秦嶺隧洞TBM施工有害氣體處理研究

王 新，劉波波

(陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710100)

陜西省引漢濟渭工程屬于跨流域調水工程，其中秦嶺隧洞越嶺段為無壓洞，全長81.779km，縱坡1/2500，秦嶺隧洞越嶺段采用2臺TBM施工(施工總長度39.021km)和鉆爆施工(施工總長度42.758km)的施工方案。嶺南TBM設備通過3號支洞運至井底，在洞內組裝并完成調試后向出口方向掘進；嶺北TBM設備通過6號支洞運至井底，在洞內完成調試后向進口方向掘進。

秦嶺輸水隧洞埋深大、洞線長、洞徑大，經常面對巖爆、突涌水、有害氣體、塌方等風險，地質情況十分復雜[1-4]。其中有害氣體的發(fā)生不確定性高，危害大，可直接導致作業(yè)人員中毒，甚者引發(fā)爆炸，嚴重威脅工程安全。

近年來，許多學者針對TBM施工有害氣體處置進行了研究[5-10]。但是針對TBM施工過程中遭遇有害氣體溢出問題時應采取什么樣的處理原則和施工方案方面的研究較少。文章結合秦嶺隧洞嶺北TBM施工過程中遭遇突發(fā)有害氣體溢出事件，通過檢測監(jiān)測，分析研究，制定合理的處置方案。

1 工程背景

秦嶺隧洞嶺北TBM設計里程為K46+360-K62+903，工程長度為16543m，坡降為1/2500，TBM施工斷面為圓形，斷面開挖直徑8.02m。TBM施工段平面示意圖如圖1所示。

隧洞區(qū)在大地構造單元上屬于秦嶺褶皺系。沉積巨厚，巖漿活動頻繁，變質作用復雜，褶皺、斷裂發(fā)育。隧洞區(qū)內無現(xiàn)代明顯活動斷裂通過。隧洞區(qū)主要構造線呈近EW向。此外，還發(fā)育走向為NW、NE向的次一級斷層。與隧洞有關的大小斷裂多達40條。隧洞區(qū)斷裂示意圖如圖2所示。

圖1 TBM段平面示意圖

圖2 隧洞區(qū)斷裂示意圖

2 有害氣體溢出情況及原因分析

2.1 有害氣體溢出情況

2018年2月23日凌晨3時25分，引漢濟渭工程嶺北TBM施工至K47+912.7，TBM護盾尾部7點位置巖體縱向節(jié)理面有不明可燃氣體溢出，被拱架支護作業(yè)中掉落的焊渣引燃，火焰高度45cm，沿節(jié)理面縱向長度95cm。

現(xiàn)場立即將火焰撲滅，隨即用便攜式四合一氣體檢測儀進行檢測，發(fā)現(xiàn)溢出氣體為CO和H2S，其中CO濃度超過1000ppm(儀器檢測范圍0～1000ppm)，H2S濃度超過100ppm(儀器檢測范圍0～100ppm)，兩項有害氣體均爆表。早上10點40分以后，有害氣體火焰基本熄滅，再次檢測CO濃度超過1000ppm(溢出口)，H2S未檢測到。中午對此片巖體破碎區(qū)采用噴射砼封閉措施后，還存在有害氣體從鋼拱架背部溢出，經檢測溢出口CO濃度超過1000ppm，H2S未檢測到。

隨后，專業(yè)團隊對溢出氣體進行了多次檢測，并對氣體成分進行了實驗分析，幾次檢測結果見表1、表2。

表1 2月25日檢測結果

表3為3月1日采用CFB-10型負壓氣體采樣器和氣體采樣袋現(xiàn)場取氣，在實驗室分析的結果。根據(jù)氣體成分分析結果可以看出，通過裂隙涌出的可燃性氣體主要成分為CH4、N2，含有少量C2H6、CO2，以及微量的CO，H2S氣體已經檢測不到。

2.2 原因分析及初步結論

2.2.1 原因分析

為了分析確定可燃性氣體來源，自嶺北TBM護盾掘進工作面采集巖樣，通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)和能譜儀對巖樣表面結構和巖樣成分進行測試分析。

