西南某电站深埋长大洞室有毒有害气体成因分析及处理探讨

马行东,梅稚平

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都　610072 )



西南某电站深埋长大洞室有毒有害气体成因分析及处理探讨

马行东,梅稚平

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都610072 )

随着水电水利工程地下洞室埋深和规模的扩大，水利水电工程不可避免的遇到新的地质问题，即有毒有害气体。本文结合工程实例，对地下洞室有毒有害气体成因进行初步分析，重点对处理措施进行了探讨，以期对其它工程有所借鉴，防止有毒有害气体造成人员的伤害。

深埋长大洞室;有毒有害气体；支护处理

1　概　　述

随着国家西部大开发政策的落实，水电开发的重点更加向西部倾斜，西部的滇、川、藏成为水电开发的热点地区。西部是我国地形地貌、地层岩性等地质条件极为复杂的区域，河谷深切，岸坡陡峻，新构造活动强烈，地震频发、基本烈度高。大型水电站往往位于高山峡谷地区，由于受到地形条件的限制，地下洞室成为枢纽布置中重要的建筑物形式。随着水电水利工程地下洞室埋深和规模的扩大，需要解决的工程地质问题日趋复杂，出现了许多以往没有遇到的新问题，有毒有害气体的出现就是其中之一。

地下洞室有毒有害气体的成分、浓度及涌出方式等与所处的地层岩性、岩石的矿物成分及地质构造等密切相关。这些气体生成后要有储存的空间，碳酸盐岩的溶蚀裂隙、空洞，碎屑岩的砾岩、砂岩、粉砂岩、火山碎屑岩及火成岩、变质岩、煤层等岩石中的空隙、裂隙等是其储气层。断层、裂隙是有毒有害气体或含有毒有害气体的地下水扩散运移到其它地层中的通道。在火山活动区和剧烈的地壳断裂活动处，在年轻的活动地槽带的断裂构造部位，常有H2S、SO2气体及高浓度的CO2气体；碳酸盐岩在溶蚀过程中有时会产生CO2气体，一些大理岩(如锦屏二级电站)会产生H2S气体；在一些含黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿、硫磺等矿物的地层岩性中，因水解、高温、氧化还原等物理化学作用可产生H2S、SO2、CO气体。因此地下工程在通过这些地层岩性、断裂带或其附近时，也可能发生有毒有害气体事故[1-2]。

水利水电工程地质对地下洞室重点是围绕围岩的稳定条件的研究，及针对围岩稳定所采取的支护措施的研究等等，而针对地下洞室中有毒有害气体的来源及危害研究程度较少，相应的防护措施也研究较少。水电工程遇到的有毒有害气体主要是甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、硫化氢、二氧化硫等十几种气体，它们对人体有害且多易燃易爆，在地下洞室相对封闭的环境中，易聚集成灾，可造成人员伤亡，财产损失和洞室垮塌等重大事故，是我们需研究的重要工程地质问题之一。本文结合工程实例，对地下洞室有毒有害气体成因进行初步分析，重点对处理措施进行了探讨，以期对其它工程有所借鉴，防止有毒有害气体所造成的人员的伤害。

2　有毒有害气体评价标准

水电工程地下洞室参照有关标准，地下洞室有毒有害气体最高允许浓度见表1。

3　气体检测手段

对有毒有害气体的检测有多种方法，便携式气体检测仪快速、简便、易行，可基本满足前期勘察、施工期的需要。对有毒有害气体的检测一般首先检查氧气和可燃易爆气体，氧气探测器可用在没有特别指明存在其它危险的绝大多数环境中，可燃气体探测器能探测不需特别识别的可燃、可爆物；其次进行有毒有害气体检测，有毒有害气体探测器具有化学的特殊性，在选择检测仪器之前，必须具体确定潜在的有毒有害气体类别。本工程主要采用便携式气体检测仪检测氧气、一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、甲烷等的浓度。

表1　地下洞室有毒有害气体最高允许浓度(体积%)

4　气体特征及成因探讨

工程区大地构造部位上，位于“川滇菱形”断块内的次级断块“稻城断块”内，靠近东缘边界断裂，隧洞沿线出露岩性主要为奥陶系下统瓦厂组(O1W)板岩夹中厚层状层纹理发育变质石英砂岩、千枚岩，人公组(O1r)的中～厚层状层纹理发育的变质石英砂岩夹板岩、千枚岩，岩石鉴定表明，板岩、砂岩中含有黄铁矿矿物，在人工组地层中的前期探洞成洞几年后有明显的析出含硫物。

工程区的砂岩板岩地层为一套含黄铁矿、硫磺等硫化物的有毒有害气体生成地层，在其地下水中或岩体中有有毒有害气体逸出，事故洞段岩体中的空隙、裂隙及断层等等是其储气空间，由于事故洞段洞室垂直和侧向埋深大，洞室干燥、地下水不发育，封闭性好，聚集在空隙、裂隙及断层中的有毒有害气体得以很好的保存，局部形成高浓度的“气囊”。在钻孔、爆破中破坏了“气囊”，使高浓度的有毒有害气体瞬间逸出，由于H2S气体具有可燃、易爆性，因而发生了二次、三次爆炸，使人瞬间中毒伤亡。开挖隧洞中多处有气体逸出，在底板积水中有气泡冒出，或在边墙岩缝中听到哧哧声，或能闻到刺鼻的臭鸡蛋味。

