葉生華 貴陽水資源開發(fā)投資有限公司

任健偉 中鐵五局集團有限公司

梁東虎 貴陽筑水水利產業(yè)發(fā)展有限公司

貴州，是全國巖溶最發(fā)育的地區(qū)、巖溶分布廣泛、溶洞發(fā)育奇形怪狀，地質條件非常復雜，地處長江、珠江分水嶺、是長江珠江生態(tài)屏障。隨著國家對貴州的公路、鐵路隧道、城市地鐵隧道、水工隧洞的加快建設，隧洞施工有毒有害氣體監(jiān)測及處治成為一個突出的問題。在地下污水治理、地下管溝疏通、淤泥清理、地下隧洞等施工作業(yè)時，經常會遇到硫化氫有毒有害氣體，對作業(yè)人員的人身安全產生很大威脅[1]。硫化氫氣體是無色的，在一定濃度下有很難聞的臭雞蛋氣味，超過一定的濃度則無味，硫化氫氣體的致人死亡濃度為500ppm，在正常條件下，對人的安全臨界濃度不能超過20ppm[2]。施工過程中遭遇硫化氫氣體溢出時如防范處置不當，極易造成人員傷亡，但是防范處治得當還是能夠保障作業(yè)人員的生命安全。

1.問題提出

1.1 工程概況

花南花中輸水工程是貴陽市解決黔中水進入貴陽的重要輸水工程，取水口位于花溪水庫庫區(qū)內，工程建成后分別向南郊、中曹、東部水廠25萬m3/d、20萬m3/d、30萬m3/d，花南花中輸水線路（隧洞+管線）長度14.47k m（其中隧洞長度12.4km），向東部水廠輸水支線（隧洞+管線）長度20.02km，工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模屬中型。其中花溪輸水隧洞主洞長8.399km，隧洞最大埋深85m，最小埋深15m，均處于地下水位以下，最大外水頭68m。隧洞斷面為4.2＊4.1m城門洞型，縱坡1/2000，采用懸臂式掘進機開挖，設有的5個支洞（平洞）共有8個施工作業(yè)面。超前預報主要采用地震反射法（TSP）/瞬變電磁法（TEM）、地質雷達、紅外探水，超前鉆驗證圍巖等措施探明前方地質情況，對掌子面前方20～80m范圍圍巖的破碎和富水程度進行預測和驗證，及時進行信息收集、處理、反饋指導開挖施工。

工程區(qū)地表水系發(fā)育，區(qū)內分布的水庫有花溪水庫及阿哈湖水庫。由于地形平緩，在低洼或沖溝位置分布有眾多山塘。區(qū)內小河溪流眾多，縱橫交錯。工程區(qū)位于珠江流域與長江流域分水嶺帶，其地勢較平緩，河谷較寬淺，丘陵起伏，為溶丘洼地地貌，溶丘最高海拔為1286m左右，平地最低海拔為1100m左右，地形高差多小于100m。區(qū)內地表水系發(fā)育，地下水埋藏淺，普遍埋深為0～30m。強溶蝕風化巖體透水率普遍大于5Lu，巖體透水性為弱透水上帶至強透水性；其下部弱溶蝕風化至微風溶蝕風化巖體透水率普遍小于5Lu，巖體透水性弱，地下巖溶、暗河發(fā)育，洞內開挖遭遇各種涌水。

1.2 涌水伴有硫化氫氣體溢出超標情況

2020年12月9日2號支洞上游段隧洞掌子面開挖至HX2+224時，掌子面右側拱部出現裂隙且有涌水，水量較大，施工人員佩戴的有害氣體檢測儀顯示硫化氫含量為15ppm已發(fā)出報警，立即停止了隧洞內施工，施工人員迅速撤離。隨著掌子面的涌水量不斷流出和涌水沿隧洞底板往下游方向流淌，硫化氫氣體含量在不斷升高，12月10日上游方向HX2+600m位置濃度已到為43ppm，掌子面高達1000ppm以上,隨著施工應急處置措施不斷實施，洞內的硫化氫氣體濃度已經開始得到有效抑制，12月11日開始快速降低，12月13日HX2+300位置洞內硫化氫含量已降至20-45ppm，掌子面硫化氫濃度100ppm。

