深埋長隧洞有害氣體形成條件及安全施工對策

劉國平 李立民 肖瑜

摘要：針對秦嶺隧洞嶺北TBM施工中存在的有害氣體逸出現象，為預防和減輕有害氣體對施工進程和人員設備安全的不利影響，在現場調查和參閱國內外文獻的基礎上，通過開展現場氣體濃度檢測、巖（氣）樣采集等，結合室內巖石樣品的微觀鑒定、電鏡掃描及巖（氣）體樣品的能（色）譜分析等綜合手段，分析了秦嶺隧洞有害氣體發生的地質特征和形成條件，提出了針對性強的施工處理措施，以控制有害氣體濃度符合安全施工標準。結果表明：隧洞區內巖體構造結構面發育，有害氣體是從其他深部區域沿構造裂隙等通道運移而逸出;秦嶺隧洞逸出的有害氣體為烷類氣體，主要成分為甲烷;建立健全安全監測系統、優化通風系統可以有效減輕有害氣體的影響。

關鍵詞：有害氣體;形成條件;施工對策;秦嶺隧洞

中圖分類號：TV513 文獻標志碼：A

超長深埋隧洞具有延伸長、埋深大、地質條件復雜等特點，在施工過程中常常伴隨巖爆、高地溫、突涌水等諸多地質災害問題[1]，其中掘進過程中有害氣體的產生和積聚日益引起設計和施工人員的重視[2]。隧洞內施工空間狹小，有害氣體的出現不僅會給人員和設備帶來極大危害，而且因其突然噴出、燃燒或爆炸等急劇惡化隧洞施工條件，容易引發安全事故。

國內許多學者針對隧洞工程有害氣體開展了相應研究。黃潤秋等[3]對深埋長隧道有害氣體發生的地質條件進行過探討研究;李斐等[4]對杭州地鐵1號線彭埠站一建華站區間盾構隧道下穿有害氣體土層工程設計進行了研究;張玉偉等[5]研究了壓入式通風模式下高原隧道有害氣體的分布特征;陳廣峰等[6]分析了杭州地鐵隧道有害氣體的危害及防治對策;楊曼等[7]對季家坡隧道易燃氣體進行了監測分析;何財基等[8-11]對隧道有害氣體成因及濃度進行了分析并提出了相應的處置措施。

陜西省引漢濟渭工程秦嶺隧洞貫穿秦嶺山脈，全長98.3km，最大埋深2012m，屬超長深埋隧洞。2018年2月23日，在秦嶺隧洞嶺北TBM（tunnel boring ma-chine，巖石掘進機）段施工過程中，首次發現有害氣體逸出，隧洞區有害氣體的賦存有別于含煤、油氣等地區，其巖類主要為變質巖和巖漿巖，無沉積巖分布。而目前在秦嶺地區乃至全國，尚無敞開式硬巖掘進機穿越有害氣體施工的實例。判別有害氣體出現的地質條件，分析有害氣體成分，從而提出有效預防和應對措施，對保證人員和設備安全、杜絕安全事故的發生具有重要意義。筆者通過收集現場第一手資料，對秦嶺隧洞有害氣體的特征、形成原因進行分析研究，開展了現場氣體成分濃度測試、工作面巖石樣品電鏡掃描及巖（氣）體樣品能（色）譜等分析，初步掌握了秦嶺隧洞有害氣體的發生特征和形成原因，并提出了預防和治理措施。

1 有害氣體和巖樣測試分析

1.1 有害氣體發生情況

2018年2月23日凌晨3時25分，嶺北TBM施工至樁號K47+912.7處，TBM護盾尾部左下側位置巖體縱向節理縫隙有不明可燃氣體逸出，逸出氣體被拱架支護作業中掉落的焊渣引燃，火焰高度45cm，沿節理面縱向長度95cm。現場立即將火焰撲滅，通過便攜式氣體檢測儀檢測（檢測儀器傳感器對著原著火點）發現，逸出氣體主要為甲烷和一氧化碳，現場立即關閉電源并撤離所有人員，只保留風機持續運行。

1.2 有害氣體測試

采用色譜儀對經裂隙逸出的有害氣體進行了成分測試。測試結果表明，有害氣體主要成分為CH₄、N₂，含有少量C₂H₆、CO₂，以及微量CO。受氣相色譜儀測試范圍影響，不排除存在其他未測定氣體的可能性，如C₃H₈、C₃H₆、SO₂等，但含量甚微。

分別在K47+919.5（氣體逸出裂隙）、K47+939.4（仰拱氣體逸出冒泡）、掘進工作面三處不同位置采用CFB-10型負壓氣體采樣器和氣體采樣袋收集現場樣本氣體，借助GC-2120型氣相色譜儀測試樣本氣體中O₂、N₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂等成分濃度，采用GC-3430型氣相色譜儀對H₂S氣體濃度進行專項檢測。現場及實驗室氣體濃度檢測結果見表1、表2。

1.3 巖樣測試

為了分析確定可燃性氣體來源，自嶺北TBM護盾掘進工作面采集巖樣，通過場發射掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀對巖樣表面結構和巖樣成分進行測試鑒定分析。

