新疆某深埋長引水隧洞有害氣體成因分析及防治

李玉光

（新疆伊犁河流域開發(fā)建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

新疆某隧洞工程洞長41.82 km，輸水隧洞為無壓洞，縱坡0.18%。該標段主要采用TBM開挖施工方案，最大埋深約2 268 m，均為順坡掘進，逆坡排水。TBM 單向掘進施工段長14 km。目前該隧洞標段TBM 已施工至合同樁號。后追加2 km，累計完成TBM 掘進17 568m，刷新了TBM 獨頭連續(xù)掘進的世界紀錄，TBM 實際平均月進尺458.67 m/月，最高月進尺達803m，最高日進尺達55.75 m，達到國內(nèi)類似工程領先水平。隧洞局部洞段巖石中含有有毒有害、易燃易爆氣體，TBM在掘進施工過程中溢出，一氧化碳、硫化氫為化學有毒物質(zhì)，甲烷為易燃易爆物質(zhì)。

2 有害氣體發(fā)生情況

2018 年12 月19 日18：40，TBM 掘進至樁號14+564 時，設備停機焊接拱架時，現(xiàn)場人員突然看到從頂護盾下部油缸位置噴出一簇火焰，并伴有“轟隆”聲，18：20 現(xiàn)場施工人員又聞到異味。

2018 年12 月19 日19：20，技術(shù)人員進入護盾內(nèi)部進行排查，從護盾尾部至掌子面區(qū)域突然發(fā)生巨響，并伴有大量氣流及灰塵，主機皮帶進人孔蓋板被氣浪掀起，護盾尾部15 m范圍內(nèi)充滿了灰塵，現(xiàn)場能聞到類似于爆破后產(chǎn)生的氣味，現(xiàn)場技術(shù)人員及時用便攜式檢測儀、甲烷檢測儀對現(xiàn)場有毒氣體進行了檢測，未發(fā)現(xiàn)甲烷及其他可燃氣體。

2018年12月20日9：30，隧洞右側(cè)4～5點鐘位置發(fā)現(xiàn)了3處正在燃燒的火焰。通過對燃氣處的氣體檢測，CO含量為14 ppm。技術(shù)人員到達現(xiàn)場時，樁號14+577右側(cè)有2處正在燃燒，火焰呈淡藍色，1 處已經(jīng)熄滅?？捎妹骰鹨肌Ａ硗?，在距離該燃燒火焰約1.50 m的裂隙處，用明火引燃時，可以觀察到明顯的“爆燃”現(xiàn)象，伴隨有“轟隆”響聲，隨即消失，稍等片刻后又可引燃，仍會有聲響。

3 有害氣體分布

3.1 有害氣體溢出點分布

有害氣體溢出點主要分布在距離TBM 護盾1.80 m 范圍內(nèi)，隧洞右側(cè)4～5 點鐘范圍內(nèi)。有3 個溢出點，其位置如圖1所示。

圖1 有害氣體溢出點相對位置示意圖

裂隙L2512、L2513，裂隙產(chǎn)狀NE35°NW∠83°，屬剪切裂隙，裂面光滑，其中一條向上延伸到頂拱，裂隙局部微張，裂面內(nèi)附方解石。有害氣體大多沿微張部分溢出，在與其他細小裂隙交匯處有害氣體更為集中。

3.2 有害氣體檢測成果

2018 年12 月20 日上午，對有害氣體溢出點進行檢測，檢測到的氣體成分為甲烷和一氧化碳，現(xiàn)場手持儀檢測在裂隙口測得CO 含量約50 ppm，超標準值（24 ppm），甲烷達到危險值1%。

2018 年12 月20 日，礦山救援隊由隧洞口至掌子面，全長約7 500 m，沿途進行有害氣體檢測，檢測結(jié)果見表1。

表1 有害氣體檢測成果表

經(jīng)上述地點檢測表明：掌子面樁號14+565.0有甲烷氣體溢出。局部地點有甲烷氣體積聚。

2018年12月21日11時，礦山救援隊再次入隧洞進行二次檢測，在表1所述地點除機頭架下K14+577除，未發(fā)現(xiàn)CO及甲烷，機頭架下K14+577 處有害氣體溢出點測得甲烷含量為0.66%，CO含量為102 ppm。

2018 年12 月21 日17 時，2018 年12 月21 日17 時，礦山救援隊進洞進行第三次檢測，在護盾后1 m處的出氣點測得甲烷值為0.10%～0.30%，CO 值為610 pp～670 ppm；在護盾后2.40 m處的出氣點測得甲烷值為0，CO 值為4pp～5 ppm；其他部位測得的在害氣體值均為0。

2018 年12 月22 日上午，對有害氣體進行檢測，在偏離有害溢出點10 cm以上的位置均未檢測到有害氣體。在NE向與其它裂隙交匯處檢測時出現(xiàn)了甲烷報警，其含量為1.30%左右，之后在幾分鐘的間隔內(nèi)又進行了多次檢測，又出現(xiàn)了2～3次報警（其值大于1%），有5～6 次測試的甲烷含量在0.63%～0.78%之間。由此可見有害氣體的溢出是不均勻的，在進行第一次測試時均出現(xiàn)了報警，之后經(jīng)過測試對氣流擾動后，測試值出現(xiàn)波動。