圖3 嶺北TBM護盾掘進工作面巖樣能譜圖

由圖3可以看出，實驗巖樣中Si、Al元素含量較高，屬于沉積巖類。根據(jù)現(xiàn)場勘探及巖樣分析，初步推斷嶺北TBM護盾掘進工作面隧洞巖樣巖質較硬，孔隙結構不發(fā)達，不具備賦存天然氣的條件，探測到的可燃性氣體可能為其他巖體賦存氣體，以游離態(tài)形式經節(jié)理導通氣流通道涌入巷道。

表2 2月26日檢測結果

表3 氣體成分分析表

2.2.2 初步結論

(1)目前嶺北TBM施工至中泥盆世劉嶺群變質砂巖中，受地質構造作用影響，巖體破碎。洞頂?shù)孛娓叱?452.45m，洞底高程523.57m，可燃氣體溢出部位洞身埋深約930m，沿節(jié)理裂隙逸出。前期地表物探揭示K47+780～K48+170段，電阻率范圍變化較大，為100～900Ω·m，推測構造破碎帶，巖體節(jié)理裂隙、劈理極其發(fā)育。該氣體在相對封閉的環(huán)境下，由厭氧菌對有機質分解還原作用形成，區(qū)內無含煤氣及油氣等地層，與含煤層及油層產生的瓦斯及人為活動在地下空間留下的有害氣體不同，有其明顯的特征，屬巖層氣(頁巖氣)范疇，不存在其大量賦存的地質環(huán)境條件。

(2)經現(xiàn)場初步檢測測定及取樣進行室內分析，秦嶺隧洞逸出的有害氣體為烷類氣體，主要成份為甲烷(CH4)。

(3)瓦斯的來源主要是泥盆系中統(tǒng)劉嶺群變質砂巖地層，隨著地層構造破碎帶上升運移儲存在巖層裂隙內，受隧洞施工的影響造成瓦斯不斷溢出。目前根據(jù)洞內瓦斯?jié)舛葯z測和通風條件，初步判斷隧洞內瓦斯絕對涌出量為微量。

初步分析評價結論：秦嶺隧洞洞室埋深大，具有良好的儲存封閉條件，有利于地下有害氣體的積聚；區(qū)內受構造作用影響嚴重，巖體中構造結構面發(fā)育，具備氣體游離及運移的良好通道，不具備瓦斯突出發(fā)生的條件；出現(xiàn)有害氣體溢出原因可能為有害氣體從其他深部區(qū)域沿構造裂隙等通道運移而來。

3 處理措施研究

根據(jù)此次有害氣體溢出事件的初步分析結果，針對性地制定了實時監(jiān)測、超前預報、加強通風、專項設計、動態(tài)處理的方案。將已揭示的有害氣體溢出段(K47+912.7～K47+940.4)作為封堵試驗段，對溢出點進行局部封堵。在初支及二次襯砌混凝土中摻加氣密劑，提高二次襯砌的抗透氣性能。對后期揭示段的封堵方案根據(jù)試驗段的封堵效果及實際溢出情況確定。同時，在施工過程中加強施工通風，瓦斯監(jiān)測采用“人工+自動化”監(jiān)測，對隧洞內照明燈具進行改造，對相關電纜連接進行改造，設置瓦斯監(jiān)測警報和熄火的裝置，做好專項超前地質預報等工作。

4 施工方案及效果

4.1 結構設計

該次瓦斯地段襯砌結構調整暫考慮K47+960～K47+860段，長100m。后續(xù)結構根據(jù)瓦斯的實際揭示情況確定。

(1)拱墻二次襯砌混凝土等級調整為C35。

(2)該段初噴及二襯混凝土中摻加氣密劑，要求摻用氣密劑后，噴混凝土中透氣系數(shù)不應大于lO-lOcm/s，模筑混凝土中透氣系數(shù)不應大于10-11cm/s。

(3)對K47+912.7～K47+940.4段有害氣體溢出點進行局部封堵，每個出氣點設3～5孔局部注漿，注漿采用φ42鋼花管，長度4.5m，漿液采用瑞諾化學漿，注漿孔位置根據(jù)現(xiàn)場情況確定。

