌，地形起伏大，红豆山呈北东向展布，沟谷发育。上覆第四系全新人工填筑土、坡崩积碎石土、坡残积碎石土；下伏三叠系中上统变质砂岩、板岩、片岩，印支期黑云母花岗岩等。澜沧江及南汀河断裂挟持地段，岩体总体破碎，风化存在差异，区内地质构造复杂，褶皱较多，活动断裂及深大断裂发育，受构造运动的影响，基岩岩体节理、裂隙发育。为地下水及有害气体的流通、溢出及富集创造了条件。同时强烈的岩浆活动构建了区内复杂的水热活动环境，加上复杂的地层岩性，为CO2、H2S等有害气体的形成提供了良好的条件。有害气体一般均能沿节理、裂隙通道缓慢渗透、隐伏断裂及构造节理密集带等较为发育，遇有害气体的可能性较大，有害气体对隧道施工影响较大。
2.主要有害气体性质及危害
经对斜井内部和各探孔内有害气体的持续检测，发现红豆山1号斜井地层中主要有害气体为硫化氢、二氧化硫及二氧化碳。
（1）硫化氢（H2S）为无色，具有臭鸡蛋气味的可燃可爆且有剧毒的一种气体。自燃温度为260摄氏度，可爆范围为体积百分比4.3%~46%。地下洞室中硫化氢气体对工程和人最大的危害是它的剧毒性，对人体的毒害可以由慢性中毒到急性中毒死亡，同时，H2S可溶于水，腐蚀混凝土和钢材。
（2）二氧化硫（SO2）为无色、有硫燃烧的刺激性气味且有毒性的气体。其中毒表现为咳嗽、打喷嚏、眼部刺激和胸痉挛。
（3）高浓度二氧化碳（CO2）对人的中枢神经系统有麻醉作用，中毒表现为头疼、头晕、注意力不集中等特征。
3.有害气体防治措施
3.1超前预报方法
1.地震波反射法（TSP法）：
隧道地震波反射地质预报（Tunnel Seismic Prediction，简称TSP）和其它反射地震波方法一样，以波的传播、反射原理为基础。利用人工激发的地震波在不均匀地质体中所产生的反射波特性来预报隧道开挖工作面前方的地质情况。以对掌子面前方100m左右范围内的构造、节理裂隙密集带、花岗岩蚀变带、岩脉等在隧道内的大致位置和规模进行探测，初步判断隧道内有毒有害气体可能集中逸出的具体重点里程位置，一般每100m施作一次，当有异常情况时适当加密测试频率，连续预报时前后两次应重叠10m以上。
2.地质雷达法：
利用地质雷达电磁波在隧道开挖工作面前方岩体中的传播及反射，根据传播速度和反射脉冲波走时进行超前地质预报。一般探测前方距离约10～30m。连续预报时前后两次重叠长度应在5m以上。
3.超前钻探法：
在地质调查法和物探法超前地质预报实施的基础上，对发现的不良地质体、物探异常部位重点进行超前钻探（含超前地质钻孔、加深炮孔）法验证，进一步探测掌子面前方不良地质情况，监测、检测孔口是否有有毒有害气体溢出，观察钻探时是否存在气动力现象，初步判断隧道是否存在有毒有害气体。超前钻探采用YC920B型露天潜孔钻施做或进口C6钻机施做，以便观察是否有气体溢出现象。打钻气动力现象是指钻孔过程中大量的瓦斯、煤浆、煤粉、水从钻孔中喷出（喷孔、喷水）或高压气体将钻杆向外推（顶钻）、夹钻、抱钻、顶水等现象。
加深炮孔探测：利用风钻或凿岩台车等在隧道开挖工作面钻小孔径浅孔获取地质信息。加深炮孔长度应较循环进尺深3m以上。当加深炮孔探测存在异常情况时，结合预测结果判释，应加密加深炮孔进行探测，必要时增加径向探孔，探测深度不小于5m。
超前地质钻孔探测：利用YC920B型露天潜孔钻或进口C6钻机在隧道开挖工作面进行钻探获取地质信息。一般探测孔25m一个循环，单孔长度为30m左右，相邻探测孔之间的搭接长度为5m。当超前地质钻孔存在异常情况时，结合预测结果判释，可加密钻孔或加深钻孔。（图1：超前钻孔施工中）
图1 超前钻孔施工中
3.2气体监测
