新疆某深埋长引水隧洞有害气体成因分析及防治

2022-03-16李玉光

河南水利与南水北调 2022年1期

李玉光

（新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

新疆某隧洞工程洞长41.82 km，输水隧洞为无压洞，纵坡0.18%。该标段主要采用TBM开挖施工方案，最大埋深约2 268 m，均为顺坡掘进，逆坡排水。TBM 单向掘进施工段长14 km。目前该隧洞标段TBM 已施工至合同桩号。后追加2 km，累计完成TBM 掘进17 568m，刷新了TBM 独头连续掘进的世界纪录，TBM 实际平均月进尺458.67 m/月，最高月进尺达803m，最高日进尺达55.75 m，达到国内类似工程领先水平。隧洞局部洞段岩石中含有有毒有害、易燃易爆气体，TBM在掘进施工过程中溢出，一氧化碳、硫化氢为化学有毒物质，甲烷为易燃易爆物质。

2 有害气体发生情况

2018 年12 月19 日18：40，TBM 掘进至桩号14+564 时，设备停机焊接拱架时，现场人员突然看到从顶护盾下部油缸位置喷出一簇火焰，并伴有“轰隆”声，18：20 现场施工人员又闻到异味。

2018 年12 月19 日19：20，技术人员进入护盾内部进行排查，从护盾尾部至掌子面区域突然发生巨响，并伴有大量气流及灰尘，主机皮带进人孔盖板被气浪掀起，护盾尾部15 m范围内充满了灰尘，现场能闻到类似于爆破后产生的气味，现场技术人员及时用便携式检测仪、甲烷检测仪对现场有毒气体进行了检测，未发现甲烷及其他可燃气体。

2018年12月20日9：30，隧洞右侧4～5点钟位置发现了3处正在燃烧的火焰。通过对燃气处的气体检测，CO含量为14 ppm。技术人员到达现场时，桩号14+577右侧有2处正在燃烧，火焰呈淡蓝色，1 处已经熄灭。可用明火引燃。另外，在距离该燃烧火焰约1.50 m的裂隙处，用明火引燃时，可以观察到明显的“爆燃”现象，伴随有“轰隆”响声，随即消失，稍等片刻后又可引燃，仍会有声响。

3 有害气体分布

3.1 有害气体溢出点分布

有害气体溢出点主要分布在距离TBM 护盾1.80 m 范围内，隧洞右侧4～5 点钟范围内。有3 个溢出点，其位置如图1所示。

图1 有害气体溢出点相对位置示意图

裂隙L2512、L2513，裂隙产状NE35°NW∠83°，属剪切裂隙，裂面光滑，其中一条向上延伸到顶拱，裂隙局部微张，裂面内附方解石。有害气体大多沿微张部分溢出，在与其他细小裂隙交汇处有害气体更为集中。

3.2 有害气体检测成果

2018 年12 月20 日上午，对有害气体溢出点进行检测，检测到的气体成分为甲烷和一氧化碳，现场手持仪检测在裂隙口测得CO 含量约50 ppm，超标准值（24 ppm），甲烷达到危险值1%。

2018 年12 月20 日，矿山救援队由隧洞口至掌子面，全长约7 500 m，沿途进行有害气体检测，检测结果见表1。

表1 有害气体检测成果表

经上述地点检测表明：掌子面桩号14+565.0有甲烷气体溢出。局部地点有甲烷气体积聚。

2018年12月21日11时，矿山救援队再次入隧洞进行二次检测，在表1所述地点除机头架下K14+577除，未发现CO及甲烷，机头架下K14+577 处有害气体溢出点测得甲烷含量为0.66%，CO含量为102 ppm。

2018 年12 月21 日17 时，2018 年12 月21 日17 时，矿山救援队进洞进行第三次检测，在护盾后1 m处的出气点测得甲烷值为0.10%～0.30%，CO 值为610 pp～670 ppm；在护盾后2.40 m处的出气点测得甲烷值为0，CO 值为4pp～5 ppm；其他部位测得的在害气体值均为0。

2018 年12 月22 日上午，对有害气体进行检测，在偏离有害溢出点10 cm以上的位置均未检测到有害气体。在NE向与其它裂隙交汇处检测时出现了甲烷报警，其含量为1.30%左右，之后在几分钟的间隔内又进行了多次检测，又出现了2～3次报警（其值大于1%），有5～6 次测试的甲烷含量在0.63%～0.78%之间。由此可见有害气体的溢出是不均匀的，在进行第一次测试时均出现了报警，之后经过测试对气流扰动后，测试值出现波动。

