六盘山隧道穿越有毒有害气体地层施工技术探讨

周学胜

摘 要：有毒有害气体为隧道施工过程中经常遇到的情况。六盘山隧道为新建天平铁路第一特长隧道，隧道2#斜井施工区需要穿越含H2S地层，有毒有害气体施工质量都对隧道施工产生很大的影响，施工中的每一点疏忽都可能造成安全隐患。因此，论文就隧道穿越该段施工中的工序控制、规范施工进行论述，就施工过程中加强管理等措施进行分析，提出了隧道穿越有毒有害气体环境下的隧道施工的预防、治理措施，确保了隧道的施工安全，取得了良好的效果。

关键词：隧道工程 H2S气体 防治措施 施工技术

中图分类号：U457 文献标志码：A 文章编号：1672-3791（2014）01（b）-0040-04

1 工程概况

新建天平铁路六盘山隧道位于甘肃省平凉市华亭县六盘山山脉，隧道起讫里程DIK83+498～DIK100+217，全长16719 m，为全线最长的小断面越岭隧道。隧道进口位于华亭县麻庵乡三角城左侧河谷内，出口位于华亭县西华镇青林村。隧道全部段落均为下坡，坡率分别为5‰/2752 m、6‰/400 m、13‰/13550m、0‰/17 m。进口端574 m为莲花台车站双线隧道。根据区域地质资料及现场调查显示，隧道通过二条区域性大断裂和一条次级断层，二处不整合接触节理密集带等。隧道设计断面较小（Ⅱ级44.42 m2、Ⅲ级48.22 m2、Ⅳ级49.45 m2、Ⅴ级54.75 m2），各工序施工干扰大，机械通行会让困难，导致施工进度缓慢，如何解决小断面隧道快速施工，是我项目部一直研究的课题。

2 隧道穿越有害气体段安全施工技术

2.1 H2S气体的产生情况

2012年11月6日六盘山隧道2#斜井，掌子面施工至DIK90+673时，出现臭鸡蛋气味；随着施工的推进，气味逐渐加重，导致作业工人出现不同程度的恶心，并伴有呕吐现象。随后于2012年11月8日在掌子面进行了TSP探测；2012年11月11号在掌子面DIK90+692进行了超前水平钻探。超前地质预报、钻探结果及现场观测表明：掌子面DIK90+692～DIK90+699共7 m范围内，其围岩掌子面基本相同，以砂岩夹泥岩为主；其后围岩强度有增加趋势。在掌子面超前钻进过程中，钻杆沾有黑色油状物，难溶于水；在隧道的日常巡查中，发现已完成初支段局部有黑色发青油色物质渗出，在DIK90+580线路右侧初支表面可见较大范围的油渍痕迹（见图2）。

至2012年11月14日，掌子面推进到DIK90+704后发现围岩岩相出现变化，岩石颜色逐渐变成深灰色，臭味加重，且掌子面线路右侧出现较大的基岩裂隙水（见图1）。掌子面附近被水浸过的混凝土颜色变为深绿色，且拱顶超前锚杆上有油渍滴出，经观察此物质对混凝土及钢筋有腐蚀作用。随着时间的延长，掌子面围岩上聚集了越来越多的油状物。在此期间，施工作业过程中共有3人次出现留鼻血症状，多人出现头晕呕吐症状，共计9人次到华亭人民医院就诊。

2.2 水及H2S气体的检测

掌子面施工到DIK90+673时，出现臭鸡蛋味气体时出现的基岩裂隙水，设计院水样分析pH值为8.6，硫酸根离子高达6538.8 mg/L，此外还含有氯离子和碳酸根离子。此处的基岩裂隙水能严重的化学侵蚀环境。在掌子面附近的弃砟表面出现大量的絮状结晶盐（见图3）。

2012年11月24日施工单位委托西安建筑科技大学对2#斜井出现的有害气体及水样进行了取样（见表1），2012年11月25日～11月28日进行了检测，经检测该气体组成为硫化氢（H2S）、一氧化碳（CO），H2S气体检测最高为6.03 mg/m3，水样中（S2-）含量为18.79～23.11 mg/L（详见检测报告）。后现场使用复合气体探测仪测出掌子面通风前CO浓度为18～22 ppm，通风后CO浓度为10～14 ppm；斜井内CO浓度为40 ppm（见图4）。

