非煤系地层隧道多种混合有害气体实时监测技术★

赵 宇，苏培东，全 斐，赵春杰，沈家君

(1．中铁十局集团有限公司大临铁路项目部，云南 临沧 675800; 2．西南石油大学地科院，四川 成都 610500)

1 概述

随着经济发展，越来越多的隧道工程开始向地质复杂的偏远山区延伸，一些隧道同时存在涌水、突泥、瓦斯、断层破碎带等多种不良地质，安全风险极大。近年来，有害气体已成为隧道建设，特别是山区和丘陵地区隧道工程面临的一种常见的地质灾害，对人员安全是一种严重的威胁[1-8]。

有害气体常见于煤系地层隧道，如紫坪铺隧道[9]、家竹箐隧道[10]、红石岩隧道[11]等，非煤系地层出现有害气体溢出的工程案例较少，同时出现多种高浓度混合型有害气体逸出案例更为罕见，现有隧道施工规范仅对瓦斯隧道施工有相关要求，而对非煤系地层有害气体施工无相关系统性规定。国内外对隧道有害气体的研究虽然取得了诸多成果，但这些研究也多集中于煤系隧道，如早在1980 年，Nikolin，V． I． 等[12]就通过对亚美尼亚Arpa-Sevan 隧道瓦斯逸出现象的研究归纳了隧道有害气体易于流出的标志和防逸措施; 高扬[13]在2000 年对四川华蓥山隧道有害气体突出进行预测及提出防治措施;2017 年Massoud Morsali 等[14]研究了伊朗Nosoud 隧道内H2S 气体的成因机制与影响因素，并预测了气体的排放率。此外，在隧道有害气体的监测技术研究方面，大多是采用单一监测手段对有害气体监测，如任超[15]、刘斌洲等[16]采用便携式气体检测仪对隧道内有害气体进行监测; 龙菲等[17]采用在线监测系统对电缆隧道内的有害气体进行监测。2000 年，崔连友等人报道了华莹山隧道遭受煤层瓦斯、岩层瓦斯、油层瓦斯、硫化氢、天然气等多种有害气体威胁，利用光干涉瓦斯检查仪、“四合一”有害气体检测仪，对隧道有害气体进行了监测。

总结可见，国内外针对隧道中有害气体方面研究尚不深入，较少对有害气体成因、特性、危害特性进行系统研究，对有害气体监测手段也较为单一，尤其针对非煤地层有害气体研究更为罕见。本文针对正在施工的大临铁路红豆山隧道非煤系地层中出现的硫化氢(H2S) 、一氧化碳(CO) 、二氧化碳(CO2) 、二氧化硫(SO2) 、氨气(NH3) 、氢气(H2) 等多种高浓度混合有害气体，囊式有害气体发生的一些特性进行研究，采用人工监测和自动监测相结合的方式对隧道内有害气体进行监测，分析了隧道多种混合有害气体逸出特征、危害方式等特性，并通过研究形成一套非煤系地层实时掌握隧道多种有害气体类型及浓度的监测，在红豆山隧道进行应用。研究成果可为类似有害气体复杂地质条件的隧道施工安全提供宝贵经验。

2 工程实例分析

2．1 工程概况

大临铁路位于云南省西南部地区，北起广大线大理站，经大理州巍山县，跨越澜沧江后进入临沧市。红豆山隧道位于澜沧江以南，临沧市凤庆县及云县境内，隧道起讫里程DK114 +497 ～DK125 +113，全长10 616 m，最大埋深1 020 m。全隧共设2 座斜井和2 座洞身平导，1 号及2 号斜井平长分别为1 799 m，1 657 m; 1 号、2 号斜井平导长分别为1 124 m，990 m，辅助坑道布置如图1 所示。