根据检测成果，以及有毒有害气体的特征及其危害来看，洞内主要发育：化学性窒息性气体(如一氧化碳等)、刺激肺脏的气体、对中枢神经有损伤的气体(如硫化氢等)。而有毒有害气体侵入人体的途径则是：吸入，即有毒有害气体通过呼吸器官进入人体，这是有毒有害气体进入人体的主要方式。此类气体主要有一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硫化氢等。

5　气体对工程影响

隧道有毒有害气体的存在增加了施工难度、危害人体的健康，同时也增加了较大的工作量和投资等。

施工开挖安全风险极高。引水隧洞K2+833～K2+920 m段现象最为突出，主要表现为K2+833～K2+920 m掌子面附着有地下水带出的浅黄～红褐色硫化物及白色析出物，在洞室已完成设计喷锚支护局部洞段白色析出物沿锚杆与围岩接触部位或局部长大裂隙呈集中渗出现象，多处洞室底板积水坑处见有气体逸出产生气泡现象，气体沿泄压孔、长大裂隙或空隙逸出伴有明显声响，气体浓度衰减所需时间较长。隧洞气体检测的主要成份为CO2、CO、CH4、H2S，其中H2S、CO2气体严重超标。针对此情况施工技术防治：采取洞外避炮、及时封闭围岩切断气体逸出通道、每循环开挖增设4～12个、L=6 m的超前泄压孔、底板喷洒生石灰固化等措施以降低H2S的浓度，并加强通风措施与手段，严格执行防爆隔爆专项安全措施、工作面及时检测有毒有害气体浓度等。

有毒有害气体的存在极大的危害洞内施工作业人员的身体健康。施工中K1+170 m段开挖爆破后检测出H2S含量最高达41.7 PPM，臭鸡蛋气味明显，设代人员出洞后感到头晕。K1+205～293 m段洞室有毒有害气体超标，最高值约40 PPM，并伴有呼吸不畅、头轻痛等不良反应。

施工中增加了施工安全防护，进洞施工作业人员配备配戴的防毒面具并配备隔离式自救器以备使用，并制定突发应急预案机制，专职医护人员现场待机监护，一旦发生险情立即处置。另外对所有进洞人员进行安全生产教育与管理，增加了较大的工作量和投资等。

6　气体的处理措施

对水电工程有毒有害气体的防范研究应贯彻于前期勘察、施工建设期和建成运行期全过程。在前期勘察中重点对区域地层、活动性区域深大断裂等加深研究，分析是否是生气地层、储气层、放射性地层等，并因尽量避开，若无法避开，则应对有毒有害气体的来源、成分、含量、可能造成的危害等做出初步分析评价。

地下工程相对封闭，除天然地层中的有毒有害气体外，开挖爆破、大量的人员及设备运转等也能产生有毒有害气体，根据工程实践，总结如下：

(1)应尽量避开有毒有害气体地区；

(2)加大对工程参与人员进行有毒有害气体的知识、安全培训、防范教育及处理应急事件的演习，从思想上高度重视；

(3)要求具有良好的应急预警机制；

(4)受构造原因形成大量断裂、空洞，水侵蚀含硫与铁的矿床形成有毒有害气体必然长期储存在空洞中，隧道施工扰动导致有毒有害气体溢出，管理上坚决避免火源，加强通风，并且一定加强监测；

(5)选择合适的炸药及合理的钻孔爆破工艺减少有毒有害气体的产生，避免二次爆炸引起的伤亡；

(6)对有毒有害气体进行检测及保持良好的通风是最有效的防范手段；

(7)针对不同的气体物化特性，采取撒水、撒石灰等措施有时也很有效；

(8)对围岩进行帷幕灌浆、锚喷混凝土、混凝土衬砌等措施可切断和减少有毒有害气体的逸出通道；

(9)对地下洞室进行超前钻孔可引排集中、高浓度的有毒有害气体,包括打超前孔，顺便探水，探水检验空洞之类。打孔并且买个小型的抽放泵超前抽应该就能解决。

7　小　　结

有毒有害气体的处理应针对施工开挖作业流程、有毒气体种类、特征及危害、突发事件应急措施等多个方面综合分析制定，制定措施主要包括：预测预报、施工技术防治、施工安全防护、安全生产教育与管理等四个方面，通过上述措施的处理，隧洞在其后的施工开挖过程中未发生有毒有害气体导致人员伤亡的事故，取得了较好的效果，以期对其它工程有所借鉴，防止有毒有害气体所造成的人员的伤害。

[1]黄润秋,王贤能,唐胜传,王士天.深埋长隧道工程开挖的主要地质灾害问题研究[J].地质灾害与环境保护,1997,08(1):50-68.

[2]袁建新.地下洞室有毒有害气体测试评价及防护技术研究[D].2007，河海大学.

2015-01-06

马行东(1978-)，男，江苏徐州人，高级工程师，注册岩土工程师，注册土木工程师(水利水电)，从事水利水电工程地质勘察工作。

TV554

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1003-9805(2016)03-0062-03