成兰铁路跃龙门隧道H2S整治措施的探讨

周跃峰，李传富，宋贵明

(中国中铁二院工程集团有限责任公司,四川 成都 610031)



成兰铁路跃龙门隧道H2S整治措施的探讨

周跃峰，李传富，宋贵明

(中国中铁二院工程集团有限责任公司,四川 成都 610031)

为了解决铁路隧道施工及运营期间有害气体H2S的危害，通过对H2S产生原因、隧道内分布特征和危害情况的分析，采用工程类比和理论计算的研究方法，得出施工期加强超前探测、加强通风稀释和制定专项劳动保护措施，运营期采用水气分离排放的处理方案，从而确保隧道施工和运营安全。

铁路隧道；H2S；通风；封闭；排放

0 引言

随着铁路、公路、城市地下工程建设领域的拓宽和地下空间的开发，有害气体已成为工程建设特别是山区和丘陵地区隧道施工所面临的一种常见的地质灾害，对施工期、运营期的施工生产和人员安全是一种严重威胁。H2S气体溢出的案例多见于油井及煤矿等工程中，隧道内出现H2S溢出的工程案例较少，TB 1003—2005《铁路隧道设计规范》[1]也仅对通过瓦斯地层的隧道有相关要求，而且无H2S相关的系统整治经验。唐协等[2]对隧道内H2S气体涌出通道进行了研究，并提出了治理措施；郝俊锁[3]对穿越含浅层天然气地层隧道施工所处区域构造位置、地层岩性与浅层天然气构造和储层关系以及天然气储集层的类型、发育特征对隧道的影响等方面进行了研究。石油勘探及采挖的过程中有较多H2S气体伴生的情况，对其危害及防治有相关的规定要求；市政排污管道中容易产生化学反应，产生少量H2S气体并溶解于水中，因此也进行了相关方面的研究；国内也有H2S对建筑材料影响的相关探索[4-5]。虽然这些研究成果对特定项目的有害气体地质灾害预警、防治提供了较好的参考，但由于各工程环境有着较大差异，这些研究并未形成有效统一的可推广成果，目前铁路工程行业无规范、标准可循。如何把握含有害气体地层对地下工程的影响和成灾机制，采取何种有效措施减少或避免灾害发生，研究解决这一难题对隧道等地下工程安全施工和顺利运营具有重要意义。正在施工的成兰铁路跃龙门隧道出现了较长段落的H2S溢出，通过查阅相关规范，理论计算结合现场实际，制定了一套行之有效的综合整治措施。

1 工程概况

成兰铁路跃龙门隧道为穿越龙门山山脉的极高风险隧道，双线双洞分修，左线全长19 981 m，右线全长20 042 m，单面上坡，最大埋深1 450 m。洞身通过地层主要为泥盆系(D)白云质灰岩，寒武系(∈1c)粉砂岩、磷灰岩，志留系(S)千枚岩、炭质千枚岩夹灰岩，晋宁期辉绿岩(β)，震旦系(Z)硅质岩、页岩、炭质页岩夹灰岩、白云岩等。洞身共发育5条断层、2个向斜和2个背斜，其中1条为全新世活动断裂。辅助坑道采用“3横+2斜+1平”方案，具体布置见图1。

图1 辅助坑道布置(单位：m)

2 H2S产生原因和危害

2.1 2#斜井

跃龙门隧道2#斜井正洞小里程有异常臭鸡蛋味，该段埋深400 m，岩性为志留系中上统茂县群(S2-3mx)千枚岩、炭质千枚岩夹灰岩，节理裂隙发育，岩体破碎，富水。经便携式H2S检测仪进行检测，正洞右线小里程方向H2S体积分数为(1～3)×10-6，正洞左线小里程方向H2S体积分数为(3～6)×10-6，湿度70%～76%，洞内温度19 ℃，水温13 ℃，集中出水口处H2S体积分数可达(31～36)×10-6。委托专业机构对H2S体积分数钻孔检测情况如表1所示。

