代 勇
(四川南渝高速公路有限公司, 南充 637000)
华蓥山隧道进、出口分别位于渠县临巴镇杨家湾和大竹县田坝乡李家榜附近。左、右线最大埋深分别为577m和604m。左、右线隧道线间距为28.9m~37.328m。运营通风采用左洞全射流纵向式通风、右洞一座竖井分两区段送排式通风方案,竖井兼做左右洞排烟通道。
隧道正穿北北东向的华蓥山山脉,从洞口至洞身段穿越地层分别为侏罗系中、下统自流井组J1-2z、珍珠冲组J1z组泥岩、页岩夹砂岩;三叠系上统须家河组T3xj组砂岩、泥岩夹煤层;三叠系中、下统的雷口坡组T2l和嘉陵江组T1j组灰岩、白云岩等,局部夹盐溶角砾岩和石膏层。隧道洞身主要穿越华蓥山背斜和大峡口断裂(F1断层),隧道存在断层破碎带、岩溶及岩溶水、石膏及盐溶角砾岩、软弱围岩、煤层、采空区、瓦斯、H2S有毒有害气体等不良地质和特殊地质。
硫化氢气体具有毒性,对人体存在危害作用,目前国内外隧道开挖过程中出现硫化氢气体的工程仅大致有如下几例:
1993年美国洛杉矶进行地铁线路设计时,调查发现地下硫化氢浓度异常高。
武隆—水江路白云隧道掘进过程中,出现高浓度硫化氢气体,超过安全规范要求6.6ppm的13倍。
财神庙隧道施工过程中掌子面涌出硫化氢与瓦斯的混合气体,硫化氢浓度达到25ppm。
玉峰山隧道右线施工过程中,在铜锣峡背斜轴部区段涌水量突然加大,同时涌出大量硫化氢气体,浓度达到81ppm,导致速调施工停止。
王登隧道一号横洞施工过程中检测到硫化氢气体存在,浓度为17—19ppm。
目前对隧道硫化氢气体的运移、扩散、渗流研究基本为空白,没有对硫化氢气体渗流形成系统的研究。
硫化氢气体通常以游离状态和溶解状态存在,但是由于硫化氢气体极易溶于水又极易出于水的特性,硫化氢气体则主要以游离状态存在。华蓥山隧道穿越的雷口坡组(T2l)和嘉陵江组(T1j)地层可溶岩段含有天然气,并常拌含H2S。二叠系龙潭组(P2l)含煤地层位于嘉陵江组(T1j)下方,中间相隔飞仙关组(T1f)和长兴组(P2c)两地层组,间距约300多米(据区域资料),离隧道较近,硫化氢气体可能通过断层、大的构造贯通裂隙和地下水运移串至隧道。隧道内除直接揭露的煤层段含硫化氢气体外,在老窑、采空区、大的溶洞和封闭构造裂隙带也有可能聚集硫化氢有害气体。
硫化氢是一种无色、微甜、有臭鸡蛋味的极毒气体,分子式为H2S,0℃时的密度为1.5392g/L,极易溶于水,溶解度随温度上升而减小,0℃时1mL水可溶解4.67mL硫化氢。硫化氢在Ph=9的碱性溶液中的溶解度为中性溶液的50倍,在Ph=10的碱性溶液中的溶解度为中性溶液中溶解度的500倍。
硫化氢对人体的危害随浓度的变化情况见表1。硫化氢为无色气体,低浓度时具有臭鸡蛋样特殊臭味,高浓度时由于引起嗅神经麻痹而使人感觉臭味较小,易溶于水及醇类,比重1.19,故在隧道中多滞留于隧道底部而造成作业人员伤害。
表1 不同浓度硫化氢对人体危害表
硫化氢是一种剧烈的神经性毒物,可与组织中氧化型细胞色素氧化酶的三价铁化合,使酶丧失活性导致细胞内窒息,抑制大脑呼吸中枢及血运动中枢,刺激作用系因溶于粘膜表面的硫化氢与组织液中钠离子形成具有强烈刺激作用的硫化钠所致。在作业场所,硫化氢最高允许浓度为0.01g/m3,致死浓度为1.0g/m3,硫化氢急性中毒特征为浓度越低,对呼吸道及眼部刺激作用越明显浓度越高,全身作用越明显,表现为中枢神经系统症状和严重窒息症状,严重者可发生电击样死亡。
