華鎣山公路隧道硫化氫氣體運(yùn)移規(guī)律及防治對策

代 勇

（四川南渝高速公路有限公司， 南充 637000）

1 工程概況

華鎣山隧道進(jìn)、出口分別位于渠縣臨巴鎮(zhèn)楊家灣和大竹縣田壩鄉(xiāng)李家榜附近。左、右線最大埋深分別為577m和604m。左、右線隧道線間距為28.9m～37.328m。運(yùn)營通風(fēng)采用左洞全射流縱向式通風(fēng)、右洞一座豎井分兩區(qū)段送排式通風(fēng)方案，豎井兼做左右洞排煙通道。

隧道正穿北北東向的華鎣山山脈，從洞口至洞身段穿越地層分別為侏羅系中、下統(tǒng)自流井組J1-2z、珍珠沖組J1z組泥巖、頁巖夾砂巖；三疊系上統(tǒng)須家河組T3xj組砂巖、泥巖夾煤層；三疊系中、下統(tǒng)的雷口坡組T2l和嘉陵江組T1j組灰?guī)r、白云巖等，局部夾鹽溶角礫巖和石膏層。隧道洞身主要穿越華鎣山背斜和大峽口斷裂（F1斷層），隧道存在斷層破碎帶、巖溶及巖溶水、石膏及鹽溶角礫巖、軟弱圍巖、煤層、采空區(qū)、瓦斯、H2S有毒有害氣體等不良地質(zhì)和特殊地質(zhì)。

2 硫化氫氣體研究現(xiàn)狀

硫化氫氣體具有毒性，對人體存在危害作用，目前國內(nèi)外隧道開挖過程中出現(xiàn)硫化氫氣體的工程僅大致有如下幾例：

1993年美國洛杉磯進(jìn)行地鐵線路設(shè)計(jì)時(shí)，調(diào)查發(fā)現(xiàn)地下硫化氫濃度異常高。

武隆—水江路白云隧道掘進(jìn)過程中，出現(xiàn)高濃度硫化氫氣體，超過安全規(guī)范要求6.6ppm的13倍。

財(cái)神廟隧道施工過程中掌子面涌出硫化氫與瓦斯的混合氣體，硫化氫濃度達(dá)到25ppm。

玉峰山隧道右線施工過程中，在銅鑼?shí){背斜軸部區(qū)段涌水量突然加大，同時(shí)涌出大量硫化氫氣體，濃度達(dá)到81ppm，導(dǎo)致速調(diào)施工停止。

王登隧道一號橫洞施工過程中檢測到硫化氫氣體存在，濃度為17—19ppm。

目前對隧道硫化氫氣體的運(yùn)移、擴(kuò)散、滲流研究基本為空白，沒有對硫化氫氣體滲流形成系統(tǒng)的研究。

3 硫化氫氣體賦存狀態(tài)及分布

硫化氫氣體通常以游離狀態(tài)和溶解狀態(tài)存在，但是由于硫化氫氣體極易溶于水又極易出于水的特性，硫化氫氣體則主要以游離狀態(tài)存在。華鎣山隧道穿越的雷口坡組（T2l）和嘉陵江組（T1j）地層可溶巖段含有天然氣，并常拌含H2S。二疊系龍?zhí)督M（P2l）含煤地層位于嘉陵江組（T1j）下方，中間相隔飛仙關(guān)組（T1f）和長興組（P2c）兩地層組，間距約300多米（據(jù)區(qū)域資料），離隧道較近，硫化氫氣體可能通過斷層、大的構(gòu)造貫通裂隙和地下水運(yùn)移串至隧道。隧道內(nèi)除直接揭露的煤層段含硫化氫氣體外，在老窯、采空區(qū)、大的溶洞和封閉構(gòu)造裂隙帶也有可能聚集硫化氫有害氣體。

4 硫化氫氣體的危害

硫化氫是一種無色、微甜、有臭雞蛋味的極毒氣體，分子式為H2S，0℃時(shí)的密度為1.5392g/L，極易溶于水，溶解度隨溫度上升而減小，0℃時(shí)1mL水可溶解4.67mL硫化氫。硫化氫在Ph=9的堿性溶液中的溶解度為中性溶液的50倍，在Ph=10的堿性溶液中的溶解度為中性溶液中溶解度的500倍。

硫化氫對人體的危害隨濃度的變化情況見表1。硫化氫為無色氣體，低濃度時(shí)具有臭雞蛋樣特殊臭味，高濃度時(shí)由于引起嗅神經(jīng)麻痹而使人感覺臭味較小，易溶于水及醇類，比重1.19，故在隧道中多滯留于隧道底部而造成作業(yè)人員傷害。

表1 不同濃度硫化氫對人體危害表

硫化氫是一種劇烈的神經(jīng)性毒物，可與組織中氧化型細(xì)胞色素氧化酶的三價(jià)鐵化合，使酶喪失活性導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)窒息，抑制大腦呼吸中樞及血運(yùn)動中樞，刺激作用系因溶于粘膜表面的硫化氫與組織液中鈉離子形成具有強(qiáng)烈刺激作用的硫化鈉所致。在作業(yè)場所，硫化氫最高允許濃度為0.01g/m3，致死濃度為1.0g/m3，硫化氫急性中毒特征為濃度越低，對呼吸道及眼部刺激作用越明顯濃度越高，全身作用越明顯，表現(xiàn)為中樞神經(jīng)系統(tǒng)癥狀和嚴(yán)重窒息癥狀，嚴(yán)重者可發(fā)生電擊樣死亡。