4.2 瓦斯隧洞施工措施

4.2.1 施工通風

要求施工期間必須不間斷通風，通風設備采用雙風機(同型號同功率備用)、雙電源；根據(jù)洞內瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測情況，在襯砌臺車等易減緩風速的地段可增設沿程增壓風機；在瓦斯易積聚的地方，增設小型防爆型局扇。5號支洞底進行封堵，防止瓦斯工區(qū)回風進入5、6號之間的主洞工區(qū)及6號支洞工區(qū)。后期根據(jù)實際揭示情況，可考慮于5、6號之間的主洞內增加防爆型軸流風機，控制回風風流方向。

4.2.2 瓦斯監(jiān)測

采用“人工+自動化”監(jiān)測的總體監(jiān)測方案。

自動化監(jiān)測布置方案：在開挖工作面迎頭及距開挖工作面不同位置的敏感(關鍵)設備處、回風流處、模板臺車前后、5號洞底檢修洞(靠6號側)、5號洞內、洞內變壓器集中安設處、皮帶驅動處、機電設備洞室等應設置瓦斯傳感器；在距后配套末端30m回風流處、5號支洞井底至掌子面的襯砌地段、5號洞和6號洞之間的主洞已襯砌段、5號支洞等主要測風站安裝風速傳感器；在易自燃或有爆炸危險的瓦斯工區(qū)地段，設置一氧化碳傳感器和溫度傳感器；在TBM上每間隔20m設一處煙霧傳感器；瓦斯工區(qū)使用的主通風機、局部通風機應設置設備開停傳感器。被控設備開關的負荷側應設置饋電狀態(tài)傳感器；根據(jù)傳感器的數(shù)量及種類按控制要求，配置遠程斷電儀。

除配置自動監(jiān)測系統(tǒng)外，應進行人工監(jiān)測，要求如下：配備專職瓦檢員，同時配備低濃度光干涉式甲烷測定器和高濃度光干涉式甲烷測定器，配備H2S、CO、CO2、CH4等相應的氣體測定器；洞內工程技術人員、班組長、特殊工種等主要管理人員進入瓦斯工區(qū)應配備便攜式甲烷檢測報警儀；并在隧道內各工作面、刀盤前后、盾尾周邊、TBM重要設備、后配套30m后的回風流處、瓦斯易發(fā)生積聚處、過斷層破碎帶、裂隙帶及瓦斯異常涌出點、隧道內可能產生火源的地點等巡檢點進行日常巡檢。人工巡檢頻率、設備調校、數(shù)據(jù)管理等按按相關規(guī)范要求執(zhí)行。

4.3 超前地質預報

根據(jù)前期探測地質條件，本段瓦斯工區(qū)采用洞內地質素描、HSP連續(xù)探測，掌子面布置水平鉆孔3孔、配合瓦斯監(jiān)測儀檢測進行瓦斯?jié)舛?、壓力等監(jiān)測。重點預測預報前方圍巖的破碎程度、產狀(走向、傾向、傾角)、裂隙發(fā)育情況等。具體布孔參數(shù)表見表4。

表4 布孔參數(shù)表

4.4 處理效果

在確保施工安全的前提下，通過采取以上措施，溢出口的氣體在兩天內就得到了疏散稀釋；在試驗段的施工過程中，雖仍有有害氣體溢出，但是溢出量得到了有效的控制，且溢出后均能及時疏散；超前地質預報也顯示未發(fā)現(xiàn)大量天然氣貯存，均在安全可控范圍內。

5 結論

(1)地下洞室開挖過程中突發(fā)有害氣體，采取對溢出段封堵并加強監(jiān)測，后續(xù)段超前鉆探預判，加強出露段的監(jiān)測，強化組織管理的方案是科學的，迅速地控制了有害氣體溢出情況。但是文章的研究針對秦嶺隧洞TBM具體情況展開，尚存在一定的局限性，如未對工作面瓦斯等級進行評判，以便制定更詳細的措施；如何準確研判前方圍巖的瓦斯賦存情況也有待進一步研究。

(2)為避免發(fā)生有害氣體事件，應堅持預防為主，綜合治理的原則，從技術上和組織上采取有力措施。要針對地下工程施工常見的有害氣體，使用先進儀器進行監(jiān)測，配備防毒面具，加強通風；同時，要制定應急預案，組織演練，科學應對類似事故。