四川省阿坝州某水电站引水隧洞有害气体特征及防治措施研究

唐涛 苏培东 朱大鹏 谢鹏程 李有贵

摘要：

为研究隧洞施工中瓦斯爆炸的防治措施，依托四川省阿坝州某水电站引水隧洞工程，利用地质测绘、现场检测等手段对5号支洞进行了有害气体检测。结果表明：5号支洞有害气体成分以CH 4为主，含少量H 2S；有害气体主要聚集在背斜和压扭性逆断层等地质构造的节理裂隙发育地段。根据该工程及有害气体特征，提出以通风为主，动态管理、超前地质预报、检测与监测等手段相结合的针对性防治措施。研究成果可为川西高原地区类似隧洞工程安全建设提供参考。

关键词：

引水隧洞； 瓦斯爆炸； 有害气体； 防治措施； 川西高原

中图法分类号：TV672.1；TD713

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.005

文章编号：1006-0081（2023）05-0032-06

0 引 言

世界各地的隧洞工程施工中发生过多起瓦斯灾害事故，如彭州市凤鸣桥水电站引水隧洞瓦斯喷出［1］、贵州毕节市水打桥隧洞瓦斯突出［2］、新疆呼图壁河石门水电站引水隧洞瓦斯燃烧［3］，以及东京都輸水管道工程［4］、伊斯坦布尔Selimpasa污水隧道［5］和土耳其Silvan灌溉隧道［6］等工程的瓦斯事故。以上引水隧道瓦斯爆炸事故均造成了极大的人员伤亡和财产损失。

目前对于引水隧洞有害气体的研究主要集中在有害气体成因和运移规律［7-9］、检测和防治措施［10-14］等方面，对于隧洞有害气体特征的分析研究则少有涉及。本文以阿坝州某水电站引水隧洞5号支洞为依托，结合工程地质条件，分析了现场调查和检测结果，研究了隧洞的有害气体特征，提出了针对性的瓦斯防治措施。研究成果可为该地区类似隧洞工程的施工提供借鉴。

1 工程背景

阿坝州某水电站位于四川省阿坝州壤塘县和金川县境内。该水电站设计有引水隧洞，引水隧洞起于壤塘县蒲西乡水电站坝区，止于金川县二嘎里乡，全长约22 km。为了方便引水隧洞的施工，在隧道的中部设有4个支洞（勘探平硐），分别为2号勘探平硐、4号勘探平硐、5号勘探平硐、6号勘探平硐，各支洞分布示意如图1所示。除第四系外，区内仅出露三叠系上统侏倭组，中统杂谷脑组地层。隧址区内主要褶皱为上寨倒转复背斜，规模较大的断裂为二嘎里压扭性逆断层［14］。4号支洞到5号支洞附近的矿区内主要出露斯约武、纳合两岩体。斯约武岩体分布于本区以北，纳合岩体出露在工作区南端，均为燕山早期侵入岩体。

2 研究方法

2.1 现场调查

2.1.1 现场地质调查

根据现场地质调查可知，区内地层颜色以深灰色-黑色为主，含有炭质（图2）。研究区内侏倭组与杂谷脑组地层具有一定的生烃能力，其产生的有害气体可能会对隧洞施工造成危害。

2.1.2 现场瓦斯爆炸情况

该水电站引水隧洞5号支洞洞内正常爆破施工时已出现2次不明气体大冲击波的破坏情况。

（1） 第一次瓦斯爆炸事故。2021年7月8日晚，掌子面K0+542.1爆破施工起爆时，爆破声音和气浪冲击波异常大，洞口告示牌被气浪震倒，且洞口值班室的玻璃、洞口上方隧洞铭牌、风带及洞口停置的挖机、装载机玻璃全部被震坏。在之后的施工过程中加大了隧洞内通风量和通风时间，但工人不时会出现恶心呕吐情况。

（2） 第二次瓦斯爆炸事故。2021年10月28日晚，在掌子面K0+914.2补炮过程中再次出现瓦斯爆炸，且起爆时爆破声音和气浪冲击波造成的损毁情况比第一次瓦斯爆炸更严重，固定机具被气浪掀翻，洞口处的标语标识牌也被气浪破坏并冲至317国道下方。在后续围岩封闭过程中，有工人出现不明原因的恶心呕吐情况。为了确保现场施工安全，5号支洞暂时停止施工。

2.2 现场检测

2021年11月18日上午约09∶00，现场检测人员开始对5号支洞进行有害气体检测工作。由于5号支洞已停工数日，洞内可能存在有害气体积聚的风险，因此制定了以下检测方案：现场检测人员穿戴好防护装备后，将仪器调零，从洞口徒步向洞内边前进边进行检测，对洞内各里程的有害气体成分与浓度进行了检测。现场检测人员在行进至掌子面时，进行了掌子面有害气体检测，并对掌子面喷浆情况进行调查。