图1 红豆山隧道示意图

隧道穿越地层主要为花岗质糜棱岩、黑云母花岗岩等。隧址区位于临沧复式花岗岩基北缘，澜沧江断裂与南汀河断裂挟持地段，区域内经历了长期、多次不同方式的构造运动，构造关系复杂，洞身发育7 条断层和1 个向斜，受构造影响强烈，岩体节理裂隙较发育，花岗岩地段风化程度较高，局部存在风化差异，预测隧道正常涌水量为26 480 m3，最大涌水量为52 950 m3，主要工程地质问题为高地温、高地应力、放射性、有害气体、花岗岩蚀变带等。

2．2 有害气体概况

2017 年6 月21 日，红豆山隧道花岗质糜棱岩地层发生疑似高压有害气体突出，为一种新型的自然灾害，为我国铁路建设中首次遇到非煤系地层高压有害气体突出灾害。

通过采样及现场监测结果分析，隧道前方及周边赋存硫化氢(H2S) 、一氧化碳(CO) 、二氧化碳(CO2) 、二氧化硫(SO2) 、氨气(NH3) 、二氧化氮(NO2) 、氢气(H2) 等多种高浓度混合有害气体，且长期处于高浓度状态。针对大临线非煤系地层有害气体危险区域等级进行划分，红豆山隧道高度、极高度危险区域达11 894 m，占隧道全长16 186 m(含辅助坑道) 的73．5%。因此，该隧道中有害气体为典型的非煤系地层高浓度多种有害气体混合的地质问题，对施工人员身体安全造成极大的威胁。

3 有害气体成因分析

工程区复杂的区域地质构造条件，造成区内深大断裂发育，岩体总体破碎，为地下水及有害气的流通、溢出及富集创造了条件。同时强烈的岩浆活动构建了区内复杂的水热活动环境，加上复杂的地层岩性，为温泉及二氧化碳(CO2) 、硫化氢(H2S) 等有害气体的形成提供了良好的条件。有害气体一般均能沿节理、裂隙通道缓慢渗透、溢出地表，对工程及环境造成危害，桥梁、路基等工程埋深浅，有害气体对桥梁、路基的基坑危害较小，隧道工程由于埋深较大，隐伏断裂及构造节理密集带等较为发育，遇有害气体的可能性较大，有害气体对隧道影响较大。

4 有害气体监测的内容、目的和标准

4．1 监测的内容

通过现场取样、监控量测及对比分析判断，明确了红豆山隧道有害气体检测和监测种类为9 种: 氧气(O2) 、瓦斯(CH4) 、一氧化碳(CO) 、二氧化碳(CO2) 、硫化氢(H2S) 、二氧化硫(SO2) 、氨气(NH3) 、二氧化氮(NO2) 、氢气(H2) 。

4．2 监测的目的

因硫化氢(H2S) 、一氧化碳(CO) 、氨气(NH3) 、二氧化氮(NO2) 、二氧化硫(SO2) 会引起中毒，瓦斯(CH4) 、氢气(H2) 在一定条件下会形成爆炸，氧气(O2) 含量不足或二氧化碳(CO2) 浓度过高麻痹中枢神经窒息。因此，施工中需实时监测隧道内各类气体的浓度，减少有害气体对人体的伤害。有害气体监测目的有:

1) 防止隧道施工过程中，有害气体浓度超限或聚集带来灾害，确保施工安全。

2) 根据有害气体浓度监测结果，分析有害气体分布规律、类型、含量、浓度、压力、涌出量，采取相应的技术措施。

3) 实时监测隧道内有害气体浓度、风速，通过自动监测设备将数据信息传送到洞口值班室，洞口值班室通过数据分析，对隧道通风实施动态管理。

4) 实时监测有害气体浓度，检验技术措施的效果，有效指导施工。

4．3 监测的标准

非煤系地层有害气体监测主要以《铁路工程不良地质勘察规程》(2012 版) 和《煤矿安全规程》为主要依据，并参照石油天然气、医院及化学常识，保证有害气体浓度控制在安全限值以内，隧道非煤系有害气体限值标准见表1。

