超长水工隧洞有毒有害气体施工防控技术

蒋 裕 飞

（中国水利水电第七工程局有限公司，四川成都 610213）

0 前 言

地下洞室在开挖过程中遇到的不可预见因素较多，有毒有害气体是其中之一，一旦对有毒有害气体监测不及时或采取的防治措施不当，就会给施工生产和人员生命安全造成极大的危害［1］，因此在施工中对有毒有害气体的监测和防治是非常重要的。本文结合固增水电站发生岩层中“气囊”（空腔）二次爆破现象，初步分析有毒有害气体的成因并重点探讨有毒有害气体的处理措施。

1 工程概况

固增水电站系木里河干流“一库六级”开发方案中的第五级，位于四川省木里县固增乡，为低闸引水式电站，由首部枢纽、引水系统、地面厂房等建筑物组成。其上游与俄公堡水电站尾水衔接，下游与立洲水电站水库相接。引水隧洞布置在木里河左岸，隧洞长约11.06km，纵坡为2.0869‰。引水隧洞为马蹄形，过流断面尺寸为6.1m×7.8m（底宽×高），共布置6条施工支洞。

引水隧洞地质结构变化频繁复杂，主要地质岩性由薄层～极薄层板岩、炭质页岩、中厚层变质石英砂岩、薄层～极薄层石英砂岩、钙质板岩、炭质板岩、硅质板岩、千枚化板岩、钙泥质板岩夹千枚岩、薄层灰岩夹板岩等组成，部分洞段岩性由冲洪积块碎石土组成。

自撒洼沟至915林场加油站对面冲沟段的地层岩性为奥陶系下统人工组的变质石英砂岩夹板岩。从地层岩性及岩石成因来看，具备形成有毒有害气体的地质条件；从岩体结构面状况来看，具备形成气体储存空间“气囊”的地质构造。

2 气体爆炸情况及有毒有害气体产生原因

4号施工支洞控制段下游（桩号：T7＋740m）进行爆破后，对洞内进行了强制通风；通风大约30min后，4号施工支洞洞口出现大量的烟雾，洞口有明显沼气味（腐臭味）；再次通风30min后，洞口无异常现象，现场气体检测人员佩戴ZYX45隔绝式压缩氧气自救器进入洞内检测，至三岔口部位发现，氧气浓度低于16%气体报警异常后，立即撤离至洞外，因通风时间较长，第一次检测氧气含量为19.7%，一氧化碳含量为8ppm，其他气体检测值为0；爆破12h后，检测人员佩戴正压式呼吸器进洞检查，气体无异常，但发现实际爆破后的渣量比爆破设计装药量爆破形成渣量多，且掌子面顶拱有垮塌现象，经设计、地质、技术等专业人员现场勘查，判定存在气体造成二次爆破现象。

地下工程建设过程中常遇到的有毒有害气体成因：①煤层气，瓦斯类气体，主要成分以甲烷、二氧化碳、氮气为主；②石油天然气，如页岩气、页岩油等；③地下矿物，如硫化物、黄铁矿、黄铜矿等在地下水及漫长地质演化过程中形成的以硫化氢、二氧化碳为主的气体。将现场地质查勘情况，结合工程临近并所属相同（近）地层的某电站长引水隧洞发生过极其严重的有毒气体中毒现象（硫化氢引起中毒，二氧化碳引起窒息），推断4号支洞下游的毒害气体属第③类成因。在固增水电站某一支洞开挖过程中，曾检测出微量的硫化氢气体；4号施工支洞主洞控制段下游开挖过程中选用双阀图层型采样不朽钢瓶，通过负压式采样，收集洞内钻孔作业过程中的气体，送至专业气体检测机构检测并分析岩层中气体成分，经检测发现存在硫元素、碳元素。综合分析认为，岩层内存在硫化氢、二氧化碳为主的有毒有害气体，而检测出的一氧化碳气体主要是由于爆破产生的。

3 有毒有害气体洞段施工防控技术措施

根据有毒有害气体特性，在处置过程中遵循“稀、排、测、防”的四字方针进行治理［2］。

“稀”就是通过确定合理的通风方案、增加相应的通风设备，达到增加输送洞内新鲜空气量的目的，使有毒有害气体浓度处于安全浓度范围内。

“排”是防止有毒有害气体突然释放后浓度骤增导致人员死亡或在爆破过程中发生二次爆炸而采取的预防措施，通过超前探孔和排放孔，提前了解掌握未开挖洞段的岩层特性及有毒有害气体的浓度。