表1 测试资料统计表

2.2 3#横洞

跃龙门隧道3#横洞发现有H2S气体，该段埋深550 m，岩性为志留系中上统茂县群(S2-3mx)千枚岩、炭质千枚岩夹灰岩，节理裂隙发育，岩体破碎，地下水发育。经检测在右侧墙角出水孔H2S处体积分数为 91.4×10-6，随着远离出水口H2S气体体积分数逐渐降低。风管口风速为13.2 m/s，回风巷道内H2S气体体积分数为(1～4)×10-6，湿度70%～76%，洞内温度19 ℃，水温13 ℃。

2.3 H2S物理化学及病毒性特征简介

硫化氢，分子式H2S，相对分子质量为34.076，有一种特殊的臭鸡蛋味，标准状况下是一种易燃的酸性剧毒气体。相对密度为1.19(空气为1)，易溶于水，亦溶于醇类、石油溶剂和原油，燃点为292 ℃，与空气或氧气以适当的比例(4.3%～46%)混合就会爆炸。

H2S是一种强烈的神经毒物，有剧毒，虽有恶臭，但极易使人嗅觉中毒而毫无察觉，这是因为H2S与细胞色素氧化酶中二硫键起作用，影响细胞氧化过程，导致组织缺氧，不但能使人体血液缺氧中毒，同时对眼睛及呼吸道黏膜具有强烈的刺激作用，能引起鼻炎、气管炎和肺气肿。其质量分数与危害情况的关系见表2。

表2 H2S含量危险度表

我国《煤矿安全规程》[6]及TB 10027—2012《铁路工程不良地质勘察规程》[7]规定硫化氢在空气中的最高允许体积分数为6.6×10-6。根据中国石油天然气股份有限公司《预防H2S中毒事故管理暂行规定》[8]对其危害区域等级进行划分如表3所示。

表3 H2S气体危险区域等级划分表

H2S具有还原性和很强的腐蚀性，引起的硫酸腐蚀是混凝土腐蚀的主要原因。

2.4 工程区H2S产生、运移特征

H2S主要来源如下：生物降解、微生物硫酸盐还原、硫酸盐热化学还原及热化学分解、岩浆成因。

跃龙门隧道H2S有害气体产生受控于本隧道特殊的地层岩性(含硫地层)及复杂活跃的地质构造，其中深大断裂构造起控制作用。该区域位于规模宏大、结构复杂的巨型推覆构造带即著名的龙门山构造带，从控制有害气体产生、运移和分布角度入手，涉及的地层主要有志留系中上统茂县群(S2-3mx1)千枚岩、炭质千枚岩夹灰岩，寒武系下统清平组(∈1c)粉砂岩、磷灰岩(本层有不稳定的油页岩，且在所夹泥灰岩中有沥青充填，厚280.7 m)，震旦系下统邱家河组(Zbq)硅质岩、页岩、炭质页岩夹灰岩、白云岩，晋宁期侵入岩(βμ)。褶皱主要有大屋基倒转背斜、老林口倒转复向斜和半山腰倒转复背斜；断层主要有千佛山断层。区域构造如图2所示。

图2 区域地质构造及矿产金属异常区分布图

在特殊的地层岩性(4套含硫地层及侵入岩)、特殊的金属含矿异常带和区域性褶皱断裂组合情况下，含硫地层物质(集中在寒武系地层及金属矿化异常带)在硫酸盐热化学还原情况下，产生H2S，向上飘逸遇水并溶解于地下水中，随地下水运移。在隧道开挖后，由于围岩体及地下水场受到扰动，必然引起内部H2S压力降低，破环了H2S存在的状态和硫化矿水解的原有平衡，H2S便会随之涌出；同时硫化矿也会不断水解，生成新的H2S气体不断涌出，这就是隧道内出现H2S气体的原因。故在掌子面尤其是集中出水口H2S质量分数较高，随与出水口距离增加其质量分数逐步稀释降低，在回风巷道明显降低。