表1 有害气体浓度安全限值

5 有害气体监测技术

5．1 有害气体监测方式

采用人工监测和自动监测相结合的方式对隧道内有害气体进行监测，将人工监测的针对性和自动监测的持续性有机的结合起来。

人工监测:由专业检测人员每班定时对作业环境内有害气体浓度检测。该方法对各类探孔及易形成有害气体聚集区域进行检测，灵活度高，操作方便。

自动监测:由于有害气体成分复杂，每种气体的特性不一，结合各种气体的密度与空气密度的关系，分析各种气体可能富集的区域，在隧道不同断面，断面不同位置布设气体检测探头，实时监测各类有害气体浓度变化。有害气体监测信息通过无线传输至洞口值班室，值班室显示并记录有害气体浓度变化情况。当监测发现有害气体浓度超标时，洞内有害气体探头自动声光报警，提醒洞内作业人员撤离，报警信息同时通过无线网络传送至洞口值班室，值班室接到报警信息，立即汇报值班领导，按照既定程序进行处理。

5．2 监测仪器选择和使用方法

根据红豆山隧道非煤系有害气体的特点，选择具有自动监测、报警和数据传输功能的自动监测设备和具有声光报警的便携式自动监测仪，宜选用高精度、大量程监测仪器。因各厂家、品牌的检测仪器性能、精度均有差异，应选择多种仪器，相互参照和印证。以红豆山隧道1 号斜井为例，有害气体监测仪器配置见表2。

表2 红豆山隧道1 号斜井有害气体监测仪器

5．3 监测人员配置

成立有害气体监测组，每个作业面由4 人组成，所有气体监测人员均经过专业技术培训，并取得瓦检员证书。4 人分2 组24 h 值班，做到分工明确。管理人员配备随身便携式气体检测仪，随时关注洞内环境有害气体浓度变化。所有施工人员经常注意洞内自动监测仪器的位置、气体浓度变化，形成全员监测局面。

5．4 监测技术要点

5．4．1人工检测与监测

1) 检测方法:由专业检测人员手持便携式检测仪器进行检测，记录其最大值。

2) 监测频率:每日当班前及爆破后对洞内空气、粉尘浓度及有害气体浓度进行人工监测，发现超标时必须加强通风，再经过复测后确定检测值未超限时，方可进行施工作业。在有害气体风险区域严格进行人工监测，每班监测不少于1 次。

3) 测点布置:未发现有害气体的段落，对掌子面空气环境及掌子面后方200 m 范围内空气环境中有害气体浓度进行检测，200 m 范围内按照每100 m 3 个断面，每个断面5 个点:即拱顶、两侧拱腰处和两侧墙脚处。

检测发现有害气体后，对掌子面空气环境及发现有害气体的段落环境有害气体浓度进行持续检测，每100 m 3 个断面，判定为高度、极高度危险区域每100 m 5 个断面，每个断面5 个点:即拱顶、两侧拱腰处和两侧墙脚处。

重点监测的风流和场地包括:开挖面回风流、放炮地点附近20 m 以内的风流、局部坍方冒顶处、各种作业台车和机械附近20 m 处以及隧道顶部局部凹陷有害气体易于聚集处等。

有害气体探测孔监测: 对超前水平探孔、加深炮孔、径向探孔内有害气体浓度进行检测，检测频率与作业环境内监测频率一致。施作有害气体探测孔时，有害气体监测人员需跟班作业，全过程监测探孔内有害气体浓度变化情况。

5．4．2自动监测

自动监测报警装置，每5 min 各探头自动采集一组数据，传输至洞口值班室电脑中显示、记录、分析、保存。每天对全天的浓度、风速的平均值、最大值进行计算，自动控制，自动监测数据全部保存。