2.3 H2S气体对人体的危害及施工重、难点

H2S气体是强烈的神经毒素，对鼻腔粘膜有强烈刺激作用。六盘山隧道2#斜井单头工作面掘进段落长，存在长距离反坡施工、通风（最长达4162 m）、大高差施工排水等施工难点；地质情况复杂，断面小，工序干扰大，工程风险大，工期紧张，2#斜井平凉方向与3#斜井天水方向之间为六盘山隧道节点工期控制段落，对工期影响较大。环境保护任务重、责任大。工程沿线地区植被发育，森林密布，属甘肃省重点森林保护区，生态环境脆弱，环、水保要求高，施工过程中必须自始至终做好弃碴、污水排放等工作，努力将工程施工对周围环境的影响降至最低，建设绿色生态铁路。2#斜井有毒有害气体段施工重、难点及施工对策见表2所示。

2.4 有毒有害气体及水的控制措施

2.4.1 有毒有害气体的监测

由天平铁路第四项目部安质部组建专门的监测机构，由安全总监周会带领，在含H2S、CO气体的段落必须进行作业前对施工段的气体浓度检测。按照及时、高效的原则进行日常施工监测。为保证检测的有效性、准确性及专业性，成立以现场专职安全员为主，针对有毒有害气体的检测工班。在正式检测之前对所有参与检测的人员进行培训，主要在如何检测、如何记录、出现异常情况如何处理等方面进行重点培训，培训后进行考核，考核合格方可上岗。

针对隧道内不同气体，分别进行检测，及时记录。检测分为固定检测和移动检测。可同时对H2S、CO、O2进行检测。固定检测为全天不间断检测，设置于距离掌子面20 m处，在初支焊接，固定台架，将固定式检测仪器放置在台架上。移动检测采用便携式检测设备，主要在施工作业前，作业过程中进行检测，检测频率约20～30（min/次），在检测过程中可加大检测次数，频繁进行检测。每工序作业前对国内气体施行检测签证制度，要求有毒有害气体降到施工允许浓度，并经现场监理和现场负责人共同签认后才允许作业人员进入施工。endprint

对H2S气体固定检测仪器选用CGD-I-1H2S型检测仪，其检测范围为0～1000 ppm，当浓度超过10 ppm时仪器报警。移动检测选用ADY-4手持式复合气体检测仪，其检测范围为0～100 ppm，当浓度超过5 ppm时仪器报警。当浓度超过10 ppm时，迅速撤离人员，加强通风。对CO气体固定检测仪器选用CGD-I-1CO型检测仪，其检测范围为0～2000 ppm，当浓度超过50 ppm时仪器报警。移动检测选用ADY-4手持式复合气体检测仪，其检测范围为0～1000 ppm，当浓度超过30 ppm时仪器报警。当浓度超过50 ppm时，迅速撤离人员，加强通风。对CO2气体固定检测仪器选用CGD-I-1O2型检测仪，其检测范围为0～30%，当浓度低于19%时仪器报警。移动检测选用ADY-4手持式复合气体检测仪，其检测范围为0～25%，当浓度低于19.5%时仪器报警。当浓度低于19.5%时，迅速撤离人员，加强通风。

2.4.2 含H2S、CO气体段落施工通风

含H2S、CO气体段落加强通风。采用混合式通风，洞外增加一台220 kw压入式风机，在斜井X11+00处和正洞DIK90+320大避车洞处各加设一台220 kw压入式风机，与洞外压入式风机形成接力，风带接至距离掌子面不大于20 m的位置，对掌子面进行24小时不间断通风。在距离掌子面40 m处增设吸出式风机，风机前端接加劲管至掌子面，以利于掌子面附近气体被吸出。具体风机平面布置见图5所示。风机选用SDF（B）-NO.10～12.5型通风机。风管选用φ1300 mm的PVC高强长纤维布基拉链式软风管，风管节长25 m，转弯处用薄壁钢管。软风管悬挂在拱腰位置。

2.4.3 对含H2S、CO气体段施工前预排放

为预防出现有毒可燃性气体浓度突然增大，保证施工安全顺利进行，在掌子面开挖前对掌子面施做超前探孔，超前探测气体浓度、围岩及地下水情况，每35 m施做3个长度不小于40 m的超前探孔。在施工中重视超前地质预测预报工作，坚持超前探孔，保证探孔施工的连续性，有疑问段应采用短探孔验证，做到对前方情况心中有数，确保万无一失。