2.5 H2S气体分布特征

现场实测表明H2S受控于地质构造并和地下水具有伴生关系，呈正相关关系。 靠近断裂带H2S体积分数明显升高，涌水量大的位置H2S体积分数也相应较大。在无地下水或地下水不发育地带，H2S体积分数应较小；在寒武系(∈1c)地带其体积分数可能会大幅度升高，尤其在金属矿化异常带与千佛山断裂组合地带其质量分数可能较高。裂隙网络及地下水运移直接控制H2S气体分布段落及其体积分数，距离母体远近、裂隙网络及地下水的发育程度导致不同地段的H2S含量不均匀，且随时间及施工方式的变化，逸出量也有变化。

短距离内H2S随着在空气中传播衰减极为明显，跃龙门3#横洞实测表明：在集中出水口H2S体积分数可达 91.4×10-6，随远离出水口H2S体积分数迅速降低，距离孔口 30 cm H2S体积分数降至 13×10-6，距离孔口50 cm H2S体积分数降至 7.3×10-6，此后，在不通风情况下，H2S体积分数随距离变化不大，其体积分数扩散情况见图3。

图3 H2S含量扩散示意图

2.6 预测分布段落

根据隧区地质构造、地层岩性和地下水发育程度，跃龙门隧道H2S分布预测统计如表4所示。

表4 跃龙门隧道H2S分布情况统计表

注：根据风速质量分数等检测、记录资料，确定硫化氢涌出量基准值A=0.000 6 m3/(min·m)。

2.7 水质侵蚀性预判

根据H2S特性分析，可能存在以下侵蚀类型。

1)混凝土。H2S引起的硫酸腐蚀是混凝土腐蚀的主要原因。

2)钢筋。H2S对金属的腐蚀形式有电化学严重腐蚀、氢脆和硫化物应力腐蚀开裂，以后两者为主，一般统称为氢脆破坏。

3)止水带。橡胶会产生鼓泡涨大、失去弹性。普通橡胶止水带不能在H2S环境下正常使用。

4)防水板。H2S能够与大部分塑料发生化学反应，常规防水板在H2S作用下加快老化，造成渗漏。

根据地层岩性及构造发育情况预测隧道侵蚀性情况如表5所示。

表5 H2S区域地下水侵蚀性预测统计表

3 H2S的危害整治措施

发现H2S气体后，制定了H2S气体段落专项施工方案、施工措施和应急预案，采取了加强通风和洒水措施，对局部有毒气体易汇集的地方增加局部风扇稀释，且撒生石灰稀释H2S气体，禁止进洞人员将手机、打火机、易燃和易爆物品带入洞内等，同时也系统研究制定了H2S的整治措施。

H2S的危害按照时间顺序可分为准备期、施工期及运营期，按照作用对象不同可分为结构及人员，按照空间可分为洞内及洞外。根据各阶段部位的不同，针对H2S的整治方案介绍如下。

3.1 准备期超前探测

采用物探法查明前方地下水情况，避免富含H2S的地下水涌出，通过钻设超前探孔超前探测掌子面前方H2S气体蕴藏情况，提早探明前方气体富集情况，避免盲目施工造成气体突出，从而避免人员伤害。

3.2 施工期安全控制标准

建立全面的监测系统，配备移动及固定气体探测设备，随时监控H2S气体体积分数情况，鉴于目前铁路行业尚无控制标准，按照国家标准GBZ 2.1—2007《工作场所有害因素职业接触限值化学有害因素》[9]，安全生产控制标准为10 mg/m3(体积分数6.6×10-6)，如果其体积分数超过警戒范围，人员应立即撤离现场，并加强通风，待其体积分数达到安全指标后方可继续施工。

3.3 运营期的监测及控制措施

当隧道建成后，应建立监控体系，分段设置监测断面，对H2S体积分数进行全天连续监测，并设定控制阈值，当大于阈值时自动报警，并自动启动风机通风[10]，确保洞内H2S体积分数在安全范围内。对排水口、检修通道等可能富集有害气体及水的地方设置警示标志，避免人员误入造成伤害。运营通风应与有害气体的排放结合，通风路径和设备应考虑有害气体排放的需求。

