深埋長隧洞有害氣體形成條件及安全施工對策

劉國平 李立民 肖瑜

摘要：針對秦嶺隧洞嶺北TBM施工中存在的有害氣體逸出現(xiàn)象，為預(yù)防和減輕有害氣體對施工進(jìn)程和人員設(shè)備安全的不利影響，在現(xiàn)場調(diào)查和參閱國內(nèi)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，通過開展現(xiàn)場氣體濃度檢測、巖（氣）樣采集等，結(jié)合室內(nèi)巖石樣品的微觀鑒定、電鏡掃描及巖（氣）體樣品的能（色）譜分析等綜合手段，分析了秦嶺隧洞有害氣體發(fā)生的地質(zhì)特征和形成條件，提出了針對性強(qiáng)的施工處理措施，以控制有害氣體濃度符合安全施工標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果表明：隧洞區(qū)內(nèi)巖體構(gòu)造結(jié)構(gòu)面發(fā)育，有害氣體是從其他深部區(qū)域沿構(gòu)造裂隙等通道運(yùn)移而逸出;秦嶺隧洞逸出的有害氣體為烷類氣體，主要成分為甲烷;建立健全安全監(jiān)測系統(tǒng)、優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)可以有效減輕有害氣體的影響。

關(guān)鍵詞：有害氣體;形成條件;施工對策;秦嶺隧洞

中圖分類號：TV513 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

超長深埋隧洞具有延伸長、埋深大、地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)，在施工過程中常常伴隨巖爆、高地溫、突涌水等諸多地質(zhì)災(zāi)害問題[1]，其中掘進(jìn)過程中有害氣體的產(chǎn)生和積聚日益引起設(shè)計(jì)和施工人員的重視[2]。隧洞內(nèi)施工空間狹小，有害氣體的出現(xiàn)不僅會給人員和設(shè)備帶來極大危害，而且因其突然噴出、燃燒或爆炸等急劇惡化隧洞施工條件，容易引發(fā)安全事故。

國內(nèi)許多學(xué)者針對隧洞工程有害氣體開展了相應(yīng)研究。黃潤秋等[3]對深埋長隧道有害氣體發(fā)生的地質(zhì)條件進(jìn)行過探討研究;李斐等[4]對杭州地鐵1號線彭埠站一建華站區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿有害氣體土層工程設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究;張玉偉等[5]研究了壓入式通風(fēng)模式下高原隧道有害氣體的分布特征;陳廣峰等[6]分析了杭州地鐵隧道有害氣體的危害及防治對策;楊曼等[7]對季家坡隧道易燃?xì)怏w進(jìn)行了監(jiān)測分析;何財(cái)基等[8-11]對隧道有害氣體成因及濃度進(jìn)行了分析并提出了相應(yīng)的處置措施。

陜西省引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞貫穿秦嶺山脈，全長98.3km，最大埋深2012m，屬超長深埋隧洞。2018年2月23日，在秦嶺隧洞嶺北TBM（tunnel boring ma-chine，巖石掘進(jìn)機(jī)）段施工過程中，首次發(fā)現(xiàn)有害氣體逸出，隧洞區(qū)有害氣體的賦存有別于含煤、油氣等地區(qū)，其巖類主要為變質(zhì)巖和巖漿巖，無沉積巖分布。而目前在秦嶺地區(qū)乃至全國，尚無敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)穿越有害氣體施工的實(shí)例。判別有害氣體出現(xiàn)的地質(zhì)條件，分析有害氣體成分，從而提出有效預(yù)防和應(yīng)對措施，對保證人員和設(shè)備安全、杜絕安全事故的發(fā)生具有重要意義。筆者通過收集現(xiàn)場第一手資料，對秦嶺隧洞有害氣體的特征、形成原因進(jìn)行分析研究，開展了現(xiàn)場氣體成分濃度測試、工作面巖石樣品電鏡掃描及巖（氣）體樣品能（色）譜等分析，初步掌握了秦嶺隧洞有害氣體的發(fā)生特征和形成原因，并提出了預(yù)防和治理措施。

