非煤地層隧道有毒有害氣體施工探測(cè)技術(shù)研究

沈家君，蘇培東，趙 宇，趙春杰

（1.中鐵十局集團(tuán)有限公司大臨鐵路項(xiàng)目部，云南 臨滄 675800；2.西南石油大學(xué)地科院，四川 成都 610500）

1 引言

非煤地層隧道施工中，常遭遇的有毒有害氣體以硫化氫（H2S）、一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO2）、二氧化硫（SO2）、氨氣（NH3）等為主[1]，由于其具有高濃度、不穩(wěn)定、高危害、探測(cè)難度大的特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)鐵路工程行業(yè)并無(wú)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)可循，故而研究出針對(duì)非煤地層隧道有毒有害氣體的探測(cè)技術(shù)具有十分重要的意義。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于有毒有害氣體探測(cè)技術(shù)的研究多為單一探測(cè)方法。趙訓(xùn)等[2]提出采用地質(zhì)編錄和超前探測(cè)法，并對(duì)探測(cè)方案進(jìn)行了說(shuō)明。李鵬等[3]提出采用物探法和地質(zhì)法進(jìn)行非煤系瓦斯隧道的地質(zhì)預(yù)報(bào)。何成[4]將地質(zhì)編錄法、物探法和鉆探法應(yīng)用于工程實(shí)際，取得良好的效果。王慶林等[5]對(duì)瓦斯隧道超前鉆探施工工藝提出了要求。張忠愛(ài)等[6，7]根據(jù)隧道的地質(zhì)信息和鉆探法采用數(shù)學(xué)的方法定量計(jì)算有害氣體的賦存位置，并且取得了較好的應(yīng)用效果。蘇培東等[8]提出了根據(jù)隧道的地質(zhì)鉆孔信息定量探測(cè)有害氣體的逸出量。鮮有學(xué)者針對(duì)多種不同有毒有害氣體的探測(cè)方法進(jìn)行綜合研究和利用。

新建大臨鐵路紅豆山隧道穿越非煤地層時(shí)遇高壓氣囊式有毒有害氣體，主要類(lèi)型達(dá)8 種之多，在全國(guó)范圍內(nèi)的隧道建設(shè)中尚屬首次遇到，世界罕見(jiàn)，超出了目前隧道有毒有害氣體施工探測(cè)范圍，無(wú)直接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可循。

因此本文旨在總結(jié)研究紅豆山隧道施工期間采用的有毒有害氣體綜合探測(cè)技術(shù)，摸索總結(jié)出針對(duì)非煤地層隧道多種有毒有害氣體的綜合探測(cè)技術(shù)，為類(lèi)似隧道工程有毒有害氣體施工探測(cè)提供參考。

2 工程概況

新建大理至臨滄鐵路（即大臨鐵路），始于大理，直達(dá)臨滄，貫穿無(wú)量山，全線位于云南西南區(qū)域。其中，紅豆山隧道為該線控制性工程，長(zhǎng)10616m，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅰ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)。隧道埋深最大1020m、最小14m，巖性主要以花崗質(zhì)糜棱巖和印支期黑云母花崗巖為主。

隧道地處瀾滄江斷裂和南汀河斷裂間的復(fù)雜構(gòu)造區(qū)，設(shè)有2 座斜井，其中1#斜井長(zhǎng)1799m，2#斜井長(zhǎng)1657m，縱坡為10%。1#斜井主要穿越糜棱巖、變質(zhì)砂巖、板巖和片巖，遭遇的不良地質(zhì)問(wèn)題以高地應(yīng)力、有毒有害氣體、放射性、高地溫和順層等類(lèi)型為主。

3 施工方法

3.1 超前物探

3.1.1 地震波反射法

布設(shè)炮孔和接收器孔是數(shù)據(jù)采集前的基本要求。設(shè)炮孔24 個(gè)，深度1.50 m，直徑35mm～38mm，均布置在離地面1.0m 左右的邊墻上，需確保所有炮孔在同一水平線，各孔間隔1.5m，且最后設(shè)置的炮孔離掌子面大約5.0m。施鉆時(shí)確保各炮孔傾角、傾向均在10°～20°范圍內(nèi)。布設(shè)接收器孔時(shí)，確保其與炮孔保持同一水平線。與炮孔不同，接收器孔深度2.0m，直徑42mm～45mm，設(shè)在離洞口第一口炮孔15m～20m 的范圍內(nèi)，其傾角保持在5°～10°的范圍內(nèi)。