2.4.4 对有毒有害气体段碱中和处理

为降低掌子面及附近H2S浓度，确保施工安全，要求在各工序前对掌子面及周围工作区域喷洒生石灰水，对施工环境中的弱酸进行中和处理，防止H2S气体扩散及酸性溶液对施工人员身体造成伤害，尽可能避免对隧道实体工程造成不利影响。

在距掌子面10 m处，安放一储水桶，储水桶内灌入生石灰水，由专职安全员对掌子面附近使用喷雾器喷洒生石灰水，中和空气中的H2S气体，减小H2S气体浓度。

2.4.5 对水的处理

为保护环境，在洞口增设三级化学处理池，在处理池内撒拌生石灰，以达到沉淀水中硫酸根和氯离子的要求，处理达标后进行集中排放。化学处理流程，必须对各沉淀池定期进行清理，保证污水沉淀处理效果。三级处理池统一按照5 m（长）×3 m（宽）×2 m（深）的规格尺寸进行设置，对处理池浇筑50 cm厚C15混凝土护壁，表层采用砂浆抹面5 cm，底板浇筑50 cm厚混凝土。结构尺寸见图6。

2.5 有毒有害气体段洞身施工方法及工艺

对有毒有害气体段Ⅲ级围岩采用全断面法开挖，Ⅳ级围岩采用（短）台阶法开挖。施工时采用TSP等物探技术对围岩地质情况进行超前探测，坚持“光面爆破、喷锚紧跟、监控量测、及时反馈和修正”的原则，形成开挖、出碴、喷锚支护与混凝土衬砌相配合的流水作业。

2.5.1 径向注浆

为预防H2S、CO等有毒可燃性气体浓度突然增大的状况，保证施工安全顺利进行，自DIK90+668里程起，5 m范围内注1：1水泥单液浆全环封闭围岩，注浆管采用φ42×4 mm小导管，导管长4m，间距1.2× 1.2 m，梅花型布置，扩散半径为2 m；注浆压力1.5～2.0 MPa。单液径向注浆工艺流程图及示意图见图7所示。

2.5.2 注浆孔布置

注浆孔按浆液按扩散半径R=2.0 m计算布设，注浆孔按梅花型布置，孔口环向间距约120 cm，纵向间距120 cm。单孔注浆深度6.0 m，全断面布置注浆孔21个，平均每延米注浆孔18个。

注浆孔采用风机钻孔，方向为隧道断面径向，孔径为45 mm，比小导管外径大3 mm。钻孔孔位最大允许偏差为50 mm，钻孔偏斜率最大允许偏差为0.5%，即200 mm。

2.5.3 小导管设计参数

小导管采用φ42 mm（外径），壁厚4 mm的热轧无缝钢管，钢管长4 m。外露10 cm以便于注浆操作。小导管孔口处焊接闸阀式止浆阀。

2.5.4 注浆压力

注浆初期选择：P1～P3=1.5～2.0 Mpa作为参考使用值，转入正常注浆后，根据注浆中的具体情况再加以修正，选择合适的注浆压力。

2.5.5 注浆材料及设备

六盘山隧道2#斜井工区平凉方向围岩节理较发育、存在地下基岩裂隙水，注浆主要目的为封堵基岩裂隙溢出的含有H2S的水质，由于目前水量不大，根据四方会议纪要采用水泥单液浆进行封堵。如后续施工中基岩裂隙率增大，水量增加，气体浓度加大，为了保证施工后期安全，则采用无毒无污染的水泥—水玻璃双液浆。

2.5.6 注浆范围及注浆量

注浆范围为自DIK90+668开始，至掌子面不再有有毒有害气体溢出结束。注浆工程量以现场监理工程师签认为准。为了满足经济、合理的原则，在开挖过程中对围岩渗水情况进行了详细的调查和记录，并在开挖以后进行了长期的统计，以准确掌握渗水状况，为注浆固结提供基础依据。注浆布置示意如图8所示。注浆根据分区段分序进行注浆，以一个作业台架长度5 m左右为一个注浆段落，根据注浆孔在隧道展开面上的布置。endprint

