西南某電站深埋長大洞室有毒有害氣體成因分析及處理探討

馬行東,梅稚平

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都　610072 )

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西南某電站深埋長大洞室有毒有害氣體成因分析及處理探討

馬行東,梅稚平

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都610072 )

隨著水電水利工程地下洞室埋深和規(guī)模的擴大，水利水電工程不可避免的遇到新的地質(zhì)問題，即有毒有害氣體。本文結(jié)合工程實例，對地下洞室有毒有害氣體成因進行初步分析，重點對處理措施進行了探討，以期對其它工程有所借鑒，防止有毒有害氣體造成人員的傷害。

深埋長大洞室;有毒有害氣體；支護處理

1　概　　述

隨著國家西部大開發(fā)政策的落實，水電開發(fā)的重點更加向西部傾斜，西部的滇、川、藏成為水電開發(fā)的熱點地區(qū)。西部是我國地形地貌、地層巖性等地質(zhì)條件極為復(fù)雜的區(qū)域，河谷深切，岸坡陡峻，新構(gòu)造活動強烈，地震頻發(fā)、基本烈度高。大型水電站往往位于高山峽谷地區(qū)，由于受到地形條件的限制，地下洞室成為樞紐布置中重要的建筑物形式。隨著水電水利工程地下洞室埋深和規(guī)模的擴大，需要解決的工程地質(zhì)問題日趨復(fù)雜，出現(xiàn)了許多以往沒有遇到的新問題，有毒有害氣體的出現(xiàn)就是其中之一。

地下洞室有毒有害氣體的成分、濃度及涌出方式等與所處的地層巖性、巖石的礦物成分及地質(zhì)構(gòu)造等密切相關(guān)。這些氣體生成后要有儲存的空間，碳酸鹽巖的溶蝕裂隙、空洞，碎屑巖的礫巖、砂巖、粉砂巖、火山碎屑巖及火成巖、變質(zhì)巖、煤層等巖石中的空隙、裂隙等是其儲氣層。斷層、裂隙是有毒有害氣體或含有毒有害氣體的地下水?dāng)U散運移到其它地層中的通道。在火山活動區(qū)和劇烈的地殼斷裂活動處，在年輕的活動地槽帶的斷裂構(gòu)造部位，常有H2S、SO2氣體及高濃度的CO2氣體；碳酸鹽巖在溶蝕過程中有時會產(chǎn)生CO2氣體，一些大理巖(如錦屏二級電站)會產(chǎn)生H2S氣體；在一些含黃鐵礦、黃銅礦、閃鋅礦、硫磺等礦物的地層巖性中，因水解、高溫、氧化還原等物理化學(xué)作用可產(chǎn)生H2S、SO2、CO氣體。因此地下工程在通過這些地層巖性、斷裂帶或其附近時，也可能發(fā)生有毒有害氣體事故[1-2]。

水利水電工程地質(zhì)對地下洞室重點是圍繞圍巖的穩(wěn)定條件的研究，及針對圍巖穩(wěn)定所采取的支護措施的研究等等，而針對地下洞室中有毒有害氣體的來源及危害研究程度較少，相應(yīng)的防護措施也研究較少。水電工程遇到的有毒有害氣體主要是甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物、硫化氫、二氧化硫等十幾種氣體，它們對人體有害且多易燃易爆，在地下洞室相對封閉的環(huán)境中，易聚集成災(zāi)，可造成人員傷亡，財產(chǎn)損失和洞室垮塌等重大事故，是我們需研究的重要工程地質(zhì)問題之一。本文結(jié)合工程實例，對地下洞室有毒有害氣體成因進行初步分析，重點對處理措施進行了探討，以期對其它工程有所借鑒，防止有毒有害氣體所造成的人員的傷害。

2　有毒有害氣體評價標(biāo)準(zhǔn)

水電工程地下洞室參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，地下洞室有毒有害氣體最高允許濃度見表1。

