超長水工隧洞有毒有害氣體施工防控技術

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見因素較多，有毒有害氣體是其中之一，一旦對有毒有害氣體監測不及時或采取的防治措施不當，就會給施工生產和人員生命安全造成極大的危害［1］，因此在施工中對有毒有害氣體的監測和防治是非常重要的。本文結合固增水電站發生巖層中“氣囊”（空腔）二次爆破現象，初步分析有毒有害氣體的成因并重點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”開發方案中的第五級，位于四川省木里縣固增鄉，為低閘引水式電站，由首部樞紐、引水系統、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。

引水隧洞地質結構變化頻繁復雜，主要地質巖性由薄層～極薄層板巖、炭質頁巖、中厚層變質石英砂巖、薄層～極薄層石英砂巖、鈣質板巖、炭質板巖、硅質板巖、千枚化板巖、鈣泥質板巖夾千枚巖、薄層灰巖夾板巖等組成，部分洞段巖性由沖洪積塊碎石土組成。

自撒洼溝至915林場加油站對面沖溝段的地層巖性為奧陶系下統人工組的變質石英砂巖夾板巖。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條件；從巖體結構面狀況來看，具備形成氣體儲存空間“氣囊”的地質構造。

2 氣體爆炸情況及有毒有害氣體產生原因

4號施工支洞控制段下游（樁號：T7＋740m）進行爆破后，對洞內進行了強制通風；通風大約30min后，4號施工支洞洞口出現大量的煙霧，洞口有明顯沼氣味（腐臭味）；再次通風30min后，洞口無異常現象，現場氣體檢測人員佩戴ZYX45隔絕式壓縮氧氣自救器進入洞內檢測，至三岔口部位發現，氧氣濃度低于16%氣體報警異常后，立即撤離至洞外，因通風時間較長，第一次檢測氧氣含量為19.7%，一氧化碳含量為8ppm，其他氣體檢測值為0；爆破12h后，檢測人員佩戴正壓式呼吸器進洞檢查，氣體無異常，但發現實際爆破后的渣量比爆破設計裝藥量爆破形成渣量多，且掌子面頂拱有垮塌現象，經設計、地質、技術等專業人員現場勘查，判定存在氣體造成二次爆破現象。

地下工程建設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、氮氣為主；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演化過程中形成的以硫化氫、二氧化碳為主的氣體。將現場地質查勘情況，結合工程臨近并所屬相同（近）地層的某電站長引水隧洞發生過極其嚴重的有毒氣體中毒現象（硫化氫引起中毒，二氧化碳引起窒息），推斷4號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，曾檢測出微量的硫化氫氣體；4號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，通過負壓式采樣，收集洞內鉆孔作業過程中的氣體，送至專業氣體檢測機構檢測并分析巖層中氣體成分，經檢測發現存在硫元素、碳元素。綜合分析認為，巖層內存在硫化氫、二氧化碳為主的有毒有害氣體，而檢測出的一氧化碳氣體主要是由于爆破產生的。

3 有毒有害氣體洞段施工防控技術措施

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

“稀”就是通過確定合理的通風方案、增加相應的通風設備，達到增加輸送洞內新鮮空氣量的目的，使有毒有害氣體濃度處于安全濃度范圍內。

“排”是防止有毒有害氣體突然釋放后濃度驟增導致人員死亡或在爆破過程中發生二次爆炸而采取的預防措施，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”是在開挖及襯砌過程中通過合理的監測方案進行監測。

“防”是以人為本，為了保證進入隧洞內施工人員的安全，通過教育培訓、佩戴防護面罩以及防護服以抵制有毒有害氣體對人體的傷害，同時做好應急撤離。

3.1 稀釋有毒有害氣體的措施

洞內采用自然通風及機械通風，以保證通風量。洞口設置55kW×2臺風機，風速1260m3／min，并進行24h通風，使洞內出露的毒害氣體迅速稀釋。對后續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設備，在鉆爆臺車頂部安裝3.5kW的局部抽風機，風量為92m3／min，通過加大通風量，使氣體流動并被稀釋，防止毒害氣體局部富集造成濃度升高，同時利用鉆孔的供風設備對掌子面進行補風，保證掌子面鉆孔以及隧洞開挖支護施工安全。