2.5.7 注浆施工注意事项

检查注浆材料数量能否满足连续注浆要求；进行注浆系统的安全检查。

压水试验：注浆之前检查机械运行情况、管路密封情况、进浆管的进浆情况。试验压力不低于1.3～1.5倍的终压，即2.6～3.0 MPa。压水试验进行三次，每次5 min，试验完成后，把水放掉。

注浆顺序：沿隧道轴线由低到高、由下往上、先注边墙，后注隧道拱部，最后注仰拱。

单孔注浆结束条件：达到终压后并稳定10 min，且注浆量不小于设计注浆量的80%、进浆速度为开始进浆速度的1/4；注浆过程中要随时观察注浆压力及注浆泵排浆量的变化情况，分析注浆情况，防止堵管、跑浆、漏浆。做好注浆记录，包括孔位、孔径、孔深、浆液配比、注浆压力、注浆量等，以便于分析注浆效果。

注浆效果检查：注浆后在分析资料的基础上采用压水试验和现场观察法检查注浆效果。当初期支护表面有线状出水或面状渗水，或者压水试验时检查孔的吸水量大于1.0 L/（min·m）时，必须进行补充注浆；注浆结束后，及时将注浆孔和检查孔封堵密实。

3 结论

六盘山隧道具有“断面小、地质条件复杂、施工程序繁多、洞内物流组织难”等特点，特别是隧道穿越有毒有害气体段落施工，国内外尚缺乏同类型隧道的成熟设计、施工经验可供借鉴。因此，依托在建的六盘山隧道，开展复杂地质条件下小断面特长隧道穿越有毒有害气体洞段的综合快速施工技术研究具有重要的理论意义和现实意义。

有毒有害气体施工质量都对隧道施工产生很大的影响，施工中的每一点疏忽都可能造成安全隐患。因此，应加强对每道工序的施工控制，严格按规范施工确保施工达到防、治效果，使隧道安全施工有保证。除了施工和技术方面的因素外，加强管理也是一个至关重要的因素。用长远发展的眼光看，只有加强管理，努力提高整体技术水平，才能保证工期，创优质工程，才能获得良好的经济效益和社会效益，企业才能得以发展。通过现场施工人员和科技人员的共同努力，六盘山隧道目前已经通过了有毒有害气体洞段的施工，取得了良好效果。该施工技术对穿越同类地层的隧道工程的设计和施工具有重大的指导和借鉴价值，对提高我国隧道工程领域的总体技术水平具有一定的积极意义。

参考文献

[1] 吴应明.华蓥山隧道有害气体监测与综合治理技术[J].现代隧道技术，2003，4：68-73.

[2] 袁栖，李生彬，杨鸽，等.新疆奎先隧道有害气体的监测与评价[J].广东化工，2012，13：126-127.

[3] 杨昌智，孙一坚，黄卡.铁路双线隧道有害气体分布规律的研究[A]//中国建筑学会暖通空调专业委员会、中国制冷学会第五专业委员会.全国暖通空调制冷1998年学术文集.中国建筑学会暖通空调专业委员会、中国制冷学会第五专业委员会，1998：5.

[4] 郝俊锁.兰渝铁路梅岭关隧道地质特征与有害气体防治的探讨[J].隧道建设，2011，5：550-554，565.

[5] 谢尊贤，朱永全，赖涤泉，等.高原隧道施工工程机械有害气体排放特性[J].长安大学学报：自然科学版，2011，6：105-110.

[6] 王广启，王智勇.京九铁路23座施工隧道粉尘浓度与有害气体的监测[J].铁道劳动安全卫生与环保，1997，3：32-34.

[7] 邵俊江，王国欣.公路隧道施工中有害气体的治理与安全措施[J].西部探矿工程，2006，3：306-307.endprint

2.5.7 注浆施工注意事项

检查注浆材料数量能否满足连续注浆要求；进行注浆系统的安全检查。

压水试验：注浆之前检查机械运行情况、管路密封情况、进浆管的进浆情况。试验压力不低于1.3～1.5倍的终压，即2.6～3.0 MPa。压水试验进行三次，每次5 min，试验完成后，把水放掉。

注浆顺序：沿隧道轴线由低到高、由下往上、先注边墙，后注隧道拱部，最后注仰拱。

单孔注浆结束条件：达到终压后并稳定10 min，且注浆量不小于设计注浆量的80%、进浆速度为开始进浆速度的1/4；注浆过程中要随时观察注浆压力及注浆泵排浆量的变化情况，分析注浆情况，防止堵管、跑浆、漏浆。做好注浆记录，包括孔位、孔径、孔深、浆液配比、注浆压力、注浆量等，以便于分析注浆效果。