3　氣體檢測手段

對有毒有害氣體的檢測有多種方法，便攜式氣體檢測儀快速、簡便、易行，可基本滿足前期勘察、施工期的需要。對有毒有害氣體的檢測一般首先檢查氧氣和可燃易爆氣體，氧氣探測器可用在沒有特別指明存在其它危險的絕大多數(shù)環(huán)境中，可燃氣體探測器能探測不需特別識別的可燃、可爆物；其次進行有毒有害氣體檢測，有毒有害氣體探測器具有化學(xué)的特殊性，在選擇檢測儀器之前，必須具體確定潛在的有毒有害氣體類別。本工程主要采用便攜式氣體檢測儀檢測氧氣、一氧化碳、硫化氫、二氧化硫、甲烷等的濃度。

表1　地下洞室有毒有害氣體最高允許濃度(體積%)

4　氣體特征及成因探討

工程區(qū)大地構(gòu)造部位上，位于“川滇菱形”斷塊內(nèi)的次級斷塊“稻城斷塊”內(nèi)，靠近東緣邊界斷裂，隧洞沿線出露巖性主要為奧陶系下統(tǒng)瓦廠組(O1W)板巖夾中厚層狀層紋理發(fā)育變質(zhì)石英砂巖、千枚巖，人公組(O1r)的中～厚層狀層紋理發(fā)育的變質(zhì)石英砂巖夾板巖、千枚巖，巖石鑒定表明，板巖、砂巖中含有黃鐵礦礦物，在人工組地層中的前期探洞成洞幾年后有明顯的析出含硫物。

工程區(qū)的砂巖板巖地層為一套含黃鐵礦、硫磺等硫化物的有毒有害氣體生成地層，在其地下水中或巖體中有有毒有害氣體逸出，事故洞段巖體中的空隙、裂隙及斷層等等是其儲氣空間，由于事故洞段洞室垂直和側(cè)向埋深大，洞室干燥、地下水不發(fā)育，封閉性好，聚集在空隙、裂隙及斷層中的有毒有害氣體得以很好的保存，局部形成高濃度的“氣囊”。在鉆孔、爆破中破壞了“氣囊”，使高濃度的有毒有害氣體瞬間逸出，由于H2S氣體具有可燃、易爆性，因而發(fā)生了二次、三次爆炸，使人瞬間中毒傷亡。開挖隧洞中多處有氣體逸出，在底板積水中有氣泡冒出，或在邊墻巖縫中聽到哧哧聲，或能聞到刺鼻的臭雞蛋味。

根據(jù)檢測成果，以及有毒有害氣體的特征及其危害來看，洞內(nèi)主要發(fā)育：化學(xué)性窒息性氣體(如一氧化碳等)、刺激肺臟的氣體、對中樞神經(jīng)有損傷的氣體(如硫化氫等)。而有毒有害氣體侵入人體的途徑則是：吸入，即有毒有害氣體通過呼吸器官進入人體，這是有毒有害氣體進入人體的主要方式。此類氣體主要有一氧化碳、二氧化碳、二氧化硫、硫化氫等。

5　氣體對工程影響

隧道有毒有害氣體的存在增加了施工難度、危害人體的健康，同時也增加了較大的工作量和投資等。

施工開挖安全風(fēng)險極高。引水隧洞K2+833～K2+920 m段現(xiàn)象最為突出，主要表現(xiàn)為K2+833～K2+920 m掌子面附著有地下水帶出的淺黃～紅褐色硫化物及白色析出物，在洞室已完成設(shè)計噴錨支護局部洞段白色析出物沿錨桿與圍巖接觸部位或局部長大裂隙呈集中滲出現(xiàn)象，多處洞室底板積水坑處見有氣體逸出產(chǎn)生氣泡現(xiàn)象，氣體沿泄壓孔、長大裂隙或空隙逸出伴有明顯聲響，氣體濃度衰減所需時間較長。隧洞氣體檢測的主要成份為CO2、CO、CH4、H2S，其中H2S、CO2氣體嚴(yán)重超標(biāo)。針對此情況施工技術(shù)防治：采取洞外避炮、及時封閉圍巖切斷氣體逸出通道、每循環(huán)開挖增設(shè)4～12個、L=6 m的超前泄壓孔、底板噴灑生石灰固化等措施以降低H2S的濃度，并加強通風(fēng)措施與手段，嚴(yán)格執(zhí)行防爆隔爆專項安全措施、工作面及時檢測有毒有害氣體濃度等。