然后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過(guò)乳化炸藥瞬發(fā)電雷管的方式來(lái)激發(fā)地震波，有專(zhuān)門(mén)的儀器對(duì)信號(hào)進(jìn)行收集。在依次引爆炸藥進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，需要避免隧道內(nèi)的其他同期作業(yè)。采集的信號(hào)是數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，這一過(guò)程有專(zhuān)業(yè)軟件可以處理，并形成包括縱波深度偏移剖面，縱波反射面，波速、泊松比、密度曲線和反射面二維圖在內(nèi)的系列成果圖。

基于這些圖件和地質(zhì)勘察階段及洞內(nèi)開(kāi)挖階段所獲取的相關(guān)資料，對(duì)掌子面前方如軟弱夾層、斷層破碎帶、節(jié)理裂隙發(fā)育情況等與圍巖密切相關(guān)的地質(zhì)條件進(jìn)行有效分析掌握，憑借這些信息可以推斷有害氣體的富含區(qū)域（圖1）。

圖1 地震波反射法（TSP）探測(cè)施做

3.1.2 地質(zhì)雷達(dá)法

地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)方法的主要應(yīng)用對(duì)象是不均勻地質(zhì)體，包括巖溶、斷層破碎帶、軟弱夾層和氣囊等。測(cè)試區(qū)域要避免強(qiáng)烈的電磁波干擾，對(duì)測(cè)線周?chē)ń饘傥镌趦?nèi)的電磁干擾物進(jìn)行清除、避繞（圖2）。

圖2 地質(zhì)雷達(dá)法探測(cè)施做

3.1.3 瞬變電磁法

瞬變電磁法[9,10]對(duì)低阻體反應(yīng)敏感，可查明含水地質(zhì)體，對(duì)于探查斷層破碎帶、溶洞溶隙、暗河以及其他地層中的地下水體都有較好的效果（圖3）。

圖3 瞬變電磁法探測(cè)施做

3.2 超前鉆探法

超前鉆探法主要指超前地質(zhì)鉆孔和加深炮孔。此法是地質(zhì)調(diào)查法與超前物探方法的重要補(bǔ)充，在這兩種方法的基礎(chǔ)上，主要承擔(dān)對(duì)隧道開(kāi)挖面前端不良地質(zhì)的重點(diǎn)探測(cè)任務(wù)，對(duì)孔口有毒有害氣體的溢出情況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)。鉆孔過(guò)程中的氣動(dòng)現(xiàn)象是隧道賦存有毒有害氣體的重要判據(jù)，因此施鉆過(guò)程常常使用石灰水鉆，有利于觀測(cè)鉆孔期間的溢氣現(xiàn)象以及鉆孔氣動(dòng)力現(xiàn)象。

3.2.1 超前水平鉆孔

超前水平鉆孔施工工藝根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工工法情況及隧道有害氣體設(shè)計(jì)時(shí)的低、中、高、極高度危險(xiǎn)區(qū)域判識(shí)進(jìn)行布孔設(shè)置，極高度危險(xiǎn)區(qū)域設(shè)置4 孔，高度危險(xiǎn)區(qū)域設(shè)置2 孔，中度危險(xiǎn)區(qū)域設(shè)置1 孔。超前地質(zhì)鉆孔孔位、孔數(shù)、孔深、孔徑可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)揭示的地質(zhì)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以滿足安全施工、整治處理和探測(cè)需要為原則，并按照現(xiàn)場(chǎng)具體要求進(jìn)行施工。

具體施做工藝如下：需布設(shè)4孔時(shí)，其中1#、2#和3#孔呈等腰三角形布置，4#孔宜布置在掌子面的中心位置；需布設(shè)2孔時(shí)，在掌子面左右幅中間高度位置布置，1#、2#孔孔位離斷面輪廓線的距離宜控制在1.5m～2m。孔位布置如圖4所示。

圖4 超前鉆孔孔位布置示意圖

鉆孔深度30m 時(shí)，立角控制在1°～3°，有害氣體高度或極高度危險(xiǎn)區(qū)域里程段落，采用超前地質(zhì)鉆孔應(yīng)確保終孔在隧道開(kāi)挖輪廓線之外5m 以上，鉆孔外插角應(yīng)大于13°。

