鹧鸪山隧道施工中有害气体来源分析及处治措施探讨

鹧鸪山隧道施工中有害气体来源分析及处治措施探讨

李晓洪　郑金龙　马洪生

（四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院　四川成都　610041）

【摘　要】汶马高速公路鹧鸪山隧道出口段侏倭组地层中施工时出现含瓦斯、硫化氢的有害气体涌出情况，通过宏观地质分析、现场检测及专业机构鉴定，评定了隧道瓦斯等级，采取了针对性技术措施，保证了隧道施工安全。可为类似复杂地质工程隧道勘察、设计与施工提供借鉴。

【关键词】隧道；有害气体；处治技术；施工

【中图分类号】U457.5　　　　　　　　　　 　　【文献标识码】A

1　隧道设计概况

汶马高速公路鹧鸪山隧道右洞起讫桩号为K179+730～K188+496，长8766m；左洞起讫桩号为ZK179+696～ZK188+486，长8790m，最大埋深约1350m。隧道出口路线左侧设置一座通风平导，长3732m。主洞从隧道中部分为C1、C2两个施工标段，出口端为C2标段，左洞长4486m，右洞长4496m。

隧道地质构造复杂。位于马尔康北西向构造带内，即米亚罗断裂带以西，松岗～抚边河断裂带以东，为一系列呈北西～南东向展布的线状紧密褶皱，并伴有数条同方向展布的压扭性断裂，米亚罗断裂对隧道有直接影响，隧道穿越钻金楼倒转背斜。

隧道洞身出露的地层主要为三叠系上统新都桥组（T3x）、侏倭组（T3zh）和三叠系中统杂谷脑组（T2z），其中，新都桥组为碳质千枚岩夹板岩、砂岩，侏倭组以板岩夹砂岩、千枚岩为主，杂谷脑组以砂岩夹板岩、千枚岩为主。

场地内各基岩地层含有炭质千枚岩，新都桥组以炭质千枚岩为主，场地地层无封闭盖层构造，通过钻探等勘察手段未发现本隧道存在有害气体，工程类比临近类似工程也未发现存在有害气体。但本隧道存在炭质千枚岩，具生烃能力，尚

不能完全排除存在不良气体的可能性，因此施工中应加强施工通风，并配备适量的瓦检仪，在施工中加强动态检测。

2　施工发现有害气体过程

2.1　发现有害气体过程

鹧鸪山隧道C2标段于2012年9月开工，2015年9月施工至K186+634（ZK186+622）之前（约1800m）均未发现瓦斯等有毒、有害气体。

2015年9月16日下午14时20分左右，右洞K186+634掌子面打钻孔时，有无色、带刺鼻性气味的不明气体从钻孔孔眼及岩石裂缝中涌出，靠近掌子面的上台阶地面多个积水处亦有大量气泡冒出。经施工单位瓦斯检测人员采用便携式和低浓度光干涉瓦检仪初步检测，掌子面拱顶炮眼口涌出的不明气体浓度达到10%以上（使用低浓度光学瓦检仪最大量程为10%）。

2015年9月19日上午10时50分左右，左洞ZK186+622掌子面打钻孔时也出现相似的情况，且孔内气体压力较大，钻孔后炮眼内的泥浆受气体压力喷出2m以外。

2015年10月1日晚上23时，挖掘机在右洞K186+593掌子面右侧拱脚扒渣时，一股高压气体喷

【收稿日期】2016-10-14

【作者简介】李晓洪（1976-），男，四川遂宁人，硕士研究生，高级工程师，主要从事隧道工程的勘察设计与研究工作。

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西南公路

出，喷气口位置形成了一个约2m3的喷腔，经检测喷腔内气体浓度超过10%。

2015年10月5日上午11时许，发现右洞K186+592～K186+585段有初支出现开裂情况。

2015年10月6日凌晨1时，右洞K186+592～K186+585段初支突然加速变形掉块，拱架快速扭曲变形并伴有声响。4时30分派2名瓦检员进洞，发现K186+592至掌子面已全部坍塌，检测气体浓度1.5%。2.2　气体成分测定分析

为查明不明气体成分，委托了检测单位实地采样，送实验室进行气体成分分析。根据四川省科源工程技术测试中心检测报告，隧道气体成分测定详见表1。

表1　气体成分测定结果表

测试日期2015.9.182015.9.302015.10.21取样地点右洞左洞右洞O2(10-2mol/mol)10.369.97~10.494.87N2(10-2mol/mol)38.4139.60~40.3518.77Ch4(10-2mol/mol)12.335.09~7.5111.40气体Co2(10-2mol/mol)38.8342.85~44.01.83组分

H2(10-2mol/mol)/0.01~0.03微量C2H6(10-2mol/mol)0.050.02~0.040.09C3H8(10-2mol/mol)0.020.01~0.020.04H2S(10-6mol/mol)