5 硫化氫氣體的運(yùn)移規(guī)律

在自然界初始狀態(tài)下，巖層未受到擾動時(shí)，巖層中的硫化氫氣體處于動態(tài)平衡狀態(tài)；當(dāng)隧道開挖過程中巖體原有的平衡狀態(tài)被破壞時(shí)，圍巖內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，巖體內(nèi)部的氣體動態(tài)平衡也被打破，使得硫化氫氣體在圍巖的孔裂隙結(jié)構(gòu)中發(fā)生流動。

目前，普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為巖層中氣體的流動是擴(kuò)散和滲流的混合過程，巖層孔隙內(nèi)的流動可以用擴(kuò)散理論進(jìn)行描述，巖層裂隙內(nèi)的流動則可用達(dá)西定律進(jìn)行描述。

（1）通過數(shù)值模擬，不通風(fēng)條件下，隨著時(shí)間的增加，隧道內(nèi)有毒有害氣體的含量不斷增加，且逐步蔓延到整個(gè)尚未設(shè)置襯砌隧道段。尤其是掌子面附近硫化氫氣體濃度非常大，這與隧道施工過程中圍巖受到破壞或擾動后裂隙加大有密切關(guān)系。掌子面附近硫化氫氣體隨時(shí)間積聚規(guī)律如圖1所示。

圖1 掌子面附近硫化氫濃度隨時(shí)間變化曲線

由圖1可知，掌子面附近1m處硫化氫遠(yuǎn)大于5m范圍內(nèi)硫化氫濃度，距離掌子面5m范圍內(nèi)則在2h時(shí)超過最大允許濃度，并且由計(jì)算結(jié)果可知，3h內(nèi)充斥到整個(gè)隧道之中，隧道內(nèi)硫化氫濃度整體超過6.6ppm，此種情況下應(yīng)立即停止施工，進(jìn)行治理。

（2）通過數(shù)值模擬，0.5m/s風(fēng)速條件下，1min、5min、30min、1h硫化氫氣體在尚未設(shè)置襯砌隧道段分布情況均一致，見圖2。

圖2 0.5m/s風(fēng)速條件下隧道內(nèi)硫化氫氣體蔓延情況

分析以上結(jié)果可知，0.5m/s風(fēng)速條件下，通風(fēng)效果良好，與瓦斯通風(fēng)計(jì)算結(jié)果相一致，隧道內(nèi)硫化氫氣體非常少，只有極少量積聚在速調(diào)洞壁及兩個(gè)底角處。結(jié)合瓦斯和硫化氫氣體的蔓延時(shí)間和蔓延趨勢，隧道內(nèi)停止通風(fēng)時(shí)間不宜超過1.5h。

（3）已設(shè)置襯砌段隧道內(nèi)無硫化氫氣體滲入，故氣密性良好的混凝土襯砌也是防止有毒有害氣體滲入隧道的有效手段。

6 防治對策

（1）掌子面通風(fēng)。通風(fēng)可為掌子面輸入新鮮空氣，同時(shí)將隧道內(nèi)的毒害氣體粉塵等雜質(zhì)帶出隧道，是降低有毒有害氣體濃度，防止硫化氫氣體積聚的有效手段?；谝陨涎芯繎?yīng)為華鎣山隧道掘進(jìn)中的掌子面輸送不小于0.5m/s的風(fēng)速。

（2）采用滲透率極小的氣密性材料設(shè)置初支及二襯，可有效防止有毒有害氣體的滲入。

（3）注漿。采用小導(dǎo)管封閉掌子面附近圍巖及施工過程中未設(shè)置襯砌段的隧道圍巖裂隙，防止有毒有害氣體的滲入。

（4）超前探測，預(yù)先抽采。使用探測器材對掌子面前方60m范圍內(nèi)進(jìn)行超前探測，并通過鉆孔預(yù)先抽采毒害氣體后再進(jìn)行施工。

（5）向圍巖裂隙內(nèi)壓送堿性化學(xué)制劑如石灰水可中和硫化氫氣體。

[1]中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司.華鎣山隧道兩階段施工圖設(shè)計(jì).2011.

[2]王成平，王芳其，朱玉峰.玉峰山隧道硫化氫氣體的預(yù)防和處治[J].公路交通技術(shù)，2010年4月第2期.

[3]吳道申.淺析鐵路隧道工程硫化氫氣體防治技術(shù)[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2015年第11期.

[4]陳明，趙向陽.硫化氫氣體檢測方法及安全防范措施[J].油氣田環(huán)境保護(hù)，2011年2月.

[5]張文輝，劉冬梅，連貴賓.硫化氫去除技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國化工貿(mào)易，2015年8月.

[6]李慶揚(yáng).數(shù)值分析（第5版）.清華大學(xué)出版社，2008年.