在鉆探過(guò)程中，要時(shí)刻注意是否發(fā)生溢氣和鉆孔氣動(dòng)力現(xiàn)象，大致判斷有毒有害氣體的空間位置展布。一旦發(fā)現(xiàn)有害氣體的溢出現(xiàn)象，要立刻斷電停鉆，組織人員撤離至開(kāi)闊通風(fēng)地帶，并及時(shí)上報(bào)技術(shù)負(fù)責(zé)人以便采取有效措施。

有毒有害氣體檢測(cè)人員必須配備便攜式CH4、H2S、CO、CO2、SO2、NO2、NH3、O2檢測(cè)儀，跟蹤超前鉆孔鉆進(jìn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.2.2 加深炮孔

加深炮孔主要采用風(fēng)鉆形式在隧道掌子面進(jìn)行鉆孔和探測(cè)。與循環(huán)進(jìn)尺相比，加深炮孔長(zhǎng)度更深（至少加深3m）。發(fā)生異常情況時(shí)，加密加深炮孔進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)深度不小于5m。加深炮孔孔位布置如圖5所示。

圖5 加深炮孔孔位布置示意圖

加深炮孔和超前地質(zhì)鉆孔探測(cè)過(guò)程中，是否發(fā)生氣溢現(xiàn)象以及頂鉆等氣動(dòng)力現(xiàn)象，需要由專(zhuān)業(yè)檢測(cè)人員全程在孔口進(jìn)行隨時(shí)監(jiān)測(cè)，并時(shí)刻注意空氣風(fēng)流中是否存在異味，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)有毒有害氣體的溢出。一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，則需對(duì)氣體的性質(zhì)、含量、濃度、壓力、涌出量等進(jìn)行檢測(cè)測(cè)試，并大致判斷有毒有害氣體的空間位置展布并進(jìn)行記錄，確定大致位置，進(jìn)而指導(dǎo)下部施工。

3.2.3 隧道周邊及基底探孔

施工過(guò)程中或超前地質(zhì)預(yù)報(bào)發(fā)現(xiàn)有害氣體濃度達(dá)到中度及以上危險(xiǎn)區(qū)域采用風(fēng)槍探孔對(duì)隧道周邊及基底（仰拱開(kāi)挖后）進(jìn)行探測(cè)。每個(gè)斷面布置10 個(gè)探孔，分別位于拱頂（共1 個(gè)）、左右拱腰（共2 個(gè)）、左右拱腳（共2 個(gè)）、左右邊墻（共4 個(gè)）和隧底中心位置（共1個(gè)）。探孔深度5m，斷面環(huán)間距5m。

當(dāng)開(kāi)挖面發(fā)現(xiàn)有害氣體濃度達(dá)到中度及以上危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，則在后方（已開(kāi)挖段）布置2 個(gè)斷面的周邊及基底探孔進(jìn)行補(bǔ)充探測(cè)。隧道周邊及基底探孔孔位布置如圖6所示。

圖6 周邊及基底探孔布置示意圖

3.3 非煤系有害氣體綜合探測(cè)主要措施

針對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的段落，采取的綜合探測(cè)技術(shù)，具體見(jiàn)表1。

表1 有害氣體綜合探測(cè)方法

3.4 有害氣體濃度安全界線

為確保施工安全，有害氣體濃度安全界線規(guī)定如下（表2），超出安全界線時(shí)，洞內(nèi)施工人員應(yīng)撤出洞外，加強(qiáng)通風(fēng)降低有害氣體濃度，安全規(guī)定限值見(jiàn)表2。

表2 有害氣體濃度安全界線規(guī)定

3.5 施工控制要點(diǎn)

①采用地震波反射法進(jìn)行探測(cè)，鉆孔過(guò)程要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案施鉆，除特殊情況外，應(yīng)確保孔位、孔深、直徑、傾角等要素與設(shè)計(jì)方案保持一致。

特殊情況下，鉆孔位置必須偏離設(shè)計(jì)點(diǎn)位置，應(yīng)以原定點(diǎn)為圓心，在0.2m 的半徑范圍內(nèi)進(jìn)行局部挪移。應(yīng)確?？咨砥街睍惩ǎ员泷詈蟿?、套管和炸藥等能夠投放到預(yù)定位置。如果所鉆巖層并不穩(wěn)定，為避免塌孔，可在孔內(nèi)裝入尺寸合適的PVC 管或者類(lèi)似的塑料管，起到保護(hù)孔壁的作用。

