四川省阿壩州某水電站引水隧洞有害氣體特征及防治措施研究

唐濤 蘇培東 朱大鵬 謝鵬程 李有貴

摘要：

為研究隧洞施工中瓦斯爆炸的防治措施，依托四川省阿壩州某水電站引水隧洞工程，利用地質(zhì)測繪、現(xiàn)場檢測等手段對5號支洞進行了有害氣體檢測。結果表明：5號支洞有害氣體成分以CH 4為主，含少量H 2S；有害氣體主要聚集在背斜和壓扭性逆斷層等地質(zhì)構造的節(jié)理裂隙發(fā)育地段。根據(jù)該工程及有害氣體特征，提出以通風為主，動態(tài)管理、超前地質(zhì)預報、檢測與監(jiān)測等手段相結合的針對性防治措施。研究成果可為川西高原地區(qū)類似隧洞工程安全建設提供參考。

關鍵詞：

引水隧洞； 瓦斯爆炸； 有害氣體； 防治措施； 川西高原

中圖法分類號：TV672.1；TD713

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.005

文章編號：1006-0081（2023）05-0032-06

0 引 言

世界各地的隧洞工程施工中發(fā)生過多起瓦斯災害事故，如彭州市鳳鳴橋水電站引水隧洞瓦斯噴出［1］、貴州畢節(jié)市水打橋隧洞瓦斯突出［2］、新疆呼圖壁河石門水電站引水隧洞瓦斯燃燒［3］，以及東京都輸水管道工程［4］、伊斯坦布爾Selimpasa污水隧道［5］和土耳其Silvan灌溉隧道［6］等工程的瓦斯事故。以上引水隧道瓦斯爆炸事故均造成了極大的人員傷亡和財產(chǎn)損失。

目前對于引水隧洞有害氣體的研究主要集中在有害氣體成因和運移規(guī)律［7-9］、檢測和防治措施［10-14］等方面，對于隧洞有害氣體特征的分析研究則少有涉及。本文以阿壩州某水電站引水隧洞5號支洞為依托，結合工程地質(zhì)條件，分析了現(xiàn)場調(diào)查和檢測結果，研究了隧洞的有害氣體特征，提出了針對性的瓦斯防治措施。研究成果可為該地區(qū)類似隧洞工程的施工提供借鑒。

1 工程背景

阿壩州某水電站位于四川省阿壩州壤塘縣和金川縣境內(nèi)。該水電站設計有引水隧洞，引水隧洞起于壤塘縣蒲西鄉(xiāng)水電站壩區(qū)，止于金川縣二嘎里鄉(xiāng)，全長約22 km。為了方便引水隧洞的施工，在隧道的中部設有4個支洞（勘探平硐），分別為2號勘探平硐、4號勘探平硐、5號勘探平硐、6號勘探平硐，各支洞分布示意如圖1所示。除第四系外，區(qū)內(nèi)僅出露三疊系上統(tǒng)侏倭組，中統(tǒng)雜谷腦組地層。隧址區(qū)內(nèi)主要褶皺為上寨倒轉復背斜，規(guī)模較大的斷裂為二嘎里壓扭性逆斷層［14］。4號支洞到5號支洞附近的礦區(qū)內(nèi)主要出露斯約武、納合兩巖體。斯約武巖體分布于本區(qū)以北，納合巖體出露在工作區(qū)南端，均為燕山早期侵入巖體。

2 研究方法

2.1 現(xiàn)場調(diào)查

2.1.1 現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查可知，區(qū)內(nèi)地層顏色以深灰色-黑色為主，含有炭質(zhì)（圖2）。研究區(qū)內(nèi)侏倭組與雜谷腦組地層具有一定的生烴能力，其產(chǎn)生的有害氣體可能會對隧洞施工造成危害。

2.1.2 現(xiàn)場瓦斯爆炸情況

該水電站引水隧洞5號支洞洞內(nèi)正常爆破施工時已出現(xiàn)2次不明氣體大沖擊波的破壞情況。

（1） 第一次瓦斯爆炸事故。2021年7月8日晚，掌子面K0+542.1爆破施工起爆時，爆破聲音和氣浪沖擊波異常大，洞口告示牌被氣浪震倒，且洞口值班室的玻璃、洞口上方隧洞銘牌、風帶及洞口停置的挖機、裝載機玻璃全部被震壞。在之后的施工過程中加大了隧洞內(nèi)通風量和通風時間，但工人不時會出現(xiàn)惡心嘔吐情況。