“测”是在开挖及衬砌过程中通过合理的监测方案进行监测。

“防”是以人为本，为了保证进入隧洞内施工人员的安全，通过教育培训、佩戴防护面罩以及防护服以抵制有毒有害气体对人体的伤害，同时做好应急撤离。

3.1 稀释有毒有害气体的措施

洞内采用自然通风及机械通风，以保证通风量。洞口设置55kW×2台风机，风速1260m3／min，并进行24h通风，使洞内出露的毒害气体迅速稀释。对后续开挖过程中可能存在毒害气体的洞段，在掌子面部位增加局部通风设备，在钻爆台车顶部安装3.5kW的局部抽风机，风量为92m3／min，通过加大通风量，使气体流动并被稀释，防止毒害气体局部富集造成浓度升高，同时利用钻孔的供风设备对掌子面进行补风，保证掌子面钻孔以及隧洞开挖支护施工安全。

加强风筒管理，风筒吊挂平直，主支交汇处、弯头采用硬质带阀门三通，消灭大小破口，减少通风阻力和漏风，确保风筒出口处风量不小于50m3／min，掌子面回风速度不小于0.15m／s。进风流中，氧气浓度不低于20%，二氧化碳浓度不超过0.5%，同时施工过程中按照要求测风，如果测量值低于所需要的标准，应及时采取措施加强通风。专人定期对洞内通风设备运行情况进行检查，并做好维修保养记录，负责风机及风管的日常维护工作，保证通风效果［3］，若出现设备故障情况应及时维修。

洞内所有钻孔过程中，应安排专人用水管对钻孔部位进行喷洒，防止钻孔过程中钻头与岩石摩擦出现火花将可燃气体引爆，并对部分有毒有害气体进行稀释，保证钻孔过程中施工安全。

3.2 预排有毒有害气体的措施

有毒有害气体洞段掘进按照“有掘必探，先探后掘”的原则。在地质专业探测地质情况并出具地质报告的基础上，在掌子面钻设预排放孔，排放孔采用手风钻钻孔，孔长根据实际情况确定，一般排放孔采用5m打设一环、预留2.5m打设下一环。排放孔采用Φ42孔，横向间距为1m，竖向间距为1m，上下断面排放孔间距控制在1.5m。钻孔完成后采用便携式检测仪在孔口进行检测。如果探测孔气体浓度超标，则进行超前钻探与地质分析相结合的超前地质预报，利用SIR-3000型地质雷达、俄罗斯TGS-360pro设备开展地质超前预报，查明掌子面前方30m的围岩情况。这些措施不仅为隧洞施工开挖和支护提供依据和指导建议，还可以判断是否存在“气囊”现象。若存在“气囊”，可根据地质预报初步定位“气囊”位置，再通过泄压孔定向泄压。

掘进过程中，增加超前探孔深度及数量，提前了解掌握未开挖洞段的岩层特性及释放的有毒有害气体，避免有毒有害气体在开挖过程中集中释放，造成短期洞内浓度过大。采用潜孔钻QZJ-100B进行超前物探孔施工，孔径不小于50mm，孔深不小于20m，孔数不少于3个，特殊洞段孔数不少于5个（根据现场实际情况可增加）［4］。超前物探孔施工时，工作人员必须随身携带有毒有害气体检测仪及应急物资（防毒面具、正压式呼吸器等），在钻孔过程中，若发现存在有毒有害气体释放，立即通知洞内作业人员及时撤离至洞外，防止有毒有害气体对人员造成伤害。超前探孔布置情况见图1～2。

图1 常规洞段孔位布置（单位：cm）

为防止开挖线以外有毒有害气囊的存在，开挖施工采用短进尺、弱爆破的方式进行爆破作业，每循环开挖控制在1.5m以内，钻探过程和钻探完成后，用有毒有害气体检测仪器进行检测，探明是否存在有毒有害气体及其浓度，并记录和绘制有毒有害气体浓度-里程曲线，分析掘进前方有毒有害气体赋存情况，指导掘进施工和管理。

图2 特殊洞段孔位布置（单位：cm）

3.3 监测有毒有害气体的措施

（1）采购足够数量PGM6208（进口）多功能气体检测仪（可测氮氧化合物、硫化物、碳氧化合物、可燃气体等）或AS8900B四合一气体检测仪器（可测硫化氢、一氧化碳、氧气、可燃气体等）。