接收器的布置應(yīng)該同炮點(diǎn)處于一個(gè)平面與高度，即分布在兩側(cè)邊墻的同個(gè)斷面。炮孔傾角和孔深需要在安裝炸藥之前測(cè)量清楚，常用的測(cè)量工具是電子傾角測(cè)量?jī)x與管卷尺。以試驗(yàn)確定所需的炸藥量，炸藥卷通過(guò)裝藥桿裝填至炮孔底部，并用水或別的介質(zhì)封填炮孔。

在進(jìn)行信號(hào)采集之前，需要對(duì)接收器與記錄單元實(shí)行必要的噪音測(cè)試；在數(shù)據(jù)采集之前，需要對(duì)儀器本身和環(huán)境實(shí)施噪音檢測(cè)，儀器狀態(tài)正常，聲波振幅最大值低于78db，則可以引爆炸藥收集對(duì)應(yīng)的信號(hào)記錄。根據(jù)所接收直達(dá)波信號(hào)的強(qiáng)弱，有針對(duì)性地對(duì)裝填的炸藥量進(jìn)行適當(dāng)減增。

②運(yùn)用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)，需要確保儀器的技術(shù)指標(biāo)符合要求，即包括系統(tǒng)增益≥150db、信噪比＞60db、采樣間隔≤0.5ns，規(guī)模轉(zhuǎn)換器不宜小于16 位等。此外，儀器還應(yīng)當(dāng)具有一些常用的功能，例如實(shí)時(shí)濾波、可選的信號(hào)疊加、手動(dòng)和自動(dòng)位置標(biāo)記、點(diǎn)測(cè)和連續(xù)測(cè)量等。

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，可憑借試驗(yàn)確定天線工作頻率以及介電常數(shù)。面對(duì)情況較為復(fù)雜的探測(cè)對(duì)象，至少挑選兩種頻率的雷達(dá)天線，在各項(xiàng)指標(biāo)都能滿足探測(cè)深度要求的前提下，挑選高頻天線作為最終選擇。測(cè)網(wǎng)密度、天線間距及其移位速度應(yīng)能反映出探測(cè)對(duì)象的異常，測(cè)線的布設(shè)形式以十字和網(wǎng)格為主。

測(cè)試區(qū)域要避免強(qiáng)烈的電磁波干擾，對(duì)測(cè)線周?chē)ń饘傥镌趦?nèi)的電磁干擾物進(jìn)行清除、避繞。天線的支撐物需要具備絕緣性，在探測(cè)過(guò)程中，要保證工作天線和操作人員之間的相對(duì)位置不變，確保它所探測(cè)的表面較為規(guī)則和平整，不能影響和阻礙天線移動(dòng)；此外，還要保證天線在探測(cè)過(guò)程中和探測(cè)面保持固定距離不變，即移動(dòng)面大致平行于探測(cè)面。

③瞬變電磁法屬于時(shí)間域電磁感應(yīng)法，通常采用增大電流的方式，形成極大的激勵(lì)磁場(chǎng)，提高信噪比以減少干擾。為了避免出現(xiàn)人為的電磁干擾現(xiàn)象，需要確保周?chē)鸁o(wú)強(qiáng)干擾源、強(qiáng)磁場(chǎng)和金屬干擾物。在布置發(fā)射線框過(guò)程中，還應(yīng)確保長(zhǎng)度誤差≤5%，方向誤差≤1°，余線呈S形鋪在地面即可；此外，需要采取部分措施來(lái)證明所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

在不重布線圈的情況下，對(duì)各測(cè)點(diǎn)施行2組～3組的重復(fù)檢測(cè)；而重布線圈之后，對(duì)整個(gè)觀測(cè)區(qū)域中至少5%的物理點(diǎn)進(jìn)行質(zhì)檢復(fù)核，確保各質(zhì)檢點(diǎn)相對(duì)誤差≤0.5m，高程誤差≤0.5m，一級(jí)測(cè)線點(diǎn)位置誤差≤0.2m，高程誤差≤0.2m。