2018年12月25日，分別對2#溢出點（距護盾1.40 m，樁號14+577處）；3#溢出點（距護盾2.40 m樁號14+476處）有害氣體含量進行檢測，檢測成果見表2。

表2 有害氣體溢出點檢測成果表

2018年12月23日在TBM左前方進行超前鉆探，鉆孔深度為18 m；12月24日，在TBM右前方進行超前鉆探，鉆孔深度為35 m。對超前鉆孔孔口及孔口附近對有害氣體進行檢測，檢測成果見表3。

表3 超前鉆孔附近有害氣體檢測成果表

4 工程地質(zhì)概況

4.1 地質(zhì)條件

出現(xiàn)有害氣體的位置為志留系上統(tǒng)庫茹爾組（S3k1）石英細砂巖，灰綠色，致密結(jié)構(gòu)，厚層～塊狀構(gòu)造，巖質(zhì)堅硬。局部夾有變泥質(zhì)灰黑色硅質(zhì)粉砂巖，致密結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)較堅硬。巖體以鑲嵌結(jié)構(gòu)、次塊狀結(jié)構(gòu)為主，部分為碎裂結(jié)構(gòu)。該洞段內(nèi)無出水點，洞壁及洞頂呈干燥狀。綜合判定為Ⅲ類圍巖。

4.2 主要工程地質(zhì)問題

洞室穩(wěn)定：本段隧洞存在多處掉塊現(xiàn)象。樁號14+555～14+558段，拱頂?shù)魤K，多為10～20 cm的碎塊石；樁號14+578～14+574 段拱頂?shù)魤K，寬約1.50 m，主要為塊徑10～15 cm 的碎石；護盾后側(cè)局部存在掉塊現(xiàn)象。

巖爆：樁號14+557 位置，頂拱右側(cè)清晰聽到巖石爆裂聲響，有巖體剝落，局部有板裂現(xiàn)象，并伴有灰粉，剝落位形成塌坑，長約1.50 m，寬約1 m，深度為0.20～0.25 m，巖石斷裂面新鮮，不規(guī)則，判定該處為輕微巖爆。

氣溫及地溫：測試洞室溫度24.80℃；洞壁溫度24.40℃；次日測試洞壁溫度18℃。

5 有害氣體的來源分析

按天然氣的形成條件可分為五種類型，分別為生物氣、早期成巖氣、油型氣、煤氣型、無機成因的天然氣。根據(jù)目前掘進洞段地質(zhì)條件，基本可以排除隧洞有害氣體為生物氣和油型氣；通過區(qū)域地質(zhì)資料，隧洞附近的煤系地層主要為侏羅系地層，距有害氣體溢出點較遠。

隧洞附近深部地層含煤可能性不大。根據(jù)1：100 000地質(zhì)圖繪制的隧洞剖面可知，隧洞洞線以下1 000 m左右均為志留系地層，該地層內(nèi)無含煤層夾層。因而判斷隧洞深部存在含煤層的可能性不大。

輸水隧洞穿越侵入巖地層時，未發(fā)現(xiàn)有害氣體；附近的溫泉距離有害氣體溢出點距離約18 km，因而可以判斷有害氣體不屬于無機成因的天然氣。

根據(jù)隧洞附近的地質(zhì)條件，初步判斷隧洞出現(xiàn)的有害氣體屬于早期成巖氣，其來源具有多元化，極有可能為深部地層中存在的灰?guī)r、泥頁巖等灰黑色的地層富含有機質(zhì)，在其沉積成巖過程中形成了有害氣體，積聚在深部地層中。巖體中的裂隙成為有害氣體運移的通道和貯存的空間。

6 結(jié)論

6.1 建議深孔超前預探

利用TBM 上配置的超前地質(zhì)鉆機進行超前鉆孔，探測前方地質(zhì)及有害氣體賦存情況。鉆孔深度大于30 m，記錄地質(zhì)異常情況。鉆孔后在孔口進行有害氣體濃度檢測，判斷是否有有害氣體溢出、溢出初速度，判定有害氣體的溢出量。當發(fā)現(xiàn)有害氣體時可通過鉆孔逐步排放或提前預注漿封閉有害氣體。根據(jù)氣體檢測情況，調(diào)整鉆孔的位置及數(shù)量。

6.2 加強安全監(jiān)測

在確保監(jiān)測精度準確可靠的前提下，現(xiàn)場施工期有害氣體的監(jiān)測宜選用便攜式氣體檢測報警儀，具備條件的情況下可建立全自動的監(jiān)控系統(tǒng)，應配備專業(yè)的檢測、監(jiān)測設備和專門的檢測人員進行有害氣體的監(jiān)測（如便攜式光干涉型甲烷測定器、多種氣體檢定器）。使用的檢測、監(jiān)測儀器設備應定期按要求進行檢驗和校準，每次修復后應到專門的檢驗機構(gòu)送檢，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和有效性。每次監(jiān)測的同時應做好各種有害氣體濃度變化的記錄，并及時匯總。

6.3 補充完善隧洞通風設計

建議通風設備盡可能前移至護盾或掌子面，確保風流及時稀釋有害氣體的濃度，有害氣體溢出洞段應24 小時排風。盡可能避免人為形成密閉空間，如停機時需關(guān)注護盾內(nèi)或護盾與巖面空間內(nèi)的有害氣體含量。