2.5866

2.0968~2.1468

7.33

根据测定结果，隧道涌出气体中，气体组分主要为CO2和N2，其次为CH4、O2和H2S。2.3　现场实测情况

经现场实测，局部通风机低速运行时，对CH4和CO2浓度进行了检测。

（1）左洞回风流CH4浓度0.02~0.10%，CO2浓度0.02~0.12%，掌子面CH4浓度0.08~0.18%，CO2 浓度0.10~0.18%。

（2）右洞回风流CH4浓度0.02~0.12%，CO2浓度0.02~0.12%，掌子面CH4浓度0.08~0.20%，CO2 浓度0.10~0.20%。

3　瓦斯来源分析及隧道瓦斯等级鉴定

3.1　隧道瓦斯来源宏观分析

瓦斯赋存状态与地质构造有紧密的联系。褶皱类型和褶皱复杂程度对瓦斯赋存均有影响，当围岩的封闭条件较好时，背斜往往有利于瓦斯的存储，如在被基岩覆盖的闭合和半闭合背斜转折区，由于瓦斯运移136

路线加长和排出口不断缩小，增大了瓦斯运移的阻力，因此，在同一埋藏深度下比构造两翼瓦斯含量大。但在封闭条件差时，背斜中的瓦斯则容易沿裂隙逸散。在简单的向斜盆地构造中，向斜轴部瓦斯排放的条件往往比较困难，瓦斯难以沿垂直地层方向运移，大部分瓦斯仅能沿两翼流向地表，故而瓦斯赋存条件较好。在盆地边缘部分，含炭质地层距地表较近或大面积暴露，瓦斯则易于排放。断层对瓦斯保存有两种截然不同的影响，开放性断层是瓦斯排放的通道，在这类断层附近，瓦斯含量减小；封闭性断层本身透气性差，而且割断了含炭质地层与地表的联系，往往使封闭区段的瓦斯含量增大。

隧址区位于马尔康北西向构造带内，即米亚罗断裂带以西，松岗～抚边河断裂带以东，为一系列呈北西～南东向展布的线状紧密褶皱，并伴有数条同方向展布的压扭性断裂。隧道穿越钻金楼倒转背斜，米亚罗断裂对隧道有影响。钻金楼倒转背斜两翼次级褶皱发育，类型复杂，并有斜歪、倒转、尖棱、平卧褶皱等。米亚罗断层及米亚罗支断层在鹧鸪山隧道附近岩体破碎，结构松散，岩层扭曲挤压严重。隧道地层中存在炭质千枚岩和炭质板岩，具生烃能力，地质构造对瓦斯生成和赋存创造了有利条件。

地质构造复杂地段容易造成瓦斯富集，形成“瓦斯包”，揭穿含炭质地层时易造成瓦斯涌出异常，甚至诱发煤与瓦斯突出事故。因此，隧道在施工过程中遇瓦斯等有毒、有害气体大量涌出的现象，系掌子面揭穿地质构造带，遇高压瓦斯气囊所致的可能性较大。在构造带附近，由于地应力和高压气体的共同作用，隧道偶有岩石与二氧化碳（瓦斯）动力现象。3.2　综合地质分析

鹧鸪山隧道出现瓦斯，与地质条件是相关的，主要分析如下：

（1）岩层具备生烃能力。鹧鸪山隧道穿越的地层存在炭质千枚岩、炭质板岩等岩层，从瓦斯生成条件方面看，地层本身具备生烃能力。

（2）区域地质构造强烈。鹧鸪山隧道C2标段出现瓦斯气体段位于钻金楼倒转背斜的倒转翼，地层在正常层序的基础上发生倒转，其所受的区域构造应力相比正常翼更加强烈，岩体揉皱和破碎程度更大，具备生烃能力的炭质板岩、炭质千枚岩可能在区域强烈构造情况下产生了瓦斯有害气体。

隧道地质纵断面示意如图1所示。

李晓洪，郑金龙，马洪生：鹧鸪山隧道施工中有害气体来源分析及处治措施探讨

245°

4600440042004000380036003400

T3x

T3zh

深部基岩裂隙水弱含水带

200400600800

200400600800

200400600800

200400600800

鹧鸪山正常翼倒转翼

4600440042004000380036003400

T2z

2

T3zh

深部基岩裂隙水弱含水带

200400600800

200400600800

200400600

深部基岩裂隙水中等含水带

200400600800

200400600800

图1　鹧鸪山隧道地质纵断面示意图

（3）地应力影响瓦斯压力和储存。此段隧道埋深约730m，地应力可达18～20MPa，高地应力影响了出现的瓦斯以较大的压力储存于透气性较好的板岩和砂岩中。

（4）隧道开挖有利瓦斯释放。隧道开挖后，出现了临空面，储存在岩体中的瓦斯顺节理和裂隙向隧道内运营，并在板岩、砂岩等硬质岩段出露。3.3　隧道瓦斯等级鉴定

根据四川蜀能矿山开发技术咨询有限公司《鹧鸪山隧道瓦斯等级鉴定报告》，对瓦斯鉴定作如下结论：

（1）鹧鸪山隧道左洞绝对瓦斯涌出量为0.994m3/min，右洞绝对瓦斯涌出量为1.039m3/min。鹧鸪山隧道左洞绝对二氧化碳涌出量为1.187m3/min，右洞绝对二氧化碳涌出量为1.224m3/min。

