四川省阿壩州某水電站引水隧洞有害氣體特征及防治措施研究

唐濤 蘇培東 朱大鵬 謝鵬程 李有貴

摘要：

為研究隧洞施工中瓦斯爆炸的防治措施，依托四川省阿壩州某水電站引水隧洞工程，利用地質測繪、現場檢測等手段對5號支洞進行了有害氣體檢測。結果表明：5號支洞有害氣體成分以CH 4為主，含少量H 2S；有害氣體主要聚集在背斜和壓扭性逆斷層等地質構造的節理裂隙發育地段。根據該工程及有害氣體特征，提出以通風為主，動態管理、超前地質預報、檢測與監測等手段相結合的針對性防治措施。研究成果可為川西高原地區類似隧洞工程安全建設提供參考。

關鍵詞：

引水隧洞； 瓦斯爆炸； 有害氣體； 防治措施； 川西高原

中圖法分類號：TV672.1；TD713

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.005

文章編號：1006-0081（2023）05-0032-06

0 引 言

世界各地的隧洞工程施工中發生過多起瓦斯災害事故，如彭州市鳳鳴橋水電站引水隧洞瓦斯噴出［1］、貴州畢節市水打橋隧洞瓦斯突出［2］、新疆呼圖壁河石門水電站引水隧洞瓦斯燃燒［3］，以及東京都輸水管道工程［4］、伊斯坦布爾Selimpasa污水隧道［5］和土耳其Silvan灌溉隧道［6］等工程的瓦斯事故。以上引水隧道瓦斯爆炸事故均造成了極大的人員傷亡和財產損失。

目前對于引水隧洞有害氣體的研究主要集中在有害氣體成因和運移規律［7-9］、檢測和防治措施［10-14］等方面，對于隧洞有害氣體特征的分析研究則少有涉及。本文以阿壩州某水電站引水隧洞5號支洞為依托，結合工程地質條件，分析了現場調查和檢測結果，研究了隧洞的有害氣體特征，提出了針對性的瓦斯防治措施。研究成果可為該地區類似隧洞工程的施工提供借鑒。

1 工程背景

阿壩州某水電站位于四川省阿壩州壤塘縣和金川縣境內。該水電站設計有引水隧洞，引水隧洞起于壤塘縣蒲西鄉水電站壩區，止于金川縣二嘎里鄉，全長約22 km。為了方便引水隧洞的施工，在隧道的中部設有4個支洞（勘探平硐），分別為2號勘探平硐、4號勘探平硐、5號勘探平硐、6號勘探平硐，各支洞分布示意如圖1所示。除第四系外，區內僅出露三疊系上統侏倭組，中統雜谷腦組地層。隧址區內主要褶皺為上寨倒轉復背斜，規模較大的斷裂為二嘎里壓扭性逆斷層［14］。4號支洞到5號支洞附近的礦區內主要出露斯約武、納合兩巖體。斯約武巖體分布于本區以北，納合巖體出露在工作區南端，均為燕山早期侵入巖體。

2 研究方法

2.1 現場調查

2.1.1 現場地質調查

根據現場地質調查可知，區內地層顏色以深灰色-黑色為主，含有炭質（圖2）。研究區內侏倭組與雜谷腦組地層具有一定的生烴能力，其產生的有害氣體可能會對隧洞施工造成危害。

2.1.2 現場瓦斯爆炸情況

該水電站引水隧洞5號支洞洞內正常爆破施工時已出現2次不明氣體大沖擊波的破壞情況。

（1） 第一次瓦斯爆炸事故。2021年7月8日晚，掌子面K0+542.1爆破施工起爆時，爆破聲音和氣浪沖擊波異常大，洞口告示牌被氣浪震倒，且洞口值班室的玻璃、洞口上方隧洞銘牌、風帶及洞口停置的挖機、裝載機玻璃全部被震壞。在之后的施工過程中加大了隧洞內通風量和通風時間，但工人不時會出現惡心嘔吐情況。

（2） 第二次瓦斯爆炸事故。2021年10月28日晚，在掌子面K0+914.2補炮過程中再次出現瓦斯爆炸，且起爆時爆破聲音和氣浪沖擊波造成的損毀情況比第一次瓦斯爆炸更嚴重，固定機具被氣浪掀翻，洞口處的標語標識牌也被氣浪破壞并沖至317國道下方。在后續圍巖封閉過程中，有工人出現不明原因的惡心嘔吐情況。為了確保現場施工安全，5號支洞暫時停止施工。

2.2 現場檢測

2021年11月18日上午約09∶00，現場檢測人員開始對5號支洞進行有害氣體檢測工作。由于5號支洞已停工數日，洞內可能存在有害氣體積聚的風險，因此制定了以下檢測方案：現場檢測人員穿戴好防護裝備后，將儀器調零，從洞口徒步向洞內邊前進邊進行檢測，對洞內各里程的有害氣體成分與濃度進行了檢測。現場檢測人員在行進至掌子面時，進行了掌子面有害氣體檢測，并對掌子面噴漿情況進行調查。