自动监测：有害气体自动监测系统各探头自动采集数据，传输至洞口值班室电脑中显示、记录、分析、保存。每天对全天的浓度、风速的平均值、最大值进行计算，自动控制，自动监测数据全部保存。手持检测设备，按交接班检、过程检及一炮三检制进行控制，检测结果纳入洞口台账管理。
人工监测：每日当班前及装药爆破前后对洞内空气、粉尘浓度、主要有害气体及各探孔孔内密闭气压和有害气体浓度等进行人工监测，须符合规范值内，一旦发现工作环境中有害气体异常情况须立即撤离所有工作人员。
图3 检测人员对径向探孔有害气体及压力进行检测
3.3洞内通风
加强通风工作可以有效降低有害气体浓度，是防治有害气体积聚的最有效的手段，可以大大改善洞内施工环境。本工程采用2台2×132KW轴流式通风机及1台SJFJ-100台射流风机进行洞内通风。保持掌子面工作环境最低风速为1m/s。
3.4洞内喷水
红豆山1号斜井所贯穿地层主要有害气体为硫化氢。根据硫化氢可溶于水和酸性的特点，对洞室内硫化氢浓度较高的部位可以采用生石灰水进行喷洒。由于生石灰的碱性，生石灰水既可以中和H2S（酸性气体），又可以借助水来溶解硫化氢气体。在斜井内不同部位也要预备多个盛有生石灰水的水桶，以备突发情况下及时对洞内空气中进行喷洒，降低浓度。必要时，可采用雾炮机进行喷洒生石灰水。
图4 施工人员对掌子面进行喷水稀释
3.5水、气封堵与排放
借鉴在建成兰线跃龙门隧道水、气封堵与排放方案，结合本线自身特点，本线地下水及有害气体治理总原则为“以堵为主、余量专排、治水防气、安全可控”，按此原则作设计预案。
极高度和高度危险区域采用径向注浆封堵围岩裂隙，以达到堵气的目的，地下水、有害气体余量集中引排，洞外分离。中度和低度危险区域地下水、有害气体集中引排，洞外分离。
地下水、有害气体的封堵主要考虑如下措施：
（1）极高度和高度危险区域在开挖后对围岩进行全环径向注浆，封堵地下水及气体溢出裂隙，尽量减少气体涌出。对探明前方地下水富集，有害气体涌出量大时，可采用超前帷幕、周边注浆等方式进行预封堵。
（2）极高度和高度危险区域衬砌初期支护与二次衬砌之间设置瓦斯隔离板。
（3）二次衬砌拱部、边墙及仰拱混凝土抗渗等级不低于P12。
（4）初期支护及二次衬砌采用气密混凝土，喷射混凝土掺加气密剂后，透气系数不应大于10-10cm/s，模筑混凝土掺加气密剂后，透气系数不应大于10-11cm/s。
水、气集中排放：
集中引排方案主要为封闭式引排，即地下水及有害气体气体均不暴露，封闭引排通过环向盲管及纵向盲管将地下水及气体引入洞内，并防止有害气体逸散，接口应进行封闭处理。维持既有排水系统不变，将地下水引入洞内经防渗防漏处理的侧沟内，并排除洞外。
图4 水气集中封闭处理-水沟密封处理示意图
4.结论
非煤系隧道有害气体溢出位置的不确定性、随机性和有害气体的复杂性，决定了制定非煤系隧道有害气体防护措施的困难度和重要性。做好防护措施，最重要的和首要的是要做好超前预报和施工条件预防措施：
（1）施工单位要认真对待超前预报工作，施工合理的超前钻孔、加深炮孔及径向探孔；
（2）施工单位要认真做好有害气体检测工作，或委托专业检测单位进行协助检测工作；
（3）隧道内必须保证有效的通风条件；
（4）创造低风险的施工条件，隧道内禁止明火，使用防静电装置，充分预备有毒有害气体防护器具和灭火设备。
论文作者:韩杨军
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年3期
论文发表时间:2019/6/5
标签：气体论文; 有害论文; 隧道论文; 斜井论文; 超前论文; 硫化氢论文; 地质论文; 《建筑学研究前沿》2019年3期论文;