1 有害氣體和巖樣測試分析

1.1 有害氣體發(fā)生情況

2018年2月23日凌晨3時25分，嶺北TBM施工至樁號K47+912.7處，TBM護(hù)盾尾部左下側(cè)位置巖體縱向節(jié)理縫隙有不明可燃?xì)怏w逸出，逸出氣體被拱架支護(hù)作業(yè)中掉落的焊渣引燃，火焰高度45cm，沿節(jié)理面縱向長度95cm?，F(xiàn)場立即將火焰撲滅，通過便攜式氣體檢測儀檢測（檢測儀器傳感器對著原著火點(diǎn)）發(fā)現(xiàn)，逸出氣體主要為甲烷和一氧化碳，現(xiàn)場立即關(guān)閉電源并撤離所有人員，只保留風(fēng)機(jī)持續(xù)運(yùn)行。

1.2 有害氣體測試

采用色譜儀對經(jīng)裂隙逸出的有害氣體進(jìn)行了成分測試。測試結(jié)果表明，有害氣體主要成分為CH₄、N₂，含有少量C₂H₆、CO₂，以及微量CO。受氣相色譜儀測試范圍影響，不排除存在其他未測定氣體的可能性，如C₃H₈、C₃H₆、SO₂等，但含量甚微。

分別在K47+919.5（氣體逸出裂隙）、K47+939.4（仰拱氣體逸出冒泡）、掘進(jìn)工作面三處不同位置采用CFB-10型負(fù)壓氣體采樣器和氣體采樣袋收集現(xiàn)場樣本氣體，借助GC-2120型氣相色譜儀測試樣本氣體中O₂、N₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂等成分濃度，采用GC-3430型氣相色譜儀對H₂S氣體濃度進(jìn)行專項(xiàng)檢測?，F(xiàn)場及實(shí)驗(yàn)室氣體濃度檢測結(jié)果見表1、表2。

1.3 巖樣測試

為了分析確定可燃性氣體來源，自嶺北TBM護(hù)盾掘進(jìn)工作面采集巖樣，通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）和能譜儀對巖樣表面結(jié)構(gòu)和巖樣成分進(jìn)行測試鑒定分析。

圖1為巖樣顯微結(jié)構(gòu)?？梢钥闯觯瑤r樣為變質(zhì)砂巖，黑綠色一黑灰色，極為細(xì)膩，顯微鏡下巖樣孔隙結(jié)構(gòu)不發(fā)達(dá)，無明顯礦物晶體顆粒，以碎屑礦物為主，石英較多，含有黑云母、綠泥石和碳酸鹽礦物，少數(shù)膠結(jié)物為硅質(zhì)物，副礦物有鈉一斜黝簾石、黃鐵礦等，具有明顯的流動渦卷現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為塊狀構(gòu)造，層狀構(gòu)造不明顯，中細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu)，宏觀顯示變質(zhì)巖特征，變質(zhì)以后顆粒邊緣有重結(jié)晶現(xiàn)象。該樣品局部發(fā)現(xiàn)有機(jī)物儲存或穿行殘留印記存在。圖2為巖樣的能譜分析結(jié)果。由圖2可以看出，試驗(yàn)巖樣中Si、Al元素含量較高，結(jié)合磨片判定樣品屬于淺變質(zhì)巖類。

2 形成條件分析

隧洞所處的巖性條件是決定有無有害氣體的基礎(chǔ)。有害氣體主要分布于中硬巖及富含有機(jī)質(zhì)等特殊成分的巖層內(nèi)，如含煤層、含炭質(zhì)、含油層、瀝青質(zhì)巖層等富集有害氣體的地層，堅(jiān)硬巖的巖質(zhì)致密，具有低透氣性和滲透率低的特點(diǎn)，巖石本身賦存氣體的能力很差。