圖1為巖樣顯微結構。可以看出，巖樣為變質砂巖，黑綠色一黑灰色，極為細膩，顯微鏡下巖樣孔隙結構不發達，無明顯礦物晶體顆粒，以碎屑礦物為主，石英較多，含有黑云母、綠泥石和碳酸鹽礦物，少數膠結物為硅質物，副礦物有鈉一斜黝簾石、黃鐵礦等，具有明顯的流動渦卷現象，主要表現為塊狀構造，層狀構造不明顯，中細粒變晶結構，宏觀顯示變質巖特征，變質以后顆粒邊緣有重結晶現象。該樣品局部發現有機物儲存或穿行殘留印記存在。圖2為巖樣的能譜分析結果。由圖2可以看出，試驗巖樣中Si、Al元素含量較高，結合磨片判定樣品屬于淺變質巖類。

2 形成條件分析

隧洞所處的巖性條件是決定有無有害氣體的基礎。有害氣體主要分布于中硬巖及富含有機質等特殊成分的巖層內，如含煤層、含炭質、含油層、瀝青質巖層等富集有害氣體的地層，堅硬巖的巖質致密，具有低透氣性和滲透率低的特點，巖石本身賦存氣體的能力很差。

根據現場勘探測試及巖性、巖石類型與成因分析，嶺北TBM護盾掘進工作面隧洞巖樣為變質砂巖，屬淺變質巖，為沉積成因的砂巖經過變質作用形成，巖質堅硬，肉眼觀察孔隙結構不發達，透氣性差，不具備賦存有害氣體的條件，探測到的可燃性氣體為隧洞更深部其他巖體、構造帶、裂隙帶等賦存氣體，受隧洞施工的影響，以游離態形式經節理裂隙導通氣流通道，自掘進工作面及洞壁四周基巖裂隙中逸出。

洞址區巖性有變質巖類如千枚巖、炭質千枚巖、石英片巖、炭質片巖、云母片巖、變粒巖、石英巖、片麻巖、大理巖、變質砂巖等，巖漿巖類如花崗巖、花崗閃長巖、閃長巖等，多數為堅硬巖，少數為中硬巖，局部夾有少量軟質巖，TBM施工段穿越的地層巖性主要有石英片巖、千枚巖、含炭質千枚巖、變質砂巖等，目前施工揭露的含炭質千枚巖位于泥盆系下統羅漢寺組和石炭系下統二峪河組地層中。有害氣體涉及地層巖性為泥盆系中上統劉嶺群青石婭組變質砂巖，補充勘察中發現臨近有害氣體逸出點的泥盆系上統劉嶺群桐峪寺組含有炭質千枚巖，具備賦存有害氣體的巖性條件。

有害氣體的賦存不僅與隧洞所處的巖性及巖石的礦物組成有關，還與其地質構造密切相關。有害氣體形成的地層巖性條件具備后，能否造成危害還取決于一定的富集、儲存條件。最適合有害氣體儲集的是背斜構造（或穹隆構造），此外，斷裂帶尤其是深部巖體斷裂帶、節理裂隙發育帶、活動火山活動源處或劇烈的地表活動區也是有害氣體運移和富集的場所。秦嶺隧洞嶺北TBM施工段斷裂構造發育，勘察中共發現14條斷層，目前已施工揭露驗證了13條斷層，同時還新發現了7條次生小斷層和多處節理裂隙發育帶，這為有害氣體的運移和富集提供了良好的通道。

3 應對措施

3.1 施工通風

經分析，有害氣體主要為甲烷，施工期主要按照瓦斯安全進行應對。隧洞施工通風是排煙除塵和稀釋有害氣體的主要手段，是保證施工安全的重要前提，因此隧洞施工期間需根據瓦斯檢測結果進行不間斷通風。敞開式TBM通風系統主要包括除塵風機和新鮮空氣供風機，針對TBM工作面高濃度瓦斯，利用除塵風機抽出有害氣體并增大新鮮空氣供風量，采用抽壓結合的隧道通風方法來降低開挖工作面瓦斯濃度至1%以下。為掌握瓦斯在風流中的分布規律，利用FLUENT軟件對瓦斯濃度分布進行數值模擬，分析新鮮空氣進風量對洞內瓦斯濃度的影響。

3.1.1 數學模型

依據現場測試結果，瓦斯由TBM開挖工作面7點方向涌出，則通風稀釋瓦斯的過程包括空氣與瓦斯紊流擴散。瓦斯紊流擴散的數學模型控制方程為連續性方程、動量方程、能量方程及組分運輸方程。紊流模型采用雙方程k-ε紊流模型，其中瓦斯組分質量守恒方程為式中：ρ為瓦斯密度;c_s為瓦斯的體積濃度;u為流速;t為時間;D_s為瓦斯的擴散系數;S_s為單位時間內單位體積通過化學反應所產生的瓦斯質量;grad為梯度函數;div為散度函數。

