狮子山隧洞氯气赋存特性及综合控制技术研究

郝俊锁 刘俊峰 李 勇

(中铁十八局集团第二工程有限公司，河北 丰润 064000)

随着我国基础设施的建设，越来越多的地下工程不可避免需要穿越大量有毒有害气体地层，给工程建设带来极大的风险和挑战。因此，开展有毒有害气体的赋存特征及其综合控制技术研究具有一定的急迫性。

天然地层中有害气体的来源主要有两大类。一是成岩过程伴随生成物或矿物因水解、高温、氧化还原等物理、化学作用产生的有毒有害气体，为与地层岩性和岩石的矿物成分密切相关的母质类型。主要是以甲烷为主的烃类气体(同时伴有CO2、H2、N2、H2S、SO2、CO)、放射性氡气、岩石分解气(如CO2、H2S、SO2、CO)等。研究对象主要包括煤系地层[1-2]，含放射性铀地层[3-4]，含黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿、硫磺等矿物地层[5]，研究内容为有毒有害气体成因及其对工程建设的影响与防治等。另一类是与构造活动单元有关的储存型，断层、裂隙是有毒气体扩散运移到其他地层中的通道，岩石中的空隙、裂隙等是其储气层。研究对象主要包括浅层天然气成因、运移及其对工程的影响[6-7]，断裂构造复杂地层有害气体的成因机制和运移模式对工程的影响等[8-9]。

综上所述，目前国内外学者对赋存有毒有害气体的地下工程已有较多研究，但是鲜有涉及赋存氯气的地下工程的研究。本文以滇中引水工程狮子山隧洞为例，通过工程勘察和现场实测数据探讨氯气的成因、聚集和储存机理，并参考其他行业规范研究地下工程建设中的氯气危害识别方法与标准，最终提出隧洞施工中的氯气检测方法与防治措施。研究结果可供狮子山隧洞及其类似工程借鉴和参考。

1 工程概况

滇中引水工程输水总干渠引水线路总长664km，其中隧洞58座，累计长度612km，占线路长度的92%。其中，狮子山隧洞位于宾川县，全长29.420km。隧洞设计流量125m3/s，净断面采用马蹄形，R=4.60m，宽×高=9.20m×9.20m，底坡1/4200。隧洞穿越DLⅡ47+945～49+201段，CWZK237钻孔表明地层岩性为强风化、弱风化粗粒花岗岩，地层中Cl2超标，为规定限值的1.3倍。DLⅡ47+945～49+201段的隧洞纵断面见图1。

图1 狮子山隧洞穿越有毒有害气体段纵断面

2 现场测试

依据固定污染源排气中氯气的测定甲基橙分光光度法(HJ/T 30—1999)，采用崂应2050空气/智能TSP综合采样器对Cl2进行监测，狮子山隧洞4号支洞主洞施工里程下游段，经现场手持气体检测仪检测发现主洞内已存有Cl2。取样检测共计8组样品，检测报告结果见表1。检测结果表明现场主洞工作场所内含有Cl2，最大含量3.469mg/m3，且均超过《工作场所有害因素职业接触限值 第1部分：化学有害因素》(GBZ 2.1—2019)中规定“工作场所Cl2职业接触限值(MAC)为1.0mg/m3(换算为0.3ppm)”的要求。岩层中有毒有害气体按来源分为有机成因和无机成因[10-12]。本工程Cl2赋存于岩浆岩地层，主要是由岩浆活动、无机盐类分解等产生的气体，存储在花岗岩纳米级孔隙中。现场监测结果表明在新鲜、未风化岩体中Cl2含量相对较高，富水或裂隙发育洞段基本检测不到Cl2。这是因为岩体受地质构造运动、岩体风化作用等，Cl2沿裂隙释放或溶于地下水。

表1 氯气现场检测结果

3 氯气特性及风险识别

3.1 特性及危害

氯气，常温常压下为黄绿色、有强烈刺激性气味的有毒气体，密度比空气大，可溶于水，易压缩，可液化为金黄色液态氯，是氯碱工业的主要产品之一，可用作为强氧化剂。Cl2中混和体积分数为5%以上的氢气时遇强光有爆炸的危险。Cl2能与有机物和无机物进行取代反应和加成反应生成多种氯化物。

a.物理性质。通常情况下为有强烈刺激性气味的黄绿色的有毒气体。氯气密度是空气密度的2.5倍，标况下ρ=3.21kg/m3。可溶于水，且易溶于四氯化碳等有机溶剂，难溶于饱和食盐水。1体积水在常温下可溶解2体积氯气，形成黄绿色氯水。

b.化学性质。Cl2具有强氧化性，与许多类物质都能反应，如金属(钠、铁、铜等)、非金属(氢气、磷等)、化合物(水、碱等)。Cl2与水反应的产物为盐酸和次氯酸：

Cl2+H2O=HCl+HClO

c.毒理学。Cl2吸入人体后，主要作用于气管、支气管、细支气管和肺泡，导致相应的病变，部分氯气又可由呼吸道呼出。人体对Cl2的嗅阈为0.06mg/m3。人对不同浓度Cl2的反应见表2[13]。当Cl2浓度高达30000mg/m3时，一般滤过性防毒面具也无保护作用。