3 有害氣體特征分析

3.1 洞內空間有害氣體檢測

洞內空間有害氣體檢測結果如表1所示。根據檢測結果可知，洞內有害氣體主要為甲烷（CH 4），還含有微量的硫化氫（H 2S）和二氧化碳（CO 2）氣體，其中硫化氫中毒是導致工人出現惡心嘔吐的原因。檢測過程中檢測到甲烷最高濃度為500×10-6，檢測位置在離掌子面最近的K0+900里程處。洞內空間有害氣體檢測是在通風條件下進行，所以檢測到的有害氣體濃度普遍不高。

為分析隧洞內全里程段的甲烷來源，對甲烷與里程的關系展開研究［15］（圖3）。從洞口開始，甲烷濃度不斷增加，在接近第一次瓦斯爆炸事故的K0+530里程段時達到了極大值（348×10-6），隨后開始減小，在洞頂滲水處達到極小值（50×10-6），這是由于滲水帶走了空間內的部分有害氣體，導致檢測到的甲烷濃度降低。隨著里程不斷增加，從滲水處開始，洞內甲烷濃度不斷增加，在接近第二次瓦斯爆炸事故的K0+900里程段達到最大值（500×10-6），證明該段的甲烷氣體主要來源于掌子面附近地層。

3.2 掌子面有害氣體檢測

掌子面有害氣體濃度檢測結果如圖4所示，掌子面已經噴漿，在掌子面的大部分區域檢測到的甲烷濃度與洞內甲烷濃度對應，數值均較低，最高濃度為750×10-6。但是，在掌子面左下角的凹腔內巖體較破碎，噴漿情況較差（圖5），檢測到甲烷濃度超過檢測儀器的量程（10 000×10-6），隧洞內出現瓦斯聚集情況。隧址區破碎巖體發育的節理與裂隙是有害氣體儲集的良好空間，當施工開挖到該位置時，很可能會出現瓦斯爆炸等事故。

3.3 有害氣體分布規律分析

地質構造對有害氣體賦存產生影響，一方面造成有害氣體分布不均衡，另一方面形成了有害氣體儲存或排放的有利條件。

（1） 褶皺構造對有害氣體賦存的影響。研究區內主要褶皺為上寨倒轉復背斜，該背斜呈北西向舒緩展布，核部由雜谷腦組地層組成，兩翼由侏倭組和雜谷腦組構成。隧址區主要位于背斜的南翼，當地層未遭受構造破壞時，背斜有利于有害氣體儲存，是良好的儲氣構造，背斜軸部的有害氣體會相對聚集，有害氣體含量較大。

（2） 斷裂構造對有害氣體賦存的影響。斷裂構造破壞了巖層的連續性和完整性，使巖層有害氣體運移條件發生變化。張性斷裂與裂隙構造被稱為開放性斷裂，有利于有害氣體的逸散；而壓扭性斷裂與裂隙構造被稱為封閉性斷裂，其裂隙閉合程度較高，有利于有害氣體儲存（圖6）。當遇到封閉性斷裂（如壓扭性斷層）時，有害氣體運移將被斷裂構造阻斷，此時斷裂構造成為有害氣體逸散的屏障。從構造上來看，隧道穿越的二嘎里壓扭性逆斷層為封閉性斷裂，有利于下覆地層產生的有害氣體在斷層處富集。

4 有害氣體防治措施

瓦斯爆炸必須滿足一定的瓦斯濃度、引火溫度和氧氣濃度等3個條件［16］。氧氣是隧洞開挖生產作業必備要素，瓦斯聚集和火源是瓦斯爆炸的直接原因。

在氣體采集完成后對掌子面進行了有害氣體濃度復測，復測發現凹腔內的甲烷最高濃度為8 000×10-6，與之前的甲烷濃度相比有一定的下降，證明通風可以有效降低隧道內有害氣體濃度。因此，提出以通風為主，動態管理、超前地質預報、檢測與監測等手段相結合的綜合防治措施。

4.1 動態管理

隧洞一端洞口至開挖掌子面作為一個施工工區，在一個施工工區內可能一次或多次穿越瓦斯地層，因此瓦斯工區與非瓦斯工區間是動態變化的過程，應采取動態管理方式（圖7）。

4.2 超前地質預報

由于川西構造復雜區有害氣體多以氣囊形式隨機分布，且不排除高濃度氣體聚集的可能，常規的檢測與監測手段難以提前判斷有害氣體危害。瓦斯預報以地質調查法為基礎，結合鉆探法與物探法進行超前地質預報，以探明瓦斯的賦存情況，并對其分布位置、性質、含量、濃度、壓力、涌出量等相關參數進行測試。在研究過程中，對隧洞不同危險性區域的超前鉆孔和加深鉆孔進行分類化處理（圖8～9）。

在工程應用中，根據地質調查、物探和鉆探等成果形成的超前地質分析報告指導瓦斯隧洞施工，有助于掌握掌子面前方瓦斯賦存情況。超前地質預報方法對隧洞有害氣體防治的預測效果良好。