（2） 第二次瓦斯爆炸事故。2021年10月28日晚，在掌子面K0+914.2補炮過程中再次出現(xiàn)瓦斯爆炸，且起爆時爆破聲音和氣浪沖擊波造成的損毀情況比第一次瓦斯爆炸更嚴重，固定機具被氣浪掀翻，洞口處的標語標識牌也被氣浪破壞并沖至317國道下方。在后續(xù)圍巖封閉過程中，有工人出現(xiàn)不明原因的惡心嘔吐情況。為了確?，F(xiàn)場施工安全，5號支洞暫時停止施工。

2.2 現(xiàn)場檢測

2021年11月18日上午約09∶00，現(xiàn)場檢測人員開始對5號支洞進行有害氣體檢測工作。由于5號支洞已停工數(shù)日，洞內(nèi)可能存在有害氣體積聚的風險，因此制定了以下檢測方案：現(xiàn)場檢測人員穿戴好防護裝備后，將儀器調(diào)零，從洞口徒步向洞內(nèi)邊前進邊進行檢測，對洞內(nèi)各里程的有害氣體成分與濃度進行了檢測。現(xiàn)場檢測人員在行進至掌子面時，進行了掌子面有害氣體檢測，并對掌子面噴漿情況進行調(diào)查。

3 有害氣體特征分析

3.1 洞內(nèi)空間有害氣體檢測

洞內(nèi)空間有害氣體檢測結果如表1所示。根據(jù)檢測結果可知，洞內(nèi)有害氣體主要為甲烷（CH 4），還含有微量的硫化氫（H 2S）和二氧化碳（CO 2）氣體，其中硫化氫中毒是導致工人出現(xiàn)惡心嘔吐的原因。檢測過程中檢測到甲烷最高濃度為500×10-6，檢測位置在離掌子面最近的K0+900里程處。洞內(nèi)空間有害氣體檢測是在通風條件下進行，所以檢測到的有害氣體濃度普遍不高。

為分析隧洞內(nèi)全里程段的甲烷來源，對甲烷與里程的關系展開研究［15］（圖3）。從洞口開始，甲烷濃度不斷增加，在接近第一次瓦斯爆炸事故的K0+530里程段時達到了極大值（348×10-6），隨后開始減小，在洞頂滲水處達到極小值（50×10-6），這是由于滲水帶走了空間內(nèi)的部分有害氣體，導致檢測到的甲烷濃度降低。隨著里程不斷增加，從滲水處開始，洞內(nèi)甲烷濃度不斷增加，在接近第二次瓦斯爆炸事故的K0+900里程段達到最大值（500×10-6），證明該段的甲烷氣體主要來源于掌子面附近地層。

3.2 掌子面有害氣體檢測

掌子面有害氣體濃度檢測結果如圖4所示，掌子面已經(jīng)噴漿，在掌子面的大部分區(qū)域檢測到的甲烷濃度與洞內(nèi)甲烷濃度對應，數(shù)值均較低，最高濃度為750×10-6。但是，在掌子面左下角的凹腔內(nèi)巖體較破碎，噴漿情況較差（圖5），檢測到甲烷濃度超過檢測儀器的量程（10 000×10-6），隧洞內(nèi)出現(xiàn)瓦斯聚集情況。隧址區(qū)破碎巖體發(fā)育的節(jié)理與裂隙是有害氣體儲集的良好空間，當施工開挖到該位置時，很可能會出現(xiàn)瓦斯爆炸等事故。

3.3 有害氣體分布規(guī)律分析

地質(zhì)構造對有害氣體賦存產(chǎn)生影響，一方面造成有害氣體分布不均衡，另一方面形成了有害氣體儲存或排放的有利條件。

（1） 褶皺構造對有害氣體賦存的影響。研究區(qū)內(nèi)主要褶皺為上寨倒轉復背斜，該背斜呈北西向舒緩展布，核部由雜谷腦組地層組成，兩翼由侏倭組和雜谷腦組構成。隧址區(qū)主要位于背斜的南翼，當?shù)貙游丛馐軜嬙炱茐臅r，背斜有利于有害氣體儲存，是良好的儲氣構造，背斜軸部的有害氣體會相對聚集，有害氣體含量較大。