（2）根据《铁路瓦斯隧道技术规范》（TB10120-2002）的规定，鹧鸪山隧道瓦斯等级为高瓦斯。

仪一套，采取24h连续监测，并增设专业人员跟班作业检测。

（5）施工通风要求。增加通风机以提高隧道通风能力，满足高瓦斯隧道施工通风风速及风量要求。

（6）电气及机械设备防爆要求。灯具等洞内电气设备均采用防爆设备，运输车等作业机械全部进行防爆改装。

（7）防突措施预案。参照煤矿相关规范，增加“四位一体”防突措施预案，防止隧道发生瓦斯或二氧化碳突出。4.2　硫化氢气体处理措施

根据四川省科源工程技术测试中心提交的检测报告，隧道气体成分测定，三次数据洞内硫化氢气体浓度最高达到7.33ppm。硫化氢气体有剧毒，对粘膜能产生刺激，引起局部刺激作用如眼睛刺痛、怕光、流泪、咽喉痒和咳嗽。吸入高浓度的硫化氢可出现头昏、头痛、全身无力、心悸、呼吸困难、口唇及指甲青紫，严重者可出现抽筋，并迅速进入昏迷状态。在施工过程中应采取必要的措施降低硫化氢气体对洞内人员的影响，超限处理措施具体见表3。

表3　隧道内硫化氢浓度及超限处理措施

序号1234

地点任意处任意处新开挖面其他地方

限值＜0.13ppm

超限处理措施

加强监测。

4　有害气体处治技术措施

4.1　瓦斯处治措施

本隧道瓦斯设防段主要技术措施包括以下几方面：（1）超前预测预报措施。在原有地质素描、物探基础上，增加瓦斯钻探措施。

（2）瓦斯结构设防措施。防水板全封闭结构防止瓦斯渗漏。

（3）钻爆作业。按高瓦斯隧道施工要求，严格采取湿式钻孔，选用煤矿许用炸药和雷管，采取电力启爆等作业要求。

（4）瓦斯检测措施。采用人工监测与自动监测相结合方式监测瓦斯等有害气体，增加自动监测

0.13~6.6ppm加强通风，加强监测。6.6~20ppm6.6~15ppm

加强通风，加强监测，喷生石灰雾水稀释硫化氢气体， 局部增加风扇使浓度降至6.6ppm以下。

5任意处

加强通风，加强监测，喷生石灰雾水稀释硫化氢气体，查明原因，

20~100ppm

超限处停工，进洞人员应携带防护及急救设备。

在施工现场需要作如下要求：

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西南公路

（1）应加强通风，保证氧含量大于20%；（2）在掌子面附近喷洒水雾，降低空气中硫化氢的浓度；

（3）当浓度为20ppm时，为安全临界浓度值，洞内人员允许暴露8h。

（2）考虑到本隧道瓦斯储存的位置及影响因素复杂，现有探测手段有限，无法全面查明瓦斯的储存和运移规律，故在后续隧道开挖中，加强了隧道超前探测和预报工作，实施动态施工与管理。

（3）隧道出现瓦斯等有毒有害气体时，应及时进行检测与分析，根据评定结论及时提出针对性处治措施，调整施工方案以确保隧道施工安全。

参 考 文 献

[1] 生产监督管理总局,国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程(2016

年修订版)[M].北京:中国法制出版社,2016.

[2] 四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院.公路瓦斯隧道设计与施工

技术指南[M].北京:人民交通出版社,2011.[3] TB10120-2002,铁路瓦斯隧道技术规范[S].

[4] 四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院.汶川至马尔康高速公路-鹧鸪山隧道施工图设计文件[R].成都:四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院,2012.

5　结　语

（1）随着高速公路向盆地周边延伸，隧道所穿越的地质条件越来越复杂，开挖过程中遇到的不良地质体越来越多，修建的难度更大。本隧道地层中的含碳质千枚岩，具有生烃的可能，但可能性极低。隧道在开挖过程中揭露出瓦斯气体，其原因可能为在地质构造及地应力的强烈作用下产生了瓦斯气体。

（上接第134页）（4）执行器将接收的信号传送给PLC，通过PLC来控制空压机的启停；

（5）空压机的各种运行状态指示及其他错误指示可以反馈到控制室进行显示。

终端界面示意图，如图3所示。

“智慧”节能平台，如图4所示。

图4　米仓山隧道智慧节能平台

3　结　语

（a）

（b）

我国早在1999年就启动了物联网相关方面的研究，在2009年，在无锡视察提出了“感知中国”理念，物联网正式在国内引起了关注。而该控制系统正是物联网技术在生产实际中的完美演绎，它提出了空压机和风机在隧道施工中高效节能使用的解决方案，具有设计合理、成本低、操作简单、实用性强等优点，在特长隧道施工中有很好的经济效益。该控制系统的使用保障了洞内人员的职业健康安全，也符合以人为本的思想。

（c）（d）

图3　手机终端界面示意图

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