3.4 结构的处理措施

3.4.1 建筑材料抗侵蚀

目前针对H2S铁路行业无相关标准，铁路混凝土结构在特殊环境下的耐久性设计，应事先通过专门的研究和论证[11]；因此，施工中应加强地下水化验工作，逐段核实侵蚀等级，根据侵蚀等级采用相应等级的高性能混凝土，钢筋保护层厚度应满足耐腐蚀需要，衬砌按全封闭原则进行设计[12]。

H2S气体和H2S溶液均会降低止水带的力学性能[13]，止水带应考虑采用能够抵抗H2S侵蚀的材料；防水板也应采用能够抵抗H2S侵蚀的材料。

注浆材料也要具有相应的耐侵蚀性[14]，且耐久性满足设计要求。

3.4.2 气体的封堵

基岩裂隙水应完全封堵，集中出水点应尽量封堵，当不能封堵时应考虑集中引排，地下水原则上不进入侧沟内。原则上低度区采用局部注浆封堵，中度区采用径向注浆封堵，高度区采用超前注浆与径向注浆相结合的方式进行封堵。

根据超前地质预报结果，气体溢出体积分数较高的段落采用全封复合衬砌，根据气体压力及质量分数情况，按照设计方案在衬砌内添加气密剂。

辅助坑道根据预测结果，原则上也要对气体进行封堵，应设置二次衬砌及防水板，必要时进行注浆封堵地下水。

3.5 施工人员的劳动保护

目前H2S工作环境的劳动保护尚无统一标准，隧道施工建议参照石油部门行业规定，结合TB 10120—2002《铁路瓦斯隧道技术规范》[12]要求制定。

3.6 洞内有害气体及水的排放

3.6.1 通风方案

通风稀释有害气体是施工阶段降低有害气体风险的主要手段，良好的通风是安全生产的重要前提[15]。考虑相邻工区贯通后，可实现巷道式通风，供风能力大大增加，因此相邻工区贯通前的通风方案研究是重点，根据当前工程条件研究以下几个方案，方案示意见图4。

图4 跃龙门隧道增设通风巷道平面示意图

1)风管压入式方案(为当前条件下极限通风能力的研究)。

2) 隔离风道方案(3#横洞增设隔离风道)。

3)增设3#横洞副洞方案(实现巷道式通风)。

4)新增斜井方案。

根据风道内风速不超过20 m/s(文献报道科研成果)，以及回风巷内风速不超过6 m/s[16]，计算风道及巷道的极限通风能力，用以检算其对应稀释H2S体积分数至6.6×10-6的能力，结果如表6所示。

表6 各方案风量及稀释有害气体能力对比

根据H2S的监测显示，设置初期支护后，H2S涌出量约为新开挖面的15%～20%。按保守考虑，认为注浆全封堵前，初期支护段落的H2S涌出量按新开挖的25%考虑应较为合理。考虑辅助坑道开挖暴露面积，其延米涌出量按正洞的70%考虑；Ⅳ级围岩进尺3 m，初期支护未注浆封堵段32 m考虑。计算正洞及辅助坑道H2S涌出量见表7。

根据预测，H2S涌出量每延米大于4A的段落总长为355 m，仅占总段落长度3.4%。考虑按最高段落进行通风设计显然不经济。本次拟将通风能力按满足4A的涌出量进行控制，当部分现场涌出量高于该值时，采用撒生石灰、喷水雾及适当延长通风时间等方式进行考虑。由此校核段落通风稀释能力如表8所示。

表7 段落涌出量计算表

表8 H2S稀释能力校核

根据当前地质预测情况，通过对各方案的通风能力进行计算，普通的风管压入式通风已不能满足有害气体稀释要求，而采用隔离风道的通风方案、增设3#横洞或增设通风斜井，能满足大部分段落的H2S稀释通风需要。