4.3 檢測與監測

根據隧洞有害氣體的特征，把瓦斯作為主要監測對象，采用自動監測；含量較低的硫化氫氣體作為輔助監測對象，采用人工檢測。重點檢測有害氣體的類型、成分、濃度和壓力。

（1） 自動監測。自動監測控制系統通過電腦與隧道內各數據采集裝置相連，在洞外監控室內實現實時不間斷的監測及洞內有害氣體濃度變化情況記錄。

（2） 人工檢測。人工檢測主要由專業檢測人員攜帶便攜式檢測儀對洞內有害氣體濃度變化情況進行實時監測和記錄。當檢測過程中出現較高濃度有害氣體或涌水點出現異常顏色水體時，及時對氣體和水體進行取樣，并送至實驗室進行相應的室內檢測分析。

4.4 通 風

瓦斯聚集達到一定濃度后可能會發生瓦斯爆炸，而防止瓦斯聚集的有效方法為通風。通過計算設備風量和通風阻力，在合理范圍內選取通風設備并進行施工通風方案設計。

4.4.1 通風機選型

分別按洞內同時工作最多人數、最小風速、瓦斯涌出量計算隧洞施工通風需風量 Q 1，Q 2，Q 3 。主洞和支洞施工通風需風量計算結果如表2所示，按最低風速要求計算的需風量最大，主洞最大需風量為3 746 m3/min，支洞最大需風量為2 788 m3/min。

根據通風阻力（摩擦阻力和局部阻力）引起的壓力損失選擇適當功率的風機設備，以確保所需新鮮空氣被送到工作面。經計算，主洞需風量為3 746 m3/min，風筒通風阻力（即風壓）為4 850.56 Pa。選用SDFDZ-I-NO.18防爆對旋隧洞專用通風機，主要參數詳見表3。

4.4.2 施工通風方案設計

根據隧洞布置情況及施工方案，將隧洞施工通風方案分為2個階段。

（1） 第一階段：支洞施工。支洞施工未與主洞匯合時，采用獨頭壓入式通風，在洞外安設局部通風機，接柔性風筒將新鮮風流壓入至掌子面，污風經支洞排出地表，詳見圖10。

（2） 第二階段：主洞施工。在主洞段，進風繼續采用獨頭壓入式通風壓入，在洞外安設通風機（2個掌子面各1個風機），接柔性風筒將新鮮風流壓入至掌子面。根據情況設置射流風機輔助排風，詳見圖11。

對易形成瓦斯聚集的部位，采用局部通風方案，在主洞與支洞相接的地方加入通風機，另在支洞500 m進尺處設置3臺射流風機輔助通風，主要在瓦斯聚集位置處設置，詳見圖12。

4.5 工程應用效果

自2022年2月15日采用針對性的防治措施以來，施工期間未出現有害氣體超限（瓦斯濃度大于0.5%）情況，表明防治措施應用效果良好，5號支洞已成功貫通。

5 結 論

以阿壩州某水電站引水隧道5號支洞為依托，基于地質背景資料、現場調查和現場檢測結果，總結有害氣體特征，并對有害氣體防治措施進行了研究，結合防治措施工程應用效果，可得出以下主要結論。

（1） 隧洞內有害氣體主要為甲烷，還有微量的硫化氫和二氧化碳氣體，其中瓦斯聚集是引起隧洞瓦斯爆炸的直接原因，硫化氫中毒是引起工人惡心嘔吐的原因。

（2） 地質構造會對有害氣體賦存產生影響，研究區附近的上寨倒轉復背斜是良好的儲氣構造，二嘎里壓扭性逆斷層為封閉性斷裂，有利于有害氣體富集。

（3） 基于隧洞內有害氣體類型主要為甲烷的情況，采用通風為主，動態管理、超前地質預報、檢測與監測相結合的防治措施，及時監測預警，防止瓦斯突出、瓦斯爆炸等事故的發生。該工程的防治經驗可為類似瓦斯隧洞安全施工提供參考。

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（編輯：江 燾，高小雲）

Abstract：

In order to study the prevention measures for gas explosions in tunnel construction，relying on the diversion tunnel project of a hydropower station in Aba Prefecture，Sichuan Province，the hazardous gas detection was carried out in No.5 branch tunnel by means of geological surveying and on-site inspection.The results showed that：the composition of hazardous gas in this tunnel was mainly CH 4，with a little H 2S.Hazardous gas accumulated in sections where joints and fissures were developed in geological structures，such as anticlines and compressive reverse faults.According to the characteristics of the project and hazardous gases，targeted prevention and control measures were put forward based on ventilation and combined with dynamic management，advanced geological forecast，detection and monitoring.The research results can provide a reference for the safe construction of similar tunnel projects in the Western Sichuan Plateau area.

Key words：

diversion tunnel； gas explosion； hazardous gas； prevention and control measures； Western Sichuan Plateau