某隧道弃渣场自燃成因分析及防治建议①

石容丹，刘发林，朱文卿，张良平，易菲霆

（1.中南林业科技大学，湖南 长沙 410004；2.湖南警察学院，湖南 长沙 410138；3.中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410083；4.湖南省煤炭地质勘查院，湖南 长沙 410014）

受高速铁路技术指标限制和秉承少占用土地的原则，工程建设中桥隧比越来越高。传统的填方路基逐渐被桥梁、隧道所代替［1］。隧道开挖产生的渣土很难进行二次循环利用，因而全部成为渣土废弃物。隧道和桥梁施工多位于山沟峡谷处，地形崎岖，交通不便，施工技术难度大，通常情况下，施工产生的弃渣都会沿山谷堆放在建设场地周边，从而形成大小、形状、规模不一的弃渣场（也称弃土场）［2⁃4］。弃渣是有机物和无机物的混合物，含有数量不等的金属元素，在氧气和水的参与下，会生成有毒有害物质，严重威胁着人类身体健康［5⁃7］。中国晚震旦⁃早寒武黑色岩系分布广泛，隧道不可避免会穿越易自燃的黑色岩系，这些黑色岩系弃渣易产生自燃。因此，揭示弃渣自燃的成因对保护生态环境和防灾减灾非常重要［8⁃11］。

湘西某隧道开挖产生的弃渣经爆破后采用卡车装运，经临时碎石路运送至一个由三面环山的溪沟形成的弃渣场中。该弃渣场采用自然倾倒的方式排渣，露天堆放，顺坡填沟。本文对该弃渣进行了颗粒分析、堆积模型试验、自燃倾向性分析和等温吸附测试，基于隧道弃渣场的特点和试验结果，分别从弃渣堆积形态和粒度特征、弃渣自燃倾向性以及吸附能力等方面，探究该弃渣场的自燃成因；最后，提出了该隧道弃渣场自燃治理和生态修复的建议。

1 工程概况

湖南某隧道穿越南华纪富禄组、古城组、南沱组、震旦纪陡山沱组、灯影组、寒武纪牛蹄塘组、石牌组等黑色岩系地层，其中寒武纪牛蹄塘组在隧道中的分布最为广泛，其次为南华纪南沱组。易自燃的地层主要为寒武系牛蹄塘组下段～晚震旦灯影组，其岩性主要为炭质板岩、含炭铁质硅质板岩、含炭质泥岩、含炭铁泥质微晶灰岩［12］。隧道施工时产生的渣土采用自然倾倒的方式露天堆放于该隧道进口处，自然滚落形成边坡安息角为30°～50°的斜面，坡面长度可达40～80 m。该弃渣场位于湖南省古丈县罗依溪镇西2.5 km处一个三面环山的溪沟中，该区域原为附近居民种植及耕作用地，部分为林地，场地呈近南北向椭圆形，南北长约190 m，东西宽约120 m，占地面积18 000 m2，堆渣厚度10～30 m，平均约20 m，顶部有较大的平台，边坡休止角为35°～45°，坡面朝向北东。弃渣场平面及剖面如图1所示。根据现场调查了解，弃渣场自燃最先开始和自燃最明显的区域为弃渣场临空坡面中上部，在临空坡面自燃发生一段时间后慢慢扩散至其他区域，坡面覆盖大量燃烧后砖红色弃渣，可见大量刺鼻白烟，且平台缝隙冒烟处可见黄色～淡黄色单质硫附着于弃渣岩石表面。另外，弃渣自燃使弃渣场呈强酸性环境，促使重金属析出，对周边水土等生态环境造成了严重污染。

图1 弃渣场平面及剖面示意图

2 基于弃渣物化特性试验的自燃成因分析

根据该隧道出露的里程推算，弃渣场内约混入了90 000 m3易自燃岩层，为弃渣自燃提供了必要的物质条件。弃渣场自燃过程是复杂的物理化学反应过程，通常受到内、外两方面因素的控制。其中，弃渣自燃倾向性与吸附能力是内因，是低温氧化性的体现，与弃渣的氧化能力及发生氧化时释放的热量强度有关；而外因则主要包括弃渣粒度和堆积方式等。本文主要从影响弃渣自燃的内、外因出发，基于弃渣物化特性，综合分析各因素对弃渣自燃的影响，探究该弃渣场自燃成因。

2.1 弃渣自燃外因分析

2.1.1 弃渣堆积形态影响

隧道弃渣排堆过程中，由于采用一坡到底的方式，弃渣堆剖面形态呈梯形或半锥形，如图2所示。当堆积程度增加，土方量足够大时，利用推土机、挖土机、铲运机和压路机等将弃渣平整，再填满整个沟谷，属“顺坡倾倒”。受弃渣颗粒平均粒径、级配程度、胶结程度及填充物量影响，安息角在30°～50°之间。这种堆积方式对自燃的影响表现在：①斜坡暴露面大，堆积疏松，为空气进入渣堆内部提供了条件；②安息角大时，风流动压部分转化为静压的效率提升；③斜坡中的裂隙（拉张、剪切、干缩等形成的空隙）为氧气进入及运移提供了通道。可见这种堆积形态为弃渣自燃提供了基础的空气流通条件。