3#横洞长达2.4 km，利用现有断面进行长距离隔离风道改造，技术不成熟，通风可靠性低，因此推荐采用增设第2横洞方案；2#斜井长度599 m，采用了增设隔离风道方案。

3.6.2 排放方案

运营期间水气排放考虑2种方案进行比选，即水气分离方案和水气混合引排方案。并对各方案优缺点进行比较见表9。

水气分离引排方案1：加大隧道纵向盲管，在横通道或洞室处水气分离，水、气分别封闭排放。

水气分离引排方案2：保持既有纵向盲管系统不变，在盲管系统引入洞内时设置水气分离装置，分别引流地下水和气体至洞内专用管道。其具体设计方案如图5所示。

水气集中引排方案3：对全部排水系统进行密闭处理，利用既有排水系统进行引排。

水气集中引排方案4：环向、纵向盲管引入洞内时直接引入镀锌钢管，水、气设置专用管道集中引排方案。

表9 水、气排放方案对比

图5 方案2水气分离引排

水气集中引排方案5：设置隧道体外排水系统。

推荐方案为水气分离引排方案2。考虑当前水体监测，水中溶解H2S较少，气体单独引排后，水中析出H2S基本形不成压力，通过密闭水沟基本能达到隔离要求，而且单独引排后，能尽可能减小洞内通风压力，且技术成熟检修相对方便。

3.7 洞外有害气体及水排放的控制

有害气体及水排出洞外后，能否满足环境排放要求，需根据施工和运营期的监测结果确定，必要时设置专用的处理设施。

4 结论及建议

针对隧道内H2S有害气体的整治措施研究，我国积累的经验较少，特别是没有系统整治的先例，本文通过对H2S产生原因、危害、隧道内分布特征和侵蚀性分析，根据相关行业和国家规范制定了施工期和运营期的安全控制标准，提出了准备期超前探测，结构设防、劳动保护、加强通风、注浆封堵和气体排放的综合整治措施，在现场取得了良好的效果，也希望能为今后隧道建设中的类似问题提供借鉴。

目前我们的研究还有一些问题尚无最终结论，譬如：运营期隧道内H2S的控制标准、其排放对环境的影响及对应处理措施等。因此隧道贯通后尚有待进一步研究解决，特别是劳动保护等相关问题需要跨行业进行研究，下一步将联合相关单位继续深入开展相关内容的研究工作。

[1] 铁路隧道设计规范：TB 10003—2005[S].北京:中国铁道出版社,2005.(Code for design of railway tunnel:TB 10003—2005[S].Beijing:China Railway Publishing House,2005.(in Chinese))

[2] 唐协,陈贵红,周仁强.华蓥山隧道硫化氢气体检测及综合整治研究[J].现代隧道技术，2011,48(4):25-31.(TANG Xie,CHEN Guihong,ZHOU Renqiang.Hydrogen sulphide monitoring and comprehensive treatment programme for the Huayingshan Highway Tunnel[J].Modern Tunnelling Technology,2011,48(4):25-31.(in Chinese))

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Discussion on Control Measures for H2S in Yuelongmen Tunnel on Chengdu-Lanzhou Railway

ZHOU Yuefeng,LI Chuanfu,SONG Guiming

(ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.,Ltd.,Chengdu610031,Sichuan,China)

The causes,distribution characteristics and damage of H2S to railway tunnel construction and operation are analyzed.The engineering comparison and theoretical calculation are carried out.A series of technologies,including strengthening advance detection,strengthening ventilation and making professional labor protection measures during tunnel construction and water-gas separation discharge method during tunnel operation,are adopted.The safety of tunnel construction and operation can be guaranteed by using above-mentioned technologies.

railway tunnel; H2S; ventilation; sealing; discharge

2015-09-08;

2016-04-27

周跃峰(1974—)，男，河南新乡人，1997年毕业于西南交通大学，隧道及地下工程专业，本科，高级工程师，从事隧道设计工作。E-mail：pride20g@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.014

U 45

A

1672-741X(2016)10-1251-07