注浆效果检查：注浆后在分析资料的基础上采用压水试验和现场观察法检查注浆效果。当初期支护表面有线状出水或面状渗水，或者压水试验时检查孔的吸水量大于1.0 L/（min·m）时，必须进行补充注浆；注浆结束后，及时将注浆孔和检查孔封堵密实。

3 结论

六盘山隧道具有“断面小、地质条件复杂、施工程序繁多、洞内物流组织难”等特点，特别是隧道穿越有毒有害气体段落施工，国内外尚缺乏同类型隧道的成熟设计、施工经验可供借鉴。因此，依托在建的六盘山隧道，开展复杂地质条件下小断面特长隧道穿越有毒有害气体洞段的综合快速施工技术研究具有重要的理论意义和现实意义。

有毒有害气体施工质量都对隧道施工产生很大的影响，施工中的每一点疏忽都可能造成安全隐患。因此，应加强对每道工序的施工控制，严格按规范施工确保施工达到防、治效果，使隧道安全施工有保证。除了施工和技术方面的因素外，加强管理也是一个至关重要的因素。用长远发展的眼光看，只有加强管理，努力提高整体技术水平，才能保证工期，创优质工程，才能获得良好的经济效益和社会效益，企业才能得以发展。通过现场施工人员和科技人员的共同努力，六盘山隧道目前已经通过了有毒有害气体洞段的施工，取得了良好效果。该施工技术对穿越同类地层的隧道工程的设计和施工具有重大的指导和借鉴价值，对提高我国隧道工程领域的总体技术水平具有一定的积极意义。

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2.5.7 注浆施工注意事项

检查注浆材料数量能否满足连续注浆要求；进行注浆系统的安全检查。

压水试验：注浆之前检查机械运行情况、管路密封情况、进浆管的进浆情况。试验压力不低于1.3～1.5倍的终压，即2.6～3.0 MPa。压水试验进行三次，每次5 min，试验完成后，把水放掉。

注浆顺序：沿隧道轴线由低到高、由下往上、先注边墙，后注隧道拱部，最后注仰拱。

单孔注浆结束条件：达到终压后并稳定10 min，且注浆量不小于设计注浆量的80%、进浆速度为开始进浆速度的1/4；注浆过程中要随时观察注浆压力及注浆泵排浆量的变化情况，分析注浆情况，防止堵管、跑浆、漏浆。做好注浆记录，包括孔位、孔径、孔深、浆液配比、注浆压力、注浆量等，以便于分析注浆效果。

注浆效果检查：注浆后在分析资料的基础上采用压水试验和现场观察法检查注浆效果。当初期支护表面有线状出水或面状渗水，或者压水试验时检查孔的吸水量大于1.0 L/（min·m）时，必须进行补充注浆；注浆结束后，及时将注浆孔和检查孔封堵密实。

3 结论

六盘山隧道具有“断面小、地质条件复杂、施工程序繁多、洞内物流组织难”等特点，特别是隧道穿越有毒有害气体段落施工，国内外尚缺乏同类型隧道的成熟设计、施工经验可供借鉴。因此，依托在建的六盘山隧道，开展复杂地质条件下小断面特长隧道穿越有毒有害气体洞段的综合快速施工技术研究具有重要的理论意义和现实意义。

有毒有害气体施工质量都对隧道施工产生很大的影响，施工中的每一点疏忽都可能造成安全隐患。因此，应加强对每道工序的施工控制，严格按规范施工确保施工达到防、治效果，使隧道安全施工有保证。除了施工和技术方面的因素外，加强管理也是一个至关重要的因素。用长远发展的眼光看，只有加强管理，努力提高整体技术水平，才能保证工期，创优质工程，才能获得良好的经济效益和社会效益，企业才能得以发展。通过现场施工人员和科技人员的共同努力，六盘山隧道目前已经通过了有毒有害气体洞段的施工，取得了良好效果。该施工技术对穿越同类地层的隧道工程的设计和施工具有重大的指导和借鉴价值，对提高我国隧道工程领域的总体技术水平具有一定的积极意义。

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