表2 人对不同浓度氯气的反应

3.2 施工风险识别

依据安全生产法和职业病防治法，以《氯气安全规程》(GB 11984—2008)、《工业企业设计卫生标准》(GBZ 1—2010)、《工作场所有害因素职业接触限值 第1部分：化学有害因素》(GBZ 2.1—2019)和《氯气职业危害防护导则》(GBZ/T 275—2016)、《个体防护装备选用规范》(GB/T 11651—2008)等作为狮子山隧洞工程Cl2风险识别依据，提出隧洞施工过程中氯气条件下的施工风险识别标准。

a.接触限值。隧洞内工作场所Cl2职业接触限值为(MAC)1.0mg/m3。

b.报警阈值。隧洞内设置Cl2便携式检测仪和固定式报警仪，报警阈值设定为1.0mg/m3。检测运行、维护记录和标定与计量检定资料等应完整并及时存档。

c.作业人员教育培训。主要针对隧洞内存在Cl2的工作环境条件下，作业人员如何正确使用和维护职业病防护设备和个人防护用品，发生Cl2超标如何采取应急处理措施等。

d.履行告知。认真履行职业病危害告知义务。在隧洞内有Cl2存在的地点于醒目位置设置有关氯气危害防护的规章制度，现场测试Cl2浓度等。

e.个体防护。在Cl2浓度低于1.0mg/m3的工作环境条件下，个体防护装备无特殊要求，工作时按GBZ/T 275—2016要求执行。

f.风险评估。针对隧洞内存在Cl2的工作环境条件，进行安全风险评估。以工作场所接触Cl2的性质、浓度、接触方式、危害防护措施等作为评价指标，对发生职业病危害的可能性和危害程度进行综合分析评估，为采取针对性预防措施提供科学决策依据。

4 氯气检测及防治

根据Cl2特性与危害以及隧洞施工Cl2风险识别方法和标准进行检测，并采取针对性防治措施。

4.1 检测方法

根据《工作场所空气中有害物质检测的采样规范》(GBZ 159—2017)、《工作场所空气有毒物质测定》(GBZ/T 300—2017)、《固定污染源排气中氯气的测定甲基橙分光光度法》(HJ/T 30—1999)和《氯气检测报警仪校准规范》(JJF 1433—2013)要求，进行隧洞内Cl2取样检测、现场连续不间断监测并进行仪器设备校准。采用人工检测与自动监测相结合的方法。

a.人工检测。配备K-600泵吸式手持Cl2检测仪(量程0～20ppm，精度0.1ppm，显示误差±3%)，指定专职检测人员并进行培训，使其了解检测报警仪的性能，熟练掌握使用方法。隧洞内Cl2溢出段重要检测部位为隧洞底部和离底板1.5m高的位置，做好爆破孔钻孔时和起爆后的监测工作。发现Cl2超限(大于0.3PPm)时，必须将所有人员撤至新鲜风流中，并采取相应措施处理。专职检测人员进行全面检测，任何地点Cl2都不超标时，方可通知其他人员施工。

b.自动监控。本隧洞采用“多路报警控制器+GND-20系列气体检测变送器”Cl2监测系统，每个作业面配置4台Cl2气体探测器，实现洞内Cl2连续不间断的自动监测，并将检测数据上传至洞口监控器，当Cl2浓度超出设定阈值时，通过声、光连动形式自动报警。

多路报警控制器，采用能同时处理8路4～20mA变送器输入信号并可以将4～20mA变送器信号再输出的智能可控系统。系统主要应用于需要检测可燃或各种有毒气体的场合，显示待检气体的浓度值，当现场的某种待检气体的浓度超出或低于所设置的报警值时，系统会自动进行一系列报警动作。

GND-20系列气体检测变送器(选用CL2气体探测器)，采用了超大规模集成电路技术，是一款由数字、拟混合通信技术设计的智能化气体检测变送器。产品满足《作业场所环境气体检测报警仪通用技术》(GB 12358—2006)要求，防爆按照《爆炸性环境 第1部分:设备通用要求》(GB 3836.1—2010)和《爆炸性环境 第2部分：由隔爆外壳“d”保护的设备》(GB 3836.2—2010)进行设计，可达到EXdIICT6Gb的防爆要求。

4.2 防治技术

a.Cl2超前预测预报。隧洞开挖进入粗粒花岗岩地层，需对有毒气体Cl2进行超前预测预报。沿隧洞轴线方向，布置超前探测钻孔，孔深20～30m。根据钻进过程中的岩粉、钻速、气体成分和水质情况，判断前方水文、地质、有毒有害气体情况。

b.建立智能化隧洞安全监控系统。建立基于物联网的适用于隧洞建设特点的安全监控系统，将Cl2自动检测系统、视频监控系统、人员定位系统、通风机监控系统和智能管理系统(安全管理、进度管理、设备管理、施工管理、资料管理)等多个子系统进行融合，实现隧洞施工“人、机、环、管”过程数据信息的全面感知，实现智能化施工全面管理[14]。

c.喷雾洒水溶解。隧洞开挖进入粗粒花岗岩地层，安装洒水喷雾装置进行全断面封闭式喷雾。在出渣前，对爆破作业后新暴露的岩面、岩块、碎渣喷水洒水。施工时，采用2～4台喷雾器配合喷雾洒水溶解氯气。

d.加强通风。针对隧洞出现Cl2等有毒有害气体具体情况，在原有通风系统布置的基础上增加通风设施布置，进一步加强有毒有害气体洞段通风能力。

e.采用湿式凿岩机造孔，利用压力水冲洗洞壁，爆破后利用喷雾器喷雾渣前宜用水淋湿石渣。喷射混凝土作业时，采用湿喷机作业。

5 结 语

本文依托滇中引水工程狮子山隧洞，通过工程勘察和现场实测对氯气的特性、识别、检测和防治等方面进行研究，得到如下主要结论：狮子山隧洞Cl2赋存于岩浆岩地层，主要由岩浆活动、无机盐类分解等产生并存储在花岗岩纳米级孔隙中。狮子山隧洞的智能化隧洞安全监控系统，采用Cl2专项超前预测预报、喷雾洒水、湿式凿岩和加强通风等针对性预防措施能有效控制Cl2影响，确保施工安全。