图2 弃渣堆的剖面形态示意图

2.1.2 粒度分布影响

粒度大小决定了弃渣的比表面积。粒度越细，弃渣比表面积越大，易自燃弃渣暴露于空气中的活性结构越多，氧气复合程度加大，氧化速率增强，放热强度增大，热量越容易聚集，其自燃性越强。据现场调查，该隧道穿越不同等级的围岩，导致弃渣物料来源于不同等级的围岩。而不同等级围岩的岩体破碎程度不同，其粒度分布也不同。为此，进行了不同等级围岩产生的弃渣粒径颗粒分析试验，结果如图3所示。从图3可看出，不同围岩等级弃渣的粒径集中区域不同：Ⅲ级围岩弃渣颗粒粒径主要集中在20～60 mm，Ⅳ级围岩弃渣颗粒粒径主要集中在3～20 mm，Ⅴ级围岩弃渣颗粒粒径主要集中在1～10 mm。由于黑色岩系易燃弃渣硅质含量高、节理裂隙发育、岩体较破碎，围岩等级多为Ⅳ、Ⅴ级，其粒径小，且分布范围更窄，导致该弃渣具有较大的比表面积，弃渣自燃可能性增大。

图3 不同级别围岩弃渣粒径累计曲线

2.1.3 粒度偏析影响

排渣过程中不同粒径颗粒在重力及颗粒间相互作用下不断地被分层，最终形成的堆积体粒径分级程度高，不均匀性强，具有明显的成层结构特征。由于该弃渣在斜坡上采取“顺坡倾倒”方式通过多次排渣堆积形成，受重力作用，弃渣颗粒粒径在垂直和倾斜方向分布皆不均匀。图4给出了弃渣粒径分层模型试验结果。在垂直方向主要表现为细颗粒含量随弃渣场高度增加而增加、粗颗粒含量随高度增加而减少、大块石基本聚集于底部；沿坡面平行的方向，斜向的分层特征主要表现在粗⁃细颗粒在沿与坡面平行方向交替聚集出现。粒度偏析现象对自燃的影响是：①使弃渣堆内部形成了空气通道（供氧），产生烟囱效应；②提供了蓄热环境；③使容易自燃的小粒径弃渣发生富集。

图4 弃渣堆积体粒径分层特征模型试验结果

2.2 弃渣自燃内因分析

2.2.1 弃渣自燃倾向性

自燃倾向性是弃渣发生自燃难易程度和弃渣氧化性的体现，是弃渣自燃的内在特性［13］。由于弃渣堆放采用“自上而下，由远至近”的方式，弃渣堆是隧道内各地层的混杂体。为保证该弃渣场自燃倾向性分析合理性，分别在隧道内选取4件样品（编号分别为SD1～SD4）、在弃渣场选取5件样品（编号分别为QZ1～QZ5）用于自燃倾向性分析，结果如表1所示。由表1可知，被测试的9件样品中，隧道内样品均为Ⅱ类（自燃），弃渣场5件样品中2件为Ⅱ类（自燃）、3件为Ⅲ类（不易自燃）。实际调查结果表明，该弃渣自燃最先发生的地层是下寒武统牛蹄塘组下段中上部，而QZ1～QZ3弃渣样品位于震旦系灯影组中下部，本身不易自燃。另外，QZ1～QZ3取自弃渣场顶部平台，受碾压、风化影响，已较为破碎，部分黄铁矿已低温氧化，影响了吸氧量，且该弃渣从隧道至弃渣场再到实验室测试，暴露时间过长，对自燃倾相性测试结果具有一定影响。综合来看，该隧道晚震旦系⁃早寒武黑色岩系易自燃，具有较强的低温氧化性。

表1 弃渣场及隧道内样品工业分析及自燃倾向性

2.2.2 吸附性能

在自燃初期的低温氧化过程中，吸附起到了重要作用，它为低温氧化提供氧气的同时，也为自燃提供了增温的热量。对湘西北下寒武统牛蹄塘组泥页岩气储层进行了等温吸附测试，结果如图5～6所示。测试结果表明，湘西北下寒武统牛蹄塘组黑色泥页岩的Langmuir体积为1.63～7.39 cm3／g，平均3.95 cm3／g，Langmuir压力为1.39～8.35 MPa，平均5.13 MPa，总体而言，吸附能力较强。牛蹄塘组Langmuir体积差别较大，这与比表面积、总孔隙体积、TOC、黄铁矿含量呈正相关关系［14］，而受黏土矿物、石英含量等影响较小。低温氧化过程中影响吸附作用的因素为比表面积和总孔隙体积，而总孔隙体积也会影响比表面积。结合湘西北下寒武统牛蹄塘组泥页岩微电镜扫描结果（见图7）可知，湘西北下寒武统牛蹄塘组泥页岩中发育残余原生孔隙、有机质微孔隙、不稳定矿物溶蚀孔、矿物层间微裂隙和构造裂缝，且构造裂缝、有机质微孔隙和不稳定矿物溶蚀孔是研究区页岩基质孔裂隙的主要组成部分［15］，使得吸附能力加强，大大提高了低温氧化性能，促成了自燃的发生。