2018年12月25日，分别对2#溢出点（距护盾1.40 m，桩号14+577处）；3#溢出点（距护盾2.40 m桩号14+476处）有害气体含量进行检测，检测成果见表2。

表2 有害气体溢出点检测成果表

2018年12月23日在TBM左前方进行超前钻探，钻孔深度为18 m；12月24日，在TBM右前方进行超前钻探，钻孔深度为35 m。对超前钻孔孔口及孔口附近对有害气体进行检测，检测成果见表3。

表3 超前钻孔附近有害气体检测成果表

4 工程地质概况

4.1 地质条件

出现有害气体的位置为志留系上统库茹尔组（S3k1）石英细砂岩，灰绿色，致密结构，厚层～块状构造，岩质坚硬。局部夹有变泥质灰黑色硅质粉砂岩，致密结构，岩质较坚硬。岩体以镶嵌结构、次块状结构为主，部分为碎裂结构。该洞段内无出水点，洞壁及洞顶呈干燥状。综合判定为Ⅲ类围岩。

4.2 主要工程地质问题

洞室稳定：本段隧洞存在多处掉块现象。桩号14+555～14+558段，拱顶掉块，多为10～20 cm的碎块石；桩号14+578～14+574 段拱顶掉块，宽约1.50 m，主要为块径10～15 cm 的碎石；护盾后侧局部存在掉块现象。

岩爆：桩号14+557 位置，顶拱右侧清晰听到岩石爆裂声响，有岩体剥落，局部有板裂现象，并伴有灰粉，剥落位形成塌坑，长约1.50 m，宽约1 m，深度为0.20～0.25 m，岩石断裂面新鲜，不规则，判定该处为轻微岩爆。

气温及地温：测试洞室温度24.80℃；洞壁温度24.40℃；次日测试洞壁温度18℃。

5 有害气体的来源分析

按天然气的形成条件可分为五种类型，分别为生物气、早期成岩气、油型气、煤气型、无机成因的天然气。根据目前掘进洞段地质条件，基本可以排除隧洞有害气体为生物气和油型气；通过区域地质资料，隧洞附近的煤系地层主要为侏罗系地层，距有害气体溢出点较远。

隧洞附近深部地层含煤可能性不大。根据1：100 000地质图绘制的隧洞剖面可知，隧洞洞线以下1 000 m左右均为志留系地层，该地层内无含煤层夹层。因而判断隧洞深部存在含煤层的可能性不大。

输水隧洞穿越侵入岩地层时，未发现有害气体；附近的温泉距离有害气体溢出点距离约18 km，因而可以判断有害气体不属于无机成因的天然气。

根据隧洞附近的地质条件，初步判断隧洞出现的有害气体属于早期成岩气，其来源具有多元化，极有可能为深部地层中存在的灰岩、泥页岩等灰黑色的地层富含有机质，在其沉积成岩过程中形成了有害气体，积聚在深部地层中。岩体中的裂隙成为有害气体运移的通道和贮存的空间。

6 结论

6.1 建议深孔超前预探

利用TBM 上配置的超前地质钻机进行超前钻孔，探测前方地质及有害气体赋存情况。钻孔深度大于30 m，记录地质异常情况。钻孔后在孔口进行有害气体浓度检测，判断是否有有害气体溢出、溢出初速度，判定有害气体的溢出量。当发现有害气体时可通过钻孔逐步排放或提前预注浆封闭有害气体。根据气体检测情况，调整钻孔的位置及数量。

6.2 加强安全监测

在确保监测精度准确可靠的前提下，现场施工期有害气体的监测宜选用便携式气体检测报警仪，具备条件的情况下可建立全自动的监控系统，应配备专业的检测、监测设备和专门的检测人员进行有害气体的监测（如便携式光干涉型甲烷测定器、多种气体检定器）。使用的检测、监测仪器设备应定期按要求进行检验和校准，每次修复后应到专门的检验机构送检，保证监测数据的准确性和有效性。每次监测的同时应做好各种有害气体浓度变化的记录，并及时汇总。