加強風筒管理，風筒吊掛平直，主支交匯處、彎頭采用硬質帶閥門三通，消滅大小破口，減少通風阻力和漏風，確保風筒出口處風量不小于50m3／min，掌子面回風速度不小于0.15m／s。進風流中，氧氣濃度不低于20%，二氧化碳濃度不超過0.5%，同時施工過程中按照要求測風，如果測量值低于所需要的標準，應及時采取措施加強通風。專人定期對洞內通風設備運行情況進行檢查，并做好維修保養記錄，負責風機及風管的日常維護工作，保證通風效果［3］，若出現設備故障情況應及時維修。

洞內所有鉆孔過程中，應安排專人用水管對鉆孔部位進行噴灑，防止鉆孔過程中鉆頭與巖石摩擦出現火花將可燃氣體引爆，并對部分有毒有害氣體進行稀釋，保證鉆孔過程中施工安全。

3.2 預排有毒有害氣體的措施

有毒有害氣體洞段掘進按照“有掘必探，先探后掘”的原則。在地質專業探測地質情況并出具地質報告的基礎上，在掌子面鉆設預排放孔，排放孔采用手風鉆鉆孔，孔長根據實際情況確定，一般排放孔采用5m打設一環、預留2.5m打設下一環。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儀在孔口進行檢測。如果探測孔氣體濃度超標，則進行超前鉆探與地質分析相結合的超前地質預報，利用SIR-3000型地質雷達、俄羅斯TGS-360pro設備開展地質超前預報，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提供依據和指導建議，還可以判斷是否存在“氣囊”現象。若存在“氣囊”，可根據地質預報初步定位“氣囊”位置，再通過泄壓孔定向泄壓。

掘進過程中，增加超前探孔深度及數量，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，造成短期洞內濃度過大。采用潛孔鉆QZJ-100B進行超前物探孔施工，孔徑不小于50mm，孔深不小于20m，孔數不少于3個，特殊洞段孔數不少于5個（根據現場實際情況可增加）［4］。超前物探孔施工時，工作人員必須隨身攜帶有毒有害氣體檢測儀及應急物資（防毒面具、正壓式呼吸器等），在鉆孔過程中，若發現存在有毒有害氣體釋放，立即通知洞內作業人員及時撤離至洞外，防止有毒有害氣體對人員造成傷害。超前探孔布置情況見圖1～2。

圖1 常規洞段孔位布置（單位：cm）

為防止開挖線以外有毒有害氣囊的存在，開挖施工采用短進尺、弱爆破的方式進行爆破作業，每循環開挖控制在1.5m以內，鉆探過程和鉆探完成后，用有毒有害氣體檢測儀器進行檢測，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，分析掘進前方有毒有害氣體賦存情況，指導掘進施工和管理。

圖2 特殊洞段孔位布置（單位：cm）

3.3 監測有毒有害氣體的措施

（1）采購足夠數量PGM6208（進口）多功能氣體檢測儀（可測氮氧化合物、硫化物、碳氧化合物、可燃氣體等）或AS8900B四合一氣體檢測儀器（可測硫化氫、一氧化碳、氧氣、可燃氣體等）。