根據(jù)現(xiàn)場勘探測試及巖性、巖石類型與成因分析，嶺北TBM護(hù)盾掘進(jìn)工作面隧洞巖樣為變質(zhì)砂巖，屬淺變質(zhì)巖，為沉積成因的砂巖經(jīng)過變質(zhì)作用形成，巖質(zhì)堅(jiān)硬，肉眼觀察孔隙結(jié)構(gòu)不發(fā)達(dá)，透氣性差，不具備賦存有害氣體的條件，探測到的可燃性氣體為隧洞更深部其他巖體、構(gòu)造帶、裂隙帶等賦存氣體，受隧洞施工的影響，以游離態(tài)形式經(jīng)節(jié)理裂隙導(dǎo)通氣流通道，自掘進(jìn)工作面及洞壁四周基巖裂隙中逸出。

洞址區(qū)巖性有變質(zhì)巖類如千枚巖、炭質(zhì)千枚巖、石英片巖、炭質(zhì)片巖、云母片巖、變粒巖、石英巖、片麻巖、大理巖、變質(zhì)砂巖等，巖漿巖類如花崗巖、花崗閃長巖、閃長巖等，多數(shù)為堅(jiān)硬巖，少數(shù)為中硬巖，局部夾有少量軟質(zhì)巖，TBM施工段穿越的地層巖性主要有石英片巖、千枚巖、含炭質(zhì)千枚巖、變質(zhì)砂巖等，目前施工揭露的含炭質(zhì)千枚巖位于泥盆系下統(tǒng)羅漢寺組和石炭系下統(tǒng)二峪河組地層中。有害氣體涉及地層巖性為泥盆系中上統(tǒng)劉嶺群青石婭組變質(zhì)砂巖，補(bǔ)充勘察中發(fā)現(xiàn)臨近有害氣體逸出點(diǎn)的泥盆系上統(tǒng)劉嶺群桐峪寺組含有炭質(zhì)千枚巖，具備賦存有害氣體的巖性條件。

有害氣體的賦存不僅與隧洞所處的巖性及巖石的礦物組成有關(guān)，還與其地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)。有害氣體形成的地層巖性條件具備后，能否造成危害還取決于一定的富集、儲存條件。最適合有害氣體儲集的是背斜構(gòu)造（或穹隆構(gòu)造），此外，斷裂帶尤其是深部巖體斷裂帶、節(jié)理裂隙發(fā)育帶、活動火山活動源處或劇烈的地表活動區(qū)也是有害氣體運(yùn)移和富集的場所。秦嶺隧洞嶺北TBM施工段斷裂構(gòu)造發(fā)育，勘察中共發(fā)現(xiàn)14條斷層，目前已施工揭露驗(yàn)證了13條斷層，同時還新發(fā)現(xiàn)了7條次生小斷層和多處節(jié)理裂隙發(fā)育帶，這為有害氣體的運(yùn)移和富集提供了良好的通道。

3 應(yīng)對措施

3.1 施工通風(fēng)

經(jīng)分析，有害氣體主要為甲烷，施工期主要按照瓦斯安全進(jìn)行應(yīng)對。隧洞施工通風(fēng)是排煙除塵和稀釋有害氣體的主要手段，是保證施工安全的重要前提，因此隧洞施工期間需根據(jù)瓦斯檢測結(jié)果進(jìn)行不間斷通風(fēng)。敞開式TBM通風(fēng)系統(tǒng)主要包括除塵風(fēng)機(jī)和新鮮空氣供風(fēng)機(jī)，針對TBM工作面高濃度瓦斯，利用除塵風(fēng)機(jī)抽出有害氣體并增大新鮮空氣供風(fēng)量，采用抽壓結(jié)合的隧道通風(fēng)方法來降低開挖工作面瓦斯?jié)舛戎?%以下。為掌握瓦斯在風(fēng)流中的分布規(guī)律，利用FLUENT軟件對瓦斯?jié)舛确植歼M(jìn)行數(shù)值模擬，分析新鮮空氣進(jìn)風(fēng)量對洞內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊挠绊憽?/p>