（2） 斷裂構造對有害氣體賦存的影響。斷裂構造破壞了巖層的連續(xù)性和完整性，使巖層有害氣體運移條件發(fā)生變化。張性斷裂與裂隙構造被稱為開放性斷裂，有利于有害氣體的逸散；而壓扭性斷裂與裂隙構造被稱為封閉性斷裂，其裂隙閉合程度較高，有利于有害氣體儲存（圖6）。當遇到封閉性斷裂（如壓扭性斷層）時，有害氣體運移將被斷裂構造阻斷，此時斷裂構造成為有害氣體逸散的屏障。從構造上來看，隧道穿越的二嘎里壓扭性逆斷層為封閉性斷裂，有利于下覆地層產(chǎn)生的有害氣體在斷層處富集。

4 有害氣體防治措施

瓦斯爆炸必須滿足一定的瓦斯?jié)舛?、引火溫度和氧氣濃度?個條件［16］。氧氣是隧洞開挖生產(chǎn)作業(yè)必備要素，瓦斯聚集和火源是瓦斯爆炸的直接原因。

在氣體采集完成后對掌子面進行了有害氣體濃度復測，復測發(fā)現(xiàn)凹腔內(nèi)的甲烷最高濃度為8 000×10-6，與之前的甲烷濃度相比有一定的下降，證明通風可以有效降低隧道內(nèi)有害氣體濃度。因此，提出以通風為主，動態(tài)管理、超前地質(zhì)預報、檢測與監(jiān)測等手段相結合的綜合防治措施。

4.1 動態(tài)管理

隧洞一端洞口至開挖掌子面作為一個施工工區(qū)，在一個施工工區(qū)內(nèi)可能一次或多次穿越瓦斯地層，因此瓦斯工區(qū)與非瓦斯工區(qū)間是動態(tài)變化的過程，應采取動態(tài)管理方式（圖7）。

4.2 超前地質(zhì)預報

由于川西構造復雜區(qū)有害氣體多以氣囊形式隨機分布，且不排除高濃度氣體聚集的可能，常規(guī)的檢測與監(jiān)測手段難以提前判斷有害氣體危害。瓦斯預報以地質(zhì)調(diào)查法為基礎，結合鉆探法與物探法進行超前地質(zhì)預報，以探明瓦斯的賦存情況，并對其分布位置、性質(zhì)、含量、濃度、壓力、涌出量等相關參數(shù)進行測試。在研究過程中，對隧洞不同危險性區(qū)域的超前鉆孔和加深鉆孔進行分類化處理（圖8～9）。

在工程應用中，根據(jù)地質(zhì)調(diào)查、物探和鉆探等成果形成的超前地質(zhì)分析報告指導瓦斯隧洞施工，有助于掌握掌子面前方瓦斯賦存情況。超前地質(zhì)預報方法對隧洞有害氣體防治的預測效果良好。

4.3 檢測與監(jiān)測

根據(jù)隧洞有害氣體的特征，把瓦斯作為主要監(jiān)測對象，采用自動監(jiān)測；含量較低的硫化氫氣體作為輔助監(jiān)測對象，采用人工檢測。重點檢測有害氣體的類型、成分、濃度和壓力。

（1） 自動監(jiān)測。自動監(jiān)測控制系統(tǒng)通過電腦與隧道內(nèi)各數(shù)據(jù)采集裝置相連，在洞外監(jiān)控室內(nèi)實現(xiàn)實時不間斷的監(jiān)測及洞內(nèi)有害氣體濃度變化情況記錄。

（2） 人工檢測。人工檢測主要由專業(yè)檢測人員攜帶便攜式檢測儀對洞內(nèi)有害氣體濃度變化情況進行實時監(jiān)測和記錄。當檢測過程中出現(xiàn)較高濃度有害氣體或涌水點出現(xiàn)異常顏色水體時，及時對氣體和水體進行取樣，并送至實驗室進行相應的室內(nèi)檢測分析。

4.4 通 風

瓦斯聚集達到一定濃度后可能會發(fā)生瓦斯爆炸，而防止瓦斯聚集的有效方法為通風。通過計算設備風量和通風阻力，在合理范圍內(nèi)選取通風設備并進行施工通風方案設計。