分析硫化氫氣體產生的主要原因為掌子面周邊存在一定的巖溶空腔，空腔與地表存在連通關系，地表的雨水、生活污水、雜物等滲流到巖溶空腔底部，長時間堆積產生化學反應生成硫化物，隨著開挖被揭露后進入隧洞，污水伴隨硫化氫氣體流出，造成硫化氫氣體含量超標。針對本次涌水伴有硫化氫有毒氣體超標問題，針對硫化氫的危害查閱相關資料，制定處理思路為先抑制、后降低、再封堵。編制處置方案并組織專項討論通過后實施，先增加通風設備加強通風、霧化降水，不斷拋灑生石灰和堿粉持續(xù)抑制，緊急購買硫化氫除臭劑和防護服、供氧氣設備，濃度降低后進行涌水點鉆孔、引排、注漿封堵加固。

2.隧洞中硫化氫氣體監(jiān)測及通風方案

2.1 洞內氣體檢測監(jiān)測

采用24小時不間斷每4小時一次的定時監(jiān)測，人員進洞監(jiān)測氣體濃度配備便攜式移動檢測儀2臺，監(jiān)測人員佩戴面罩式自給式空氣呼吸器定時進洞檢測氣體濃度變化，每次兩人一道進入隧洞進行監(jiān)測。每次監(jiān)測均詳細記錄檢測的地點及樁號、檢測的次數，包括施工作業(yè)面的濃度、隧洞內氣體濃度較高的轉彎處、有水流出的出水口、低洼積水處等地方是氣體檢測的重點部位[3]。

2.2 降低硫化氫氣體濃度的措施

（1）主要采用增加軸流式通風設備為主，過程不斷的投放生石灰、堿粉、硫化氫中和劑等，達到抑制、降低硫化氫濃度為輔的方式。

（2）將支洞洞口的空壓機的高壓風通過洞內管道將高壓風壓到掌子面，對掌子面涌水點的硫化氫濃度最高區(qū)域的空氣流動達到置換降低濃度的效果。

（3）通風方案主要為一送一吸，在隧洞洞口55kW的軸流通風機，調至最高檔，將洞外新鮮的空氣通過風帶壓（送）入隧洞的掌子面位置，在支洞與主洞的交叉口位置安裝2臺30kW軸流通風機，軸流通風機將上游方向隧洞內含有硫化氫氣體的空氣吸出，通過支洞排出。將交叉口通風三通的下游方向（沒有出現硫化氫氣體方向）通風關閉，達到增大上游1倍通風量的效果。

3.硫化氫氣體處治技術

3.1 化學反應-堿液稀釋

通風方案采用一送一吸的方式，快速有效達到隧洞加強通風后，隧洞中的硫化氫氣體濃度降低到200ppm時，施工人工穿著防護服和佩戴氧氣瓶進入隧洞，在隧洞中轉彎、低位積水部位、排水溝等位置噴灑強堿溶液、投放生石灰、堿粉、硫化氫除臭劑，使隧洞中的硫化氫與強堿化學反應，生成硫化物和水2NaOH+H2S=Na2S+2H2O，從而達到進一步降低硫化氫的濃度，便于下一步對巖溶涌水點進行灌漿封堵施工。