图5 等温吸附Langmuir曲线

图6 Langmuir体积与TOC、黄铁矿含量、比表面积以及总孔隙体积的相关关系

图7 湘西北下寒武统牛蹄塘组泥页岩孔裂隙显微特征

2.3 弃渣场自燃成因综合分析

一般而言，自燃的发生需要满足4个基本条件，即：具有低温氧化特性的可燃物质、有利于氧气流通的通道、有蓄热能力以及高于燃烧的温度。基于影响自燃的内、外因分析结果和影响自燃的4个基本条件，该隧道弃渣场自燃成因可解释如下：

首先，该隧道分布最广的岩层是晚震旦系⁃早寒武世形成的层状黑色岩系，该岩系含有炭质板岩、硅质板岩、炭质泥岩等，有机质和硫化物含量高，化学性质活泼，具有较强的低温氧化性和自燃倾向性，发热量高，为弃渣自燃提供了物质基础。

其次，隧道弃渣在斜坡上采用“顺坡倾倒”的方式堆砌，斜坡结构非常疏松，安息角偏大，加之坡体中存在裂隙，使弃渣堆与空气接触面积增大；另外，受粒度偏差效应的影响，该弃渣内部形成了空气通道（供氧），产生烟囱效应，为弃渣自燃提供了供氧条件。

再次，该弃渣粒径较小，粒度分布范围窄，具有较大的比表面积，且由于构造裂隙、有机质孔隙和不稳定矿物溶蚀裂隙发育，透气性增强，提高了空气渗入弃渣堆内部的可能性；此外，该岩系硅质含量高，节理裂隙发育，岩体较破碎，在空气中露天堆放，暴露于空气中的活性结构多，氧气复合程度加大，氧化速率增强。

最后，粒度偏析为该弃渣场提供了蓄热环境，微孔隙和裂隙使其吸附能力加强，为低温氧化提供氧气的同时也为自燃提供了增温的热量，热量容易积聚，促成自燃的发生。

综上所述，该隧道弃渣场自燃的成因是：易燃弃渣中的炭物质、硫铁化合物和氧气在各阶段发生低温氧化，在一定条件下产生自燃。其宏观上的自燃发展过程如图8所示。

图8 该隧道弃渣自燃宏观发展过程

3 弃渣场自燃治理建议

弃渣自燃治理不是简单的灭火问题，弃渣场自燃治理过程中需要综合考虑弃渣对生态环境的影响。一般而言，弃渣场自燃除了毁灭植被，还会释放大量CO、SO2、H2S和NOx等有毒气体，污染空气，且大量气体在来不及释放的情况下还可能导致弃渣场热爆炸。基于前述自燃成因分析，进一步从系统论的角度，结合实际治理情况，提出如图9所示的弃渣场自燃治理及生态修复体系。弃渣场自燃治理是复杂的系统工程，极易发生复燃现象，建议采用火源探测、灭火、截排水及水体污染治理、复绿紧密结合的自燃治理及生态修复方案。该弃渣场自燃治理及生态修复方案各部分的相互关系及内涵为：开展火区探测，为灭火工程提供指导，为自燃弃渣场分区治理提供依据；弃渣场的灭火处理是后期治理的基础，只有先灭火，才能消除植被恢复的高温障碍，同时彻底灭火可进一步巩固山体稳定、促进生态恢复；弃渣场没有植被，山体表面疏松，自燃生成的有毒有害物体易在水土流失过程中对周边造成严重污染，因此，截排水及地表水体污染防治是生态修复的关键；复绿植被覆盖可减少降水入渗，减少暴雨冲刷形成的裂缝，有效保持水土，也会防止大量淋滤液产生，降低水体污染治理难度，可减少氧气和水分进入渣体，有效防止复燃。

图9 基于系统论的弃渣场自燃治理及生态修复设计方案

4 结 论

1）湘西某隧道弃渣场岩性以晚震旦⁃早寒武世所形成的层状黑色岩系为主，易燃部分为下寒武统牛蹄塘组和晚震旦系灯影组，具有较强的低温氧化性能，为弃渣自燃提供了物质基础。

2）该弃渣场堆填疏松，安息角偏大，且弃渣粒径较小，粒度分布范围窄，具有较大的比表面积，使弃渣堆与空气接触面积增大，加之构造裂隙、有机质孔隙和不稳定矿物溶蚀裂隙发育，透气性增强，提高了空气渗入弃渣堆内部的可能性。

3）弃渣表现出明显的粒度偏析现象，为该弃渣场提供了蓄热环境，且微孔隙和裂隙使其吸附能力加强，为低温氧化提供氧气的同时也为自燃提供了增温的热量，导致热量容易积聚，自燃容易发生。

4）该弃渣场自燃是复杂的物理化学反应过程，弃渣自燃倾向性和吸附能力为内因，弃渣粒度分布和堆填方式是外因。

5）从系统论的角度，结合实际情况，提出了采用火源探测、灭火、截排水及水体污染治理和复绿紧密结合的弃渣场自燃治理及生态修复一体化方案。