4.4.1 通風機選型

分別按洞內(nèi)同時工作最多人數(shù)、最小風速、瓦斯涌出量計算隧洞施工通風需風量 Q 1，Q 2，Q 3 。主洞和支洞施工通風需風量計算結果如表2所示，按最低風速要求計算的需風量最大，主洞最大需風量為3 746 m3/min，支洞最大需風量為2 788 m3/min。

根據(jù)通風阻力（摩擦阻力和局部阻力）引起的壓力損失選擇適當功率的風機設備，以確保所需新鮮空氣被送到工作面。經(jīng)計算，主洞需風量為3 746 m3/min，風筒通風阻力（即風壓）為4 850.56 Pa。選用SDFDZ-I-NO.18防爆對旋隧洞專用通風機，主要參數(shù)詳見表3。

4.4.2 施工通風方案設計

根據(jù)隧洞布置情況及施工方案，將隧洞施工通風方案分為2個階段。

（1） 第一階段：支洞施工。支洞施工未與主洞匯合時，采用獨頭壓入式通風，在洞外安設局部通風機，接柔性風筒將新鮮風流壓入至掌子面，污風經(jīng)支洞排出地表，詳見圖10。

（2） 第二階段：主洞施工。在主洞段，進風繼續(xù)采用獨頭壓入式通風壓入，在洞外安設通風機（2個掌子面各1個風機），接柔性風筒將新鮮風流壓入至掌子面。根據(jù)情況設置射流風機輔助排風，詳見圖11。

對易形成瓦斯聚集的部位，采用局部通風方案，在主洞與支洞相接的地方加入通風機，另在支洞500 m進尺處設置3臺射流風機輔助通風，主要在瓦斯聚集位置處設置，詳見圖12。

4.5 工程應用效果

自2022年2月15日采用針對性的防治措施以來，施工期間未出現(xiàn)有害氣體超限（瓦斯?jié)舛却笥?.5%）情況，表明防治措施應用效果良好，5號支洞已成功貫通。

5 結 論

以阿壩州某水電站引水隧道5號支洞為依托，基于地質(zhì)背景資料、現(xiàn)場調(diào)查和現(xiàn)場檢測結果，總結有害氣體特征，并對有害氣體防治措施進行了研究，結合防治措施工程應用效果，可得出以下主要結論。

（1） 隧洞內(nèi)有害氣體主要為甲烷，還有微量的硫化氫和二氧化碳氣體，其中瓦斯聚集是引起隧洞瓦斯爆炸的直接原因，硫化氫中毒是引起工人惡心嘔吐的原因。

（2） 地質(zhì)構造會對有害氣體賦存產(chǎn)生影響，研究區(qū)附近的上寨倒轉復背斜是良好的儲氣構造，二嘎里壓扭性逆斷層為封閉性斷裂，有利于有害氣體富集。

（3） 基于隧洞內(nèi)有害氣體類型主要為甲烷的情況，采用通風為主，動態(tài)管理、超前地質(zhì)預報、檢測與監(jiān)測相結合的防治措施，及時監(jiān)測預警，防止瓦斯突出、瓦斯爆炸等事故的發(fā)生。該工程的防治經(jīng)驗可為類似瓦斯隧洞安全施工提供參考。

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（編輯：江 燾，高小雲(yún)）

Abstract：

In order to study the prevention measures for gas explosions in tunnel construction，relying on the diversion tunnel project of a hydropower station in Aba Prefecture，Sichuan Province，the hazardous gas detection was carried out in No.5 branch tunnel by means of geological surveying and on-site inspection.The results showed that：the composition of hazardous gas in this tunnel was mainly CH 4，with a little H 2S.Hazardous gas accumulated in sections where joints and fissures were developed in geological structures，such as anticlines and compressive reverse faults.According to the characteristics of the project and hazardous gases，targeted prevention and control measures were put forward based on ventilation and combined with dynamic management，advanced geological forecast，detection and monitoring.The research results can provide a reference for the safe construction of similar tunnel projects in the Western Sichuan Plateau area.

Key words：

diversion tunnel； gas explosion； hazardous gas； prevention and control measures； Western Sichuan Plateau