深埋长隧洞有害气体的预测分析及防治措施

周鹤

（新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

新疆某隧洞工程全长39.73 km，纵坡0.20%，采用TBM（全断面硬岩隧道掘进机）开挖，最大埋深达到2 230 m。整个隧洞采用顺坡掘进、逆坡排水方式，单向掘进施工段长度14.2 km。该隧洞部分区段的岩石中含有甲烷等易燃易爆气体和硫化氢等有毒气体。出于安全施工考虑，需要对有害气体的类型、分布、数量等展开预测分析，并根据分析结果提出相应的防治措施。

2 有害气体的预测分析

2.1 有害气体发生情况

该隧道工程施工中，出现过2次有害气体泄漏情况。第一次是在2022年10月13日上午9时28分，TBM 掘进至桩号15+572，设备停机焊接拱架时，隧洞内作业人员观察到顶护盾下方油缸处喷出一簇火焰，同时发出震耳的响声，伴随有异味。第二次是在2022年10月15日的14点47分，在隧洞右侧发现1处正在燃烧的火焰。隧洞内的施工人员及时报告给施工负责人，然后安排专人收集燃烧位置的气体，并使用专项设备进行了其他成分分析。结果表明，空气中一氧化碳的含量为15 ppm。观看火焰颜色，为淡蓝色。在燃烧点右侧2.80 m处，有一处最大宽度为0.50 mm、长度为700 mm的裂缝，有气体泄漏。现场人员使用打火机在裂缝处打火，发现有爆燃现象。

2.2 有害气体的预测分析

有害气体储存在岩体内，在未开挖状态下，隧道岩体的完整度较高，内部气体处于封闭、平衡状态；在隧道开挖后，由于爆破振动和围岩应力变化，导致岩体出现破坏、形成裂缝，原本被封闭在岩体内的有害气体会在压力差的作用下，沿着裂隙向外扩散，并聚集到空气密度较低、压力较小的隧道内。根据这一情况，可以结合施工期间的现象或者在施工过程中采取一些措施，达到预测有害气体的效果。例如：施工人员可根据掌子面变形情况进行预测，若掌子面发生变形，会导致炮眼受到挤压，药卷无法正常放入，这种情况下有较大概率存在有害气体。或者是在施工期间采取超前钻孔的方式，获取岩层中的岩芯，通过分析岩芯特征判断是否存在有害气体。如果岩芯的颜色以红褐色、浅绿色为主，并且呈薄片状或砂状，说明隧洞围岩存在喷发危险岩石，有较大概率存在有害气体。

2.3 有害气体的预测成果

按照上述方法对隧洞内的有害气体进行预测，得出以下结论：

有害气体溢出点位置。隧洞内主要有3 个有害气体的溢出点，并且集中分布在距离TBM护盾2.00 m范围内，具体位置如图1所示。

图1 有害气体溢出点相对位置示意图

结合上图可知。溢出点1和2，分别位于TBM护盾的左右两侧，而溢出点3则位于裂隙L2 512和L2 513之间。从形成原因上来看，这两条裂隙均属于剪切裂隙，裂隙表面较为光滑，并且在两条裂隙交叉后，共同线上延伸一直接近洞顶。

2022年10月15日的下午，工作人员利用手持仪器采集隧洞内的气体并分析，测得空气中有害气体主要为一氧化碳和甲烷，其中一氧化碳浓度为15 ppm，未超过标准（24 ppm）；甲烷浓度为1.10%，达到危险值（1%）。随后，工作人员连续3 d 收集3个溢出点的空气并带回实验室检测。

结合检测数据可知，该隧洞内的有害气体主要有一氧化碳、硫化氢和甲烷3种类型。

3 有害气体的防治措施

3.1 勘察设计阶段的防治措施

在隧道施工前的勘察设计环节，如果勘察人员探明了拟选线路上存在大量分布的有害气体，那么应当及时更换线路方案，另选一条有害气体较少的线路。如果没有其他更好的方案，隧洞必须经过含有有害气体的地层，则应当在设计方案中加入必要的预防措施。