3.1.1 數(shù)學(xué)模型

依據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果，瓦斯由TBM開挖工作面7點(diǎn)方向涌出，則通風(fēng)稀釋瓦斯的過程包括空氣與瓦斯紊流擴(kuò)散。瓦斯紊流擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型控制方程為連續(xù)性方程、動量方程、能量方程及組分運(yùn)輸方程。紊流模型采用雙方程k-ε紊流模型，其中瓦斯組分質(zhì)量守恒方程為式中：ρ為瓦斯密度;c_s為瓦斯的體積濃度;u為流速;t為時間;D_s為瓦斯的擴(kuò)散系數(shù);S_s為單位時間內(nèi)單位體積通過化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的瓦斯質(zhì)量;grad為梯度函數(shù);div為散度函數(shù)。

3.1.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)嶺北敞開式TBM開挖實(shí)際情況，建立隧道幾何模型。TBM機(jī)身段長200m，斷面直徑為8m;除塵風(fēng)管與新鮮風(fēng)管直徑為0.9m，對稱布置于隧道兩側(cè)。模擬建立TBM主體結(jié)構(gòu)，用于模擬粉塵在TBM掘進(jìn)中的擴(kuò)散效果。采用四面體網(wǎng)格，對三維數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格邊長為0.5m，風(fēng)管網(wǎng)格加密，邊長為0.1m，幾何模型網(wǎng)格劃分情況如圖3所示。

3.1.3 邊界條件的確定

基本計(jì)算邊界條件如下：①除塵風(fēng)管與新鮮風(fēng)管均設(shè)為速度入口（velocity-inlet）;②TBM機(jī)身尾部設(shè)為壓力出口（pressure-outlet），保持Gauge pressure為0，即環(huán)境氣壓為1個大氣壓;③瓦斯溢出部位設(shè)為速度人口（velocity-inlet），設(shè)置velocity magnitude為10m/s，瓦斯溢出初始濃度為14%;④隧道壁面及風(fēng)管管壁邊界類型均為固壁邊界（wall），且滿足無滑移條件。

3.1.4 結(jié)果分析

嶺北TBM施工通風(fēng)布置情況如下：除塵風(fēng)管與新鮮風(fēng)管在隧道豎向位于中間位置，在隧道橫向?qū)ΨQ布置且風(fēng)管壁距兩側(cè)洞壁均為0.3m，在隧道縱向風(fēng)管口距離工作面均為10m，除塵風(fēng)機(jī)吸風(fēng)口風(fēng)速為10m/s，新鮮風(fēng)管送風(fēng)風(fēng)速為5、10、15、20m/s，模擬計(jì)算通風(fēng)30min后4種供風(fēng)量下瓦斯?jié)舛确植记闆r，其中沿縱向隧道中間斷面的瓦斯?jié)舛确植既鐖D4所示。

由圖4可知，在TBM施工瓦斯隧道時，利用除塵風(fēng)管吸風(fēng)，采用抽壓結(jié)合的通風(fēng)方式能夠明顯降低工作面附近的瓦斯?jié)舛?。由工作面前方圍巖節(jié)理裂隙產(chǎn)生的瓦斯，一部分直接被除塵風(fēng)管吸走，一部分隨壓入的新鮮風(fēng)流向TBM尾部擴(kuò)散。送風(fēng)風(fēng)速越大，瓦斯?jié)舛却笥?.0%的危險(xiǎn)區(qū)域越小，聚集在TBM隧道上方的瓦斯量越小。