3 有害气体特征分析

3.1 洞内空间有害气体检测

洞内空间有害气体检测结果如表1所示。根据检测结果可知，洞内有害气体主要为甲烷（CH 4），还含有微量的硫化氢（H 2S）和二氧化碳（CO 2）气体，其中硫化氢中毒是导致工人出现恶心呕吐的原因。检测过程中检测到甲烷最高浓度为500×10-6，检测位置在离掌子面最近的K0+900里程处。洞内空间有害气体检测是在通风条件下进行，所以检测到的有害气体浓度普遍不高。

为分析隧洞内全里程段的甲烷来源，对甲烷与里程的关系展开研究［15］（图3）。从洞口开始，甲烷浓度不断增加，在接近第一次瓦斯爆炸事故的K0+530里程段时达到了极大值（348×10-6），随后开始减小，在洞顶渗水处达到极小值（50×10-6），这是由于渗水带走了空间内的部分有害气体，导致检测到的甲烷浓度降低。随着里程不断增加，从渗水处开始，洞内甲烷浓度不断增加，在接近第二次瓦斯爆炸事故的K0+900里程段达到最大值（500×10-6），证明该段的甲烷气体主要来源于掌子面附近地层。

3.2 掌子面有害气体检测

掌子面有害气体浓度检测结果如图4所示，掌子面已经喷浆，在掌子面的大部分区域检测到的甲烷浓度与洞内甲烷浓度对应，数值均较低，最高浓度为750×10-6。但是，在掌子面左下角的凹腔内岩体较破碎，喷浆情况较差（图5），检测到甲烷浓度超过检测仪器的量程（10 000×10-6），隧洞内出现瓦斯聚集情况。隧址区破碎岩体发育的节理与裂隙是有害气体储集的良好空间，当施工开挖到该位置时，很可能会出现瓦斯爆炸等事故。

3.3 有害气体分布规律分析

地质构造对有害气体赋存产生影响，一方面造成有害气体分布不均衡，另一方面形成了有害气体储存或排放的有利条件。

（1） 褶皱构造对有害气体赋存的影响。研究区内主要褶皱为上寨倒转复背斜，该背斜呈北西向舒缓展布，核部由杂谷脑组地层组成，两翼由侏倭组和杂谷脑组构成。隧址区主要位于背斜的南翼，当地层未遭受构造破坏时，背斜有利于有害气体储存，是良好的储气构造，背斜轴部的有害气体会相对聚集，有害气体含量较大。

（2） 断裂构造对有害气体赋存的影响。断裂构造破坏了岩层的连续性和完整性，使岩层有害气体运移条件发生变化。张性断裂与裂隙构造被称为开放性断裂，有利于有害气体的逸散；而压扭性断裂与裂隙构造被称为封闭性断裂，其裂隙闭合程度较高，有利于有害气体储存（图6）。当遇到封闭性断裂（如压扭性断层）时，有害气体运移将被断裂构造阻断，此时断裂构造成为有害气体逸散的屏障。从构造上来看，隧道穿越的二嘎里压扭性逆断层为封闭性断裂，有利于下覆地层产生的有害气体在断层处富集。

4 有害气体防治措施

瓦斯爆炸必须满足一定的瓦斯浓度、引火温度和氧气浓度等3个条件［16］。氧气是隧洞开挖生产作业必备要素，瓦斯聚集和火源是瓦斯爆炸的直接原因。

在气体采集完成后对掌子面进行了有害气体浓度复测，复测发现凹腔内的甲烷最高浓度为8 000×10-6，与之前的甲烷浓度相比有一定的下降，证明通风可以有效降低隧道内有害气体浓度。因此，提出以通风为主，动态管理、超前地质预报、检测与监测等手段相结合的综合防治措施。

4.1 动态管理

隧洞一端洞口至开挖掌子面作为一个施工工区，在一个施工工区内可能一次或多次穿越瓦斯地层，因此瓦斯工区与非瓦斯工区间是动态变化的过程，应采取动态管理方式（图7）。

4.2 超前地质预报

由于川西构造复杂区有害气体多以气囊形式随机分布，且不排除高浓度气体聚集的可能，常规的检测与监测手段难以提前判断有害气体危害。瓦斯预报以地质调查法为基础，结合钻探法与物探法进行超前地质预报，以探明瓦斯的赋存情况，并对其分布位置、性质、含量、浓度、压力、涌出量等相关参数进行测试。在研究过程中，对隧洞不同危险性区域的超前钻孔和加深钻孔进行分类化处理（图8～9）。

在工程应用中，根据地质调查、物探和钻探等成果形成的超前地质分析报告指导瓦斯隧洞施工，有助于掌握掌子面前方瓦斯赋存情况。超前地质预报方法对隧洞有害气体防治的预测效果良好。