3.2 施工阶段的防治措施

3.2.1 加强监测，做好通风工作

在隧道工程的前期勘察环节，如果监测到易燃易爆的甲烷、硫化氢等有害气体，必须要在施工阶段建立起有害气体的监测系统，利用高灵敏度的监测仪器，不间断、高频率地采集隧道内的有害气体浓度信息。同时，还可以人为设置浓度阈值，一旦监测数据超出了阈值，则监测仪器自动进行报警，提醒工作人员及时采取措施降低有害气体的浓度。以瓦斯为例，利用瓦斯浓度监测装置实时采集隧道空气中瓦斯的浓度，如果浓度高于1.00%，则禁止装药放炮；如果浓度高于2%，要求隧道内的施工人员必须立刻撤离，保障人员安全。另外，像主风流处，总回风风流处等，也对瓦斯的浓度限制作出相应的要求，可作为监测报警的依据。当有害气体浓度不高，或者是刚刚超过设定的阈值时，可以采取通风措施稀释有害气体的浓度。在隧洞内增加通风设备，并尽量在护盾、掌子面等位置安排更多的通风设备，通过增加空气流动性，达到稀释空气中有害气体浓度的效果。在有害气体溢出洞段应做到24 h 不间断通风，防止形成密闭空间，可以有效降低有害气体聚集带来的安全隐患。

3.2.2 钻孔排气降压

当隧道工作面的前方有压力较大、存量较大的有害气体时，常规的通风措施已经无法满足快速排气、保证安全的需求，这种情况下可以选择超前钻孔、辅助竖井的方式快速、大量地排出有害气体，避免隧道施工过程中发生爆炸事故或者中毒事故。文章研究的隧道工程，采取了“钻孔真空抽放法”进行排气、降压。挑选了3条直径为1 800 mm的瓦斯抽放管道，从隧道内部伸出洞外约30 m，以较大压力通入气流，将前方围岩内的瓦斯气体排出。在隧道开挖方式上，则采取了短进尺、弱爆破、强支护、快喷锚的大断面开挖模式，在长度为3 860 m的隧道内，共计开孔124个，先后进行了5次排气降压，累计排气时间超过40 h，初步估算排放瓦斯量达到10万m3，最终该隧道围岩中瓦斯压力稳定在16～17 kPa，符合安全要求。

3.2.3 有害气体的封堵

对深埋长隧道内的有害气体进行封堵，避免有害气体的扩散，也是一种常用且有效的方法。根据封堵方式的不同，具体可分为两种类型：一种是衬砌，在隧道开挖过程中，由于打破了岩土结构的力学平衡，导致隧道围岩的渗透能力得到加强，在压力差的影响下有害气体会扩散到开挖空间中，并且随着时间的延长有害气体的浓度也会越来越高。衬砌封堵就是将混凝土涂抹在隧道围岩的表面，等到混凝土完全固结后，可以形成一道渗透率低、气密性好的屏障，有效阻挡有害气体进入到隧道内部。另一种是注浆，浆液的主要成分是水泥，比衬砌用的混凝土更加细密。注浆法封堵有害气体，适用于那些因为岩层存在节理裂隙，导致有害气体从裂隙中扩散到隧道内的情况。该方法对于宽度在0.20 mm以内的裂缝有较好的封堵效果，如果裂缝宽度过大，对有害气体的封堵效果会变差。为了提高水泥浆液的封堵效果，需要采用高压注浆法，将注浆压力设定在10 MPa左右，等到水泥浆液干涸后，可以同时起到封堵有害气体和提高抗渗能力的作用。

4 结语

岩层中的有害气体会在隧洞开挖过程中释放出来，并在压力差的作用下聚集到隧洞施工空间内，当有害气体浓度达到一定值后，不仅会危及现场施工个人原因的身体健康，而且还有可能引发爆炸事故，造成隧洞垮塌和人员伤亡。因此，做好有害气体的预测分析与科学防治，是隧道工程管理的一项重要任务。通过提前开展预测分析，对有害气体的分布情况、大体储量、危害程度等作出相对准确的判断，从而提前制定应对预案。在施工过程中，采取必要的防治措施，通过加强通风管理，或者采用衬砌、注浆等措施进行封堵，保证隧洞空气中有害气体的浓度始终处于安全范围之内，为现场施工的安全开展创造良好环境。