1) 自动监测点布置。

根据有害气体密度与空气密度的大小关系，监测点布设原则为:有害气体密度较空气大的，监测探头布置在拱腰和拱脚;有害气体密度与空气相近的，监测探头布置在拱顶、拱腰和拱脚; 有害气体密度较空气小的，监测探头布置在拱顶和拱腰; 氧气探头布置在拱顶、拱腰和拱脚;为实时监测洞内通风质量，在回风巷布设风速探头，分别布置于拱顶、拱腰、拱脚位置。自动监测点布置见图2，布设方式A 适用于掌子面监测点布置，布设方式B 适用于回风巷监测点布置。

图2 有害气体自动监测点布置示意图

2) 监测断面布置。

根据非煤系有害气体的特性，监测断面在作业人员集中区域、易形成有害气体聚集的区域。一般设置在各开挖施工的掌子面、回风巷距离风管口后退60 m ～200 m、总回风巷，当有害气体变化较快时应增加监测点。以红豆山隧道1 号斜井3 个作业面同时施工为例，监测断面布置见图3。

图3 红豆山隧道1 号斜井有害气体监测断面布置示意图

3) 监测设备安装。

监测设备安装:根据监测断面、监测点设置，安装有害气体传感器，仪器距离洞壁20 cm ～40 cm。掌子面及回风巷后方60 m ～200 m 范围内有害气体探头必须随掌子面掘进而跟随移动。掌子面爆破时必须将掌子面探头后移一定的距离并加以保护，爆破后及时将掌子面探头复位。

信号传输系统:因隧道施工环境较差，长大距离监测系统传输电缆维护工作量大，一旦出现故障，维修难度大;另存在易燃易爆气体时，采用电缆传输信号危险性较大。因此监测系统信号传输采用无线网络，有害气体监测传感器与洞外终端通过无线网络连接，气体检测与监测信息通过无线网络传至洞口值班室。

6 监测数据收集和分析

6．1 监测数据收集

有害气体监测数据是指导隧道施工、协调各工序，保证施工安全的最基本的保障，施工过程中，做好有害气体监测数据的收集，有害气体专业检测人员做好各种有害气体浓度变化的记录，反馈现场; 由专业第三方检测单位开展监测的，第三方检测单位需每日出具正式书面报告，告知有害气体监测情况，对有害气体危险性进行预测，并提出针对性的建议。自动监测设备每天自动记录有害气体浓度变化情况，每日对监测数据进行分析、整理。

6．2 数据分析

为突出有害气体浓度变化趋势，将有害气体监测数据分类形成图表曲线，作为分析隧道有害气体浓度变化的依据。以红豆山隧道1 号斜井2017 年12 月～2018 年6 月各类探孔中二氧化碳浓度变化为例，浓度变化情况见图4。

图4 探孔内二氧化碳浓度变化曲线

分析红豆山隧道有害气体监测数据，可总结非煤系地层有害气体存在以下特点:

1) 随着掌子面掘进，有害气体浓度呈现出间歇性变化，且多次出现同一断面不同位置和同一位置不同时间浓度差异较大的现象，呈现出游离运动特点，表现出随机性，施工中需加强有害气体探测。

2) 监测数据显示，二氧化碳(CO2) 、硫化氢(H2S)气体长期处于高浓度状态，施工中需加强有害气体监测。

3) 检测出有害气体的种类繁多、性质复杂，且不排除有其他气体存在的可能性。

7 结语

1) 非煤系地层多种混合有害气体成分复杂，采用人工监测、自动监测系统，实现全方位监测，监测结果相互验证的监测体系是合理的和必要的。

2) 有害气体监测设备选择是至关重要的，针对有害气体的类型、特性，选择大量程、高精度、高灵敏度的仪器能够保证检测数据的准确性。自动监测数据采用无线传输，实现了快捷、无障碍传输，节约了成本，方便线路检修和维护。

3) 非煤系地层有害气体隧道具有多种类、高浓度、随机性和不稳定性等特点，做好有害气体监测工作，是隧道施工安全的最基本保障。

4) 非煤系地层红豆山隧道有害气体监测数据表明，有害气体浓度呈现间歇性变化，具有一定的游离特点，施工过程应加强监测。