3.1.2 幾何模型及網格劃分

根據嶺北敞開式TBM開挖實際情況，建立隧道幾何模型。TBM機身段長200m，斷面直徑為8m;除塵風管與新鮮風管直徑為0.9m，對稱布置于隧道兩側。模擬建立TBM主體結構，用于模擬粉塵在TBM掘進中的擴散效果。采用四面體網格，對三維數值計算模型進行網格劃分，網格邊長為0.5m，風管網格加密，邊長為0.1m，幾何模型網格劃分情況如圖3所示。

3.1.3 邊界條件的確定

基本計算邊界條件如下：①除塵風管與新鮮風管均設為速度入口（velocity-inlet）;②TBM機身尾部設為壓力出口（pressure-outlet），保持Gauge pressure為0，即環境氣壓為1個大氣壓;③瓦斯溢出部位設為速度人口（velocity-inlet），設置velocity magnitude為10m/s，瓦斯溢出初始濃度為14%;④隧道壁面及風管管壁邊界類型均為固壁邊界（wall），且滿足無滑移條件。

3.1.4 結果分析

嶺北TBM施工通風布置情況如下：除塵風管與新鮮風管在隧道豎向位于中間位置，在隧道橫向對稱布置且風管壁距兩側洞壁均為0.3m，在隧道縱向風管口距離工作面均為10m，除塵風機吸風口風速為10m/s，新鮮風管送風風速為5、10、15、20m/s，模擬計算通風30min后4種供風量下瓦斯濃度分布情況，其中沿縱向隧道中間斷面的瓦斯濃度分布如圖4所示。

由圖4可知，在TBM施工瓦斯隧道時，利用除塵風管吸風，采用抽壓結合的通風方式能夠明顯降低工作面附近的瓦斯濃度。由工作面前方圍巖節理裂隙產生的瓦斯，一部分直接被除塵風管吸走，一部分隨壓入的新鮮風流向TBM尾部擴散。送風風速越大，瓦斯濃度大于1.0%的危險區域越小，聚集在TBM隧道上方的瓦斯量越小。

由數值模擬結果可知，送風速度為20m/s時，有利于降低工作面瓦斯濃度，施工通風設置能夠達到此風速，因此僅關注送風速度為20m/s的濃度變化曲線。將現場瓦斯濃度測試結果與送風風速為20m/s的瓦斯擴散數值模擬結果進行比較，如圖5所示。由圖5可知，未通風時TBM工作面甲烷濃度較高，隨著時間的增加甲烷濃度迅速降低，在通風20min后甲烷濃度較小且趨于平穩，通風30min后甲烷濃度均在規范限值以下。圖5中實測值與計算值存在差異，原因主要為嶺北TBM機內部結構復雜，機身對隧道通風有一定的阻礙作用，模擬計算簡化了TBM機身結構，因此數值計算中隧道內甲烷濃度受通風影響更為明顯，濃度隨時間下降更快。

3.2 治理措施

對隧洞通過該特殊構造區段進行專項設計：①K47+912.7-K47+960段圍巖類別由Ⅳ類調整為Ⅲ類[1z];②受巖爆影響，同時考慮限制有害氣體排放，防止坍塌掉塊引起新的排放通道，該段采用H125型鋼鋼架支護，間距1榀/90cm;③拱墻錨桿及噴射混凝土按Ⅳ類圍巖進行設計，局部破碎段鋼筋網調整為鋼筋排;④拱墻二次襯砌混凝土強度等級調整為C35;⑤該段初噴及二次襯砌混凝土中摻加氣密劑，要求摻用氣密劑后，噴混凝土透氣系數不大于10^-10cm/s，模筑混凝土透氣系數不大于10^-11cm/s;⑥對K47+912.7-K47+940.4段有害氣體集中逸出點進行局部封堵，減小逸出量及逸出速度;⑦現場增加小型防爆扇，防止有害氣體局部聚集，在主洞交叉口增加一臺接力風機，保證新鮮風供應。

4 結論

（1）經現場及室內樣品分析測定，秦嶺隧洞逸出的有害氣體為烷類氣體，主要成分為甲烷。秦嶺隧洞洞室埋深大，具有良好的儲存封閉條件，易形成地下有害氣體積聚;區內受構造作用影響嚴重，巖體中構造結構面發育，具備形成氣體游離及運移的良好通道;逸出的有害氣體從其他深部區域沿構造裂隙等通道運移而來。

（2）建立健全安全監測系統，重點對電氣設備、有害氣體逸出點、人員密集區、施工掌子面等進行監測，監測對象為CH₄、CO、CO₂、H₂S等有毒有害氣體，特別是瓦斯氣體輕，易于積存于洞室的上部空間，要引起足夠的注意。利用除塵風機抽出有害氣體并增大新鮮空氣供風量，采用抽壓結合的隧道通風方法，可以有效降低開挖工作面瓦斯濃度。

（3）初期在出現有害氣體逸出的裂隙處測得瓦斯濃度最高達17%，并在衰減，經過局部封堵和加強洞內通風后，作業環境內有害氣體濃度均處于有關規范[13-15]安全施工的限值以下。

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