4.3 检测与监测

根据隧洞有害气体的特征，把瓦斯作为主要监测对象，采用自动监测；含量较低的硫化氢气体作为辅助监测对象，采用人工检测。重点检测有害气体的类型、成分、浓度和压力。

（1） 自动监测。自动监测控制系统通过电脑与隧道内各数据采集装置相连，在洞外监控室内实现实时不间断的监测及洞内有害气体浓度变化情况记录。

（2） 人工检测。人工检测主要由专业检测人员携带便携式检测仪对洞内有害气体浓度变化情况进行实时监测和记录。当检测过程中出现较高浓度有害气体或涌水点出现异常颜色水体时，及时对气体和水体进行取样，并送至实验室进行相应的室内检测分析。

4.4 通 風

瓦斯聚集达到一定浓度后可能会发生瓦斯爆炸，而防止瓦斯聚集的有效方法为通风。通过计算设备风量和通风阻力，在合理范围内选取通风设备并进行施工通风方案设计。

4.4.1 通风机选型

分别按洞内同时工作最多人数、最小风速、瓦斯涌出量计算隧洞施工通风需风量 Q 1，Q 2，Q 3 。主洞和支洞施工通风需风量计算结果如表2所示，按最低风速要求计算的需风量最大，主洞最大需风量为3 746 m3/min，支洞最大需风量为2 788 m3/min。

根据通风阻力（摩擦阻力和局部阻力）引起的压力损失选择适当功率的风机设备，以确保所需新鲜空气被送到工作面。经计算，主洞需风量为3 746 m3/min，风筒通风阻力（即风压）为4 850.56 Pa。选用SDFDZ-I-NO.18防爆对旋隧洞专用通风机，主要参数详见表3。

4.4.2 施工通风方案设计

根据隧洞布置情况及施工方案，将隧洞施工通风方案分为2个阶段。

（1） 第一阶段：支洞施工。支洞施工未与主洞汇合时，采用独头压入式通风，在洞外安设局部通风机，接柔性风筒将新鲜风流压入至掌子面，污风经支洞排出地表，详见图10。

（2） 第二阶段：主洞施工。在主洞段，进风继续采用独头压入式通风压入，在洞外安设通风机（2个掌子面各1个风机），接柔性风筒将新鲜风流压入至掌子面。根据情况设置射流风机辅助排风，详见图11。

对易形成瓦斯聚集的部位，采用局部通风方案，在主洞与支洞相接的地方加入通风机，另在支洞500 m进尺处设置3台射流风机辅助通风，主要在瓦斯聚集位置处设置，详见图12。

4.5 工程应用效果

自2022年2月15日采用针对性的防治措施以来，施工期间未出现有害气体超限（瓦斯浓度大于0.5%）情况，表明防治措施应用效果良好，5号支洞已成功贯通。

5 结 论

以阿坝州某水电站引水隧道5号支洞为依托，基于地质背景资料、现场调查和现场检测结果，总结有害气体特征，并对有害气体防治措施进行了研究，结合防治措施工程应用效果，可得出以下主要结论。

（1） 隧洞内有害气体主要为甲烷，还有微量的硫化氢和二氧化碳气体，其中瓦斯聚集是引起隧洞瓦斯爆炸的直接原因，硫化氢中毒是引起工人恶心呕吐的原因。

（2） 地质构造会对有害气体赋存产生影响，研究区附近的上寨倒转复背斜是良好的储气构造，二嘎里压扭性逆断层为封闭性断裂，有利于有害气体富集。

（3） 基于隧洞內有害气体类型主要为甲烷的情况，采用通风为主，动态管理、超前地质预报、检测与监测相结合的防治措施，及时监测预警，防止瓦斯突出、瓦斯爆炸等事故的发生。该工程的防治经验可为类似瓦斯隧洞安全施工提供参考。

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（编辑：江 焘，高小雲）

Abstract：

In order to study the prevention measures for gas explosions in tunnel construction，relying on the diversion tunnel project of a hydropower station in Aba Prefecture，Sichuan Province，the hazardous gas detection was carried out in No.5 branch tunnel by means of geological surveying and on-site inspection.The results showed that：the composition of hazardous gas in this tunnel was mainly CH 4，with a little H 2S.Hazardous gas accumulated in sections where joints and fissures were developed in geological structures，such as anticlines and compressive reverse faults.According to the characteristics of the project and hazardous gases，targeted prevention and control measures were put forward based on ventilation and combined with dynamic management，advanced geological forecast，detection and monitoring.The research results can provide a reference for the safe construction of similar tunnel projects in the Western Sichuan Plateau area.

Key words：

diversion tunnel； gas explosion； hazardous gas； prevention and control measures； Western Sichuan Plateau