在自然界初始状态下,岩层未受到扰动时,岩层中的硫化氢气体处于动态平衡状态;当隧道开挖过程中岩体原有的平衡状态被破坏时,围岩内部的孔隙结构发生改变,岩体内部的气体动态平衡也被打破,使得硫化氢气体在围岩的孔裂隙结构中发生流动。
目前,普遍的观点认为岩层中气体的流动是扩散和渗流的混合过程,岩层孔隙内的流动可以用扩散理论进行描述,岩层裂隙内的流动则可用达西定律进行描述。
(1)通过数值模拟,不通风条件下,随着时间的增加,隧道内有毒有害气体的含量不断增加,且逐步蔓延到整个尚未设置衬砌隧道段。尤其是掌子面附近硫化氢气体浓度非常大,这与隧道施工过程中围岩受到破坏或扰动后裂隙加大有密切关系。掌子面附近硫化氢气体随时间积聚规律如图1所示。
图1 掌子面附近硫化氢浓度随时间变化曲线
由图1可知,掌子面附近1m处硫化氢远大于5m范围内硫化氢浓度,距离掌子面5m范围内则在2h时超过最大允许浓度,并且由计算结果可知,3h内充斥到整个隧道之中,隧道内硫化氢浓度整体超过6.6ppm,此种情况下应立即停止施工,进行治理。
(2)通过数值模拟,0.5m/s风速条件下,1min、5min、30min、1h硫化氢气体在尚未设置衬砌隧道段分布情况均一致,见图2。
图2 0.5m/s风速条件下隧道内硫化氢气体蔓延情况
分析以上结果可知,0.5m/s风速条件下,通风效果良好,与瓦斯通风计算结果相一致,隧道内硫化氢气体非常少,只有极少量积聚在速调洞壁及两个底角处。结合瓦斯和硫化氢气体的蔓延时间和蔓延趋势,隧道内停止通风时间不宜超过1.5h。
(3)已设置衬砌段隧道内无硫化氢气体渗入,故气密性良好的混凝土衬砌也是防止有毒有害气体渗入隧道的有效手段。
(1)掌子面通风。通风可为掌子面输入新鲜空气,同时将隧道内的毒害气体粉尘等杂质带出隧道,是降低有毒有害气体浓度,防止硫化氢气体积聚的有效手段。基于以上研究应为华蓥山隧道掘进中的掌子面输送不小于0.5m/s的风速。
(2)采用渗透率极小的气密性材料设置初支及二衬,可有效防止有毒有害气体的渗入。
(3)注浆。采用小导管封闭掌子面附近围岩及施工过程中未设置衬砌段的隧道围岩裂隙,防止有毒有害气体的渗入。
(4)超前探测,预先抽采。使用探测器材对掌子面前方60m范围内进行超前探测,并通过钻孔预先抽采毒害气体后再进行施工。
(5)向围岩裂隙内压送碱性化学制剂如石灰水可中和硫化氢气体。
[1]中铁二院工程集团有限责任公司.华蓥山隧道两阶段施工图设计.2011.
[2]王成平,王芳其,朱玉峰.玉峰山隧道硫化氢气体的预防和处治[J].公路交通技术,2010年4月第2期.
[3]吴道申.浅析铁路隧道工程硫化氢气体防治技术[J].建筑工程技术与设计,2015年第11期.
[4]陈明,赵向阳.硫化氢气体检测方法及安全防范措施[J].油气田环境保护,2011年2月.
[5]张文辉,刘冬梅,连贵宾.硫化氢去除技术现状及发展趋势[J].中国化工贸易,2015年8月.
[6]李庆扬.数值分析(第5版).清华大学出版社,2008年.