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，送風(fēng)速度為20m/s時，有利于降低工作面瓦斯?jié)舛?，施工通風(fēng)設(shè)置能夠達(dá)到此風(fēng)速，因此僅關(guān)注送風(fēng)速度為20m/s的濃度變化曲線。將現(xiàn)場瓦斯?jié)舛葴y試結(jié)果與送風(fēng)風(fēng)速為20m/s的瓦斯擴(kuò)散數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，如圖5所示。由圖5可知，未通風(fēng)時TBM工作面甲烷濃度較高，隨著時間的增加甲烷濃度迅速降低，在通風(fēng)20min后甲烷濃度較小且趨于平穩(wěn)，通風(fēng)30min后甲烷濃度均在規(guī)范限值以下。圖5中實(shí)測值與計(jì)算值存在差異，原因主要為嶺北TBM機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)身對隧道通風(fēng)有一定的阻礙作用，模擬計(jì)算簡化了TBM機(jī)身結(jié)構(gòu)，因此數(shù)值計(jì)算中隧道內(nèi)甲烷濃度受通風(fēng)影響更為明顯，濃度隨時間下降更快。

3.2 治理措施

對隧洞通過該特殊構(gòu)造區(qū)段進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)：①K47+912.7-K47+960段圍巖類別由Ⅳ類調(diào)整為Ⅲ類[1z];②受巖爆影響，同時考慮限制有害氣體排放，防止坍塌掉塊引起新的排放通道，該段采用H125型鋼鋼架支護(hù)，間距1榀/90cm;③拱墻錨桿及噴射混凝土按Ⅳ類圍巖進(jìn)行設(shè)計(jì)，局部破碎段鋼筋網(wǎng)調(diào)整為鋼筋排;④拱墻二次襯砌混凝土強(qiáng)度等級調(diào)整為C35;⑤該段初噴及二次襯砌混凝土中摻加氣密劑，要求摻用氣密劑后，噴混凝土透氣系數(shù)不大于10^-10cm/s，模筑混凝土透氣系數(shù)不大于10^-11cm/s;⑥對K47+912.7-K47+940.4段有害氣體集中逸出點(diǎn)進(jìn)行局部封堵，減小逸出量及逸出速度;⑦現(xiàn)場增加小型防爆扇，防止有害氣體局部聚集，在主洞交叉口增加一臺接力風(fēng)機(jī)，保證新鮮風(fēng)供應(yīng)。

4 結(jié)論

（1）經(jīng)現(xiàn)場及室內(nèi)樣品分析測定，秦嶺隧洞逸出的有害氣體為烷類氣體，主要成分為甲烷。秦嶺隧洞洞室埋深大，具有良好的儲存封閉條件，易形成地下有害氣體積聚;區(qū)內(nèi)受構(gòu)造作用影響嚴(yán)重，巖體中構(gòu)造結(jié)構(gòu)面發(fā)育，具備形成氣體游離及運(yùn)移的良好通道;逸出的有害氣體從其他深部區(qū)域沿構(gòu)造裂隙等通道運(yùn)移而來。

（2）建立健全安全監(jiān)測系統(tǒng)，重點(diǎn)對電氣設(shè)備、有害氣體逸出點(diǎn)、人員密集區(qū)、施工掌子面等進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測對象為CH₄、CO、CO₂、H₂S等有毒有害氣體，特別是瓦斯氣體輕，易于積存于洞室的上部空間，要引起足夠的注意。利用除塵風(fēng)機(jī)抽出有害氣體并增大新鮮空氣供風(fēng)量，采用抽壓結(jié)合的隧道通風(fēng)方法，可以有效降低開挖工作面瓦斯?jié)舛取?/p>

（3）初期在出現(xiàn)有害氣體逸出的裂隙處測得瓦斯?jié)舛茸罡哌_(dá)17%，并在衰減，經(jīng)過局部封堵和加強(qiáng)洞內(nèi)通風(fēng)后，作業(yè)環(huán)境內(nèi)有害氣體濃度均處于有關(guān)規(guī)范[13-15]安全施工的限值以下。

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