（2）采取設備和活物相結合的檢測方式，由專人進行有毒有害氣體檢測工作。根據地質雷達、設計地質巖層分析及經驗判斷，在掘進過程中對毒害氣體隧道作業面造孔采用固定式與移動式相結合的方式連續不斷地進行檢測；便攜式檢測儀器固定在有毒有害氣體溢出段兩側邊墻距底板1.5m處，距離掌子面施工區域50m，并制定專人進行巡查記錄，每30min記錄一次；帶班人員、專職檢測人員、安全員、質檢員等攜帶6臺AS8900B四合一氣體檢測儀器，并佩戴口哨、銅鑼或射光燈；檢測員應如實記錄檢測情況，并將檢測時間、檢測地點每30 min通過應急電話匯報于洞外值班室值班人員，洞外值班員應如實記錄，方便了解洞內情況；洞內掌子面施工時段，在附近進行有毒有害氣體測試，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由原30min延長至1h。通風時間達標后，由氣體檢測人員手持便攜式氧氣罐或ZYX45隔絕式壓縮氧氣自救器，徒步進洞進行氣體檢測，檢測安全后，通過洞內電話通知作業人員進洞作業，洞內爆破后必須嚴格按照“先通風、再檢測、后作業”的方式進行，爆破后檢測人員著防靜電服裝進洞檢測。

（4）在鉆孔過程中，選用雙閥型不銹鋼瓶，通過負壓式采樣，收集洞內鉆孔作業過程中氣體，送至專業氣體檢測機構檢測并分析巖層中氣體成分，為后續施工提供依據和指導。

（5）檢測儀器必須由專人使用、保管，按要求定期調校、保養維護，并建立相應的臺賬，將儀器的使用情況、調校情況、故障情況、維修保養情況等逐一記錄。

3.4 防護有毒有害氣體的措施

（1）組織隧洞施工全員進行安全教育，重點講解隧洞施工毒害氣體的危害及有關防護，熟悉應急物資使用方法，保證全員了解毒害氣體的防治技術措施、組織措施、防護措施等；制定專項應急預案，并開展全員應急演練。

（2）認真落實班前五分鐘活動，所有人員進洞必須穿防靜電服裝，嚴禁攜帶火源。

（3）把控鉆孔作業環節，嚴格控制鉆孔作業人員數量，鉆孔作業時必須保證作業面通風良好。結合地質雷達及超前地質預報，對極可能出現有毒有害氣體但未開挖工作面，鉆孔作業人員、監測人員必須佩戴ZYX45隔絕式壓縮氧氣自救器，并實時監測洞內氣體狀況，其他低風險洞段鉆孔作業人員、監測人員必須攜帶ZYX45隔絕式壓縮氧氣自救器，便于及時使用。

（4）嚴抓重點作業環節，嚴格按照設計要求進行裝填炸藥，同時嚴控單個循環的開挖進尺及爆破裝藥量。爆破作業前，確保同一個支洞三岔口上下游作業面作業人員全部撤離后，由一名爆破員在三叉口實施引爆（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置應急箱，根據情況備足個人防護設備（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號罐）。一旦檢測人員發現有毒有害氣體超標，應按照應急預案立即暫停洞內所有施工項目，組織人員撤離。撤離人員及時佩戴設置于工作面應急包中的安全防護用品，待檢測各種有害氣體濃度降至安全標準之前，任何人員嚴禁進入隧洞［5］。

（6）發生緊急事件必須進行應急處理時，進入 人員需嚴格佩戴防毒面具，穿著防毒服，從支洞口手持便攜式檢測儀檢測洞口回風流中的有毒有害氣體含量。當含量在允許值范圍時，工作人員逐步進入施工區域，待工作完畢后，及時淋浴并換洗工作服。作業人員應學會自救互救，進入施工現場須有人監護。

4 結 語

有毒有害氣體在自然界廣泛存在，當達到一定濃度后才會對人員造成損害。從上游某水電站有毒有害氣體的工程經驗來看，有毒有害氣體突然釋放、爆炸、燃燒一般發生在隧洞開挖爆破階段。鉆進過程中，由于氣體沿鉆孔釋放的量有限，發生燃燒、爆炸的概率較低，施工人員在做好監測、防護等措施的前提下，如現場發現有氣體釋放跡象，應及時撤離。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、防”等措施，實現了有毒有害氣體洞段的安全施工，及隧洞的安全順利貫通。