④進(jìn)行超前水平鉆探，一旦發(fā)生異常情況，需立刻停鉆檢查，比如鉆孔突水量和水壓激增、發(fā)生頂鉆等現(xiàn)象。有毒有害氣體檢測(cè)人員配備手持式風(fēng)速測(cè)定儀，隨時(shí)檢測(cè)掌子面及其他地段風(fēng)速情況，發(fā)現(xiàn)異常，馬上匯報(bào)，鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確判別有毒有害氣體儲(chǔ)層厚度，并記錄深度；采用超前地質(zhì)鉆孔應(yīng)確保終孔在隧道開(kāi)挖輪廓線至少5m之外，鉆孔外插角大于13°。

⑤采用加深炮孔進(jìn)行探測(cè)，與循環(huán)進(jìn)尺相比，加深炮孔長(zhǎng)度更深（至少加深3m），外插角≥20°，以保證孔底在隧道輪廓線外2m；加深炮孔和超前水平鉆探測(cè)過(guò)程中，是否發(fā)生氣溢現(xiàn)象以及頂鉆等氣動(dòng)力現(xiàn)象，需要由專(zhuān)業(yè)檢測(cè)人員全程在孔口進(jìn)行隨時(shí)監(jiān)測(cè)，并時(shí)刻注意空氣風(fēng)流中是否存在異味，確保及時(shí)發(fā)現(xiàn)有毒有害氣體的溢出。一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，則需對(duì)氣體的性質(zhì)、含量、濃度、壓力、涌出量等進(jìn)行監(jiān)測(cè)測(cè)試，并大致判斷有毒有害氣體的空間位置展布并進(jìn)行記錄，確定大致位置，進(jìn)而指導(dǎo)下部施工。

⑥隧道周邊及基底探測(cè)，檢測(cè)出有害氣體濃度達(dá)到中度及以上危險(xiǎn)區(qū)域采用風(fēng)槍探孔對(duì)隧道周邊及基底（仰拱開(kāi)挖后）進(jìn)行探測(cè)；設(shè)置孔深5m；斷面環(huán)間距5m；各斷面設(shè)置10 個(gè)探孔，集中氣體逸出點(diǎn)上下加密探測(cè)。

⑦隧道有害氣體探測(cè)的所有人員，都應(yīng)當(dāng)參加以有害氣體為主題的隧道安全培訓(xùn)，考核合格才可上崗。

⑧當(dāng)有毒氣體H2S、SO2濃度超過(guò)安全臨界濃度值6.6ppm、5ppm 時(shí)，應(yīng)及時(shí)撤離施工人員，查明原因，加強(qiáng)通風(fēng)，待濃度下降達(dá)到安全濃度后方可進(jìn)行施工。

⑨工作人員進(jìn)洞前一定要佩戴防毒面具或口罩，定期更換防毒面具和口罩等防護(hù)器具。

⑩施鉆過(guò)程中一旦發(fā)現(xiàn)有害氣體的噴出現(xiàn)象，要立刻斷電停鉆，組織人員撤離至開(kāi)闊通風(fēng)地帶，并及時(shí)上報(bào)技術(shù)負(fù)責(zé)人以便采取有效措施。

○1有毒有害氣體檢測(cè)人員必須配備便攜式H2S、SO2、CO、CH4、CO2、NO2、NH3、H2等有毒有害氣體檢測(cè)儀，施做物探、鉆探時(shí)，通風(fēng)管距掌子面不大于5m，風(fēng)速不小于1m/s。

4 工程應(yīng)用情況

大臨鐵路紅豆山隧道2015 年12 月28 日開(kāi)工，2017年6 月17 日1#斜井施工至X1DK1+242.5 處發(fā)現(xiàn)有害氣體，主要是H2S、CO 和CO2；2018年1月24 日紅豆山隧道進(jìn)口施工至DK115+904，距洞口507m 處發(fā)現(xiàn)H2S、SO2、CO2等有害氣體，CO2濃度超20 萬(wàn)ppm。施工過(guò)程中成功運(yùn)用有害氣體綜合探測(cè)技術(shù)并安全通過(guò)探測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

采用有害氣體綜合探測(cè)技術(shù)在全國(guó)非煤系地層隧道工程施工中尚屬首次。實(shí)踐證明，該技術(shù)可以有效探明隧道工程施工中潛藏的有害氣體的分布位置、性質(zhì)、含量、濃度、壓力、涌出量等相關(guān)參數(shù)，是隧道施工方法及工藝的一次創(chuàng)新嘗試。

隧道非煤系地層有害氣體探測(cè)技術(shù)適用于煤系、非煤系地下工程的有害氣體探測(cè)，推廣應(yīng)用前景廣闊。