有毒有害氣體的存在極大的危害洞內(nèi)施工作業(yè)人員的身體健康。施工中K1+170 m段開挖爆破后檢測出H2S含量最高達41.7 PPM，臭雞蛋氣味明顯，設(shè)代人員出洞后感到頭暈。K1+205～293 m段洞室有毒有害氣體超標(biāo)，最高值約40 PPM，并伴有呼吸不暢、頭輕痛等不良反應(yīng)。

施工中增加了施工安全防護，進洞施工作業(yè)人員配備配戴的防毒面具并配備隔離式自救器以備使用，并制定突發(fā)應(yīng)急預(yù)案機制，專職醫(yī)護人員現(xiàn)場待機監(jiān)護，一旦發(fā)生險情立即處置。另外對所有進洞人員進行安全生產(chǎn)教育與管理，增加了較大的工作量和投資等。

6　氣體的處理措施

對水電工程有毒有害氣體的防范研究應(yīng)貫徹于前期勘察、施工建設(shè)期和建成運行期全過程。在前期勘察中重點對區(qū)域地層、活動性區(qū)域深大斷裂等加深研究，分析是否是生氣地層、儲氣層、放射性地層等，并因盡量避開，若無法避開，則應(yīng)對有毒有害氣體的來源、成分、含量、可能造成的危害等做出初步分析評價。

地下工程相對封閉，除天然地層中的有毒有害氣體外，開挖爆破、大量的人員及設(shè)備運轉(zhuǎn)等也能產(chǎn)生有毒有害氣體，根據(jù)工程實踐，總結(jié)如下：

(1)應(yīng)盡量避開有毒有害氣體地區(qū)；

(2)加大對工程參與人員進行有毒有害氣體的知識、安全培訓(xùn)、防范教育及處理應(yīng)急事件的演習(xí)，從思想上高度重視；

(3)要求具有良好的應(yīng)急預(yù)警機制；

(4)受構(gòu)造原因形成大量斷裂、空洞，水侵蝕含硫與鐵的礦床形成有毒有害氣體必然長期儲存在空洞中，隧道施工擾動導(dǎo)致有毒有害氣體溢出，管理上堅決避免火源，加強通風(fēng)，并且一定加強監(jiān)測；

(5)選擇合適的炸藥及合理的鉆孔爆破工藝減少有毒有害氣體的產(chǎn)生，避免二次爆炸引起的傷亡；

(6)對有毒有害氣體進行檢測及保持良好的通風(fēng)是最有效的防范手段；

(7)針對不同的氣體物化特性，采取撒水、撒石灰等措施有時也很有效；

(8)對圍巖進行帷幕灌漿、錨噴混凝土、混凝土襯砌等措施可切斷和減少有毒有害氣體的逸出通道；

(9)對地下洞室進行超前鉆孔可引排集中、高濃度的有毒有害氣體,包括打超前孔，順便探水，探水檢驗空洞之類。打孔并且買個小型的抽放泵超前抽應(yīng)該就能解決。

7　小　　結(jié)

有毒有害氣體的處理應(yīng)針對施工開挖作業(yè)流程、有毒氣體種類、特征及危害、突發(fā)事件應(yīng)急措施等多個方面綜合分析制定，制定措施主要包括：預(yù)測預(yù)報、施工技術(shù)防治、施工安全防護、安全生產(chǎn)教育與管理等四個方面，通過上述措施的處理，隧洞在其后的施工開挖過程中未發(fā)生有毒有害氣體導(dǎo)致人員傷亡的事故，取得了較好的效果，以期對其它工程有所借鑒，防止有毒有害氣體所造成的人員的傷害。

[1]黃潤秋,王賢能,唐勝傳,王士天.深埋長隧道工程開挖的主要地質(zhì)災(zāi)害問題研究[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護,1997,08(1):50-68.

[2]袁建新.地下洞室有毒有害氣體測試評價及防護技術(shù)研究[D].2007，河海大學(xué).

2015-01-06

馬行東(1978-)，男，江蘇徐州人，高級工程師，注冊巖土工程師，注冊土木工程師(水利水電)，從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。

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