（2）采取设备和活物相结合的检测方式，由专人进行有毒有害气体检测工作。根据地质雷达、设计地质岩层分析及经验判断，在掘进过程中对毒害气体隧道作业面造孔采用固定式与移动式相结合的方式连续不断地进行检测；便携式检测仪器固定在有毒有害气体溢出段两侧边墙距底板1.5m处，距离掌子面施工区域50m，并制定专人进行巡查记录，每30min记录一次；带班人员、专职检测人员、安全员、质检员等携带6台AS8900B四合一气体检测仪器，并佩戴口哨、铜锣或射光灯；检测员应如实记录检测情况，并将检测时间、检测地点每30 min通过应急电话汇报于洞外值班室值班人员，洞外值班员应如实记录，方便了解洞内情况；洞内掌子面施工时段，在附近进行有毒有害气体测试，作为参考。

（3）隧洞开挖深度较深（平均至支洞约1.1km），所有洞段爆破后通风由原30min延长至1h。通风时间达标后，由气体检测人员手持便携式氧气罐或ZYX45隔绝式压缩氧气自救器，徒步进洞进行气体检测，检测安全后，通过洞内电话通知作业人员进洞作业，洞内爆破后必须严格按照“先通风、再检测、后作业”的方式进行，爆破后检测人员着防静电服装进洞检测。

（4）在钻孔过程中，选用双阀型不锈钢瓶，通过负压式采样，收集洞内钻孔作业过程中气体，送至专业气体检测机构检测并分析岩层中气体成分，为后续施工提供依据和指导。

（5）检测仪器必须由专人使用、保管，按要求定期调校、保养维护，并建立相应的台账，将仪器的使用情况、调校情况、故障情况、维修保养情况等逐一记录。

3.4 防护有毒有害气体的措施

（1）组织隧洞施工全员进行安全教育，重点讲解隧洞施工毒害气体的危害及有关防护，熟悉应急物资使用方法，保证全员了解毒害气体的防治技术措施、组织措施、防护措施等；制定专项应急预案，并开展全员应急演练。

（2）认真落实班前五分钟活动，所有人员进洞必须穿防静电服装，严禁携带火源。

（3）把控钻孔作业环节，严格控制钻孔作业人员数量，钻孔作业时必须保证作业面通风良好。结合地质雷达及超前地质预报，对极可能出现有毒有害气体但未开挖工作面，钻孔作业人员、监测人员必须佩戴ZYX45隔绝式压缩氧气自救器，并实时监测洞内气体状况，其他低风险洞段钻孔作业人员、监测人员必须携带ZYX45隔绝式压缩氧气自救器，便于及时使用。

（4）严抓重点作业环节，严格按照设计要求进行装填炸药，同时严控单个循环的开挖进尺及爆破装药量。爆破作业前，确保同一个支洞三岔口上下游作业面作业人员全部撤离后，由一名爆破员在三叉口实施引爆（佩戴ZYX45隔绝式压缩氧气自救器），具备条件的情况下尽可能在洞外引爆。

（5）在掌子面及其附近设置应急箱，根据情况备足个人防护设备（便携式氧气罐或ZYX45隔绝式压缩氧气自救器、唐丰防毒面罩配7号罐）。一旦检测人员发现有毒有害气体超标，应按照应急预案立即暂停洞内所有施工项目，组织人员撤离。撤离人员及时佩戴设置于工作面应急包中的安全防护用品，待检测各种有害气体浓度降至安全标准之前，任何人员严禁进入隧洞［5］。

（6）发生紧急事件必须进行应急处理时，进入 人员需严格佩戴防毒面具，穿着防毒服，从支洞口手持便携式检测仪检测洞口回风流中的有毒有害气体含量。当含量在允许值范围时，工作人员逐步进入施工区域，待工作完毕后，及时淋浴并换洗工作服。作业人员应学会自救互救，进入施工现场须有人监护。

4 结 语

有毒有害气体在自然界广泛存在，当达到一定浓度后才会对人员造成损害。从上游某水电站有毒有害气体的工程经验来看，有毒有害气体突然释放、爆炸、燃烧一般发生在隧洞开挖爆破阶段。钻进过程中，由于气体沿钻孔释放的量有限，发生燃烧、爆炸的概率较低，施工人员在做好监测、防护等措施的前提下，如现场发现有气体释放迹象，应及时撤离。本工程在长距离有毒有害气体出露隧洞段的施工过程中采取了“稀、排、测、防”等措施，实现了有毒有害气体洞段的安全施工，及隧洞的安全顺利贯通。