期間不間斷的在洞內積水位置投入生石灰、堿粉、硫化氫除臭劑，從而降低硫化氫氣體濃度。

采用車輛載著霧炮機，噴霧水摻入硫化氫除臭劑（按照硫化氫除臭劑使用說明書進行配制），在已經安全的洞內區(qū)域進行噴霧。

化學處理后能夠有效降低硫化氫，通過這些措施的落實，可以將安全施工區(qū)不斷推進至掌子面位置，為下一步的灌漿封堵施工提供必須安全保障。

3.2 灌漿封堵技術

3.2.1 灌漿封堵準備

監(jiān)測顯示隧洞內掌子面前100m段硫化氫含量已降至20-45ppm。由于硫化氫氣體發(fā)生泄漏時的掌子面未能開挖成形，涌水裂隙無法直接進行封堵。確定對該段掌子面裂隙涌水封堵按照鉆孔、引排、噴砼封閉掌子面、灌漿3道工序進行灌漿封堵，防止硫化氫氣體外泄。處理步驟如下：

（1）施工期間繼續(xù)加強洞內、洞外的通風，霧炮機持續(xù)噴灑硫化氫除味劑藥水，進一步降低洞內硫化氫濃度，確保洞內各項施工作業(yè)安全；

（2）施工人員穿戴全封閉防護服對掌子面位置的裂隙涌水點鉆孔，鉆孔孔徑為50mm，將水通過鉆孔引出，當裂隙水全部被鉆孔引出后逐孔安裝48mm引排鋼管；

（3）采用鋼筋網、噴射混凝土封堵住管道、整個掌子面周邊進行20cm噴混凝土封閉；

（4）等到噴射混凝土的強度達到設計強度后，對硫化氫氣體發(fā)生泄漏的掌子面涌水點進行灌漿封堵涌水點。

3.2.2 灌漿封堵技術

鉆孔引排、噴混凝土封閉、灌漿止?jié){閥安裝等施工均位于掌子面區(qū)域洞段，施工用時較長，施工人員必須穿戴全封閉防護服作業(yè)。根據掌子面開挖揭露裂隙的位置、涌水量、涌水壓力大小、裂隙位置綜合考慮，明確裂隙涌水封堵灌漿施工作業(yè)各工藝流程、操作要點和相應的工藝標準，指導現場進行封堵施工。重點控制鉆孔、引排、封閉裂隙尤為關鍵。

（1）鉆孔引排。鉆孔主要分為分流孔及主灌孔兩種。根據裂隙出水為線狀流水，滲漏明顯，出水量約30m3/h。受開挖斷面狹小限制，鉆孔施工選擇YT28氣腿鑿巖機，鉆孔孔徑50mm，鉆孔深度1～3m范圍，鉆孔需涌水全部被引排處理，周邊裂隙不出水時方可停止鉆孔。

（2）灌漿管的選用及安裝。灌漿管選用常規(guī)的48mm×3.5mm的無縫鋼管，長度根據鉆孔的深度及涌水流量，選用長度為2m的適合現場操作安裝，然后鋼管外圈纏繞麻繩后安裝固定。

（3）灌漿材料及配比。灌漿材料選用水泥漿，選用的水泥為普通硅酸鹽水泥（P·O42.5），選用標準應符合現行規(guī)范（SL62-2014）第3.1節(jié)的規(guī)定。灌漿用水應遵守現行規(guī)范（JGJ63-2006）的規(guī)定，拌漿用水的溫度小于40℃。灌漿配比采用1∶1、0.5 ∶1的水灰比。

（4）灌漿參數及終孔標準。灌漿采用高壓3SNS灌漿泵，止水針頭及單向閥止回漿。灌漿壓力是灌漿工藝的一個重要參數，是漿液在地層擴散的能量，直接關系到灌漿質量的優(yōu)劣。灌漿壓力與水壓力和漿液克服地層裂隙的阻力等有關，一般為0.5MPa～1.0Mpa。灌漿的水泥漿流速15-40L/min，根據鉆孔巖石為灰?guī)r確定，巖層比較完整時采用一次性灌漿即可到達封堵要求；巖石裂隙強發(fā)育，采用1∶1、0.5∶1兩種水灰比，先灌稀漿，再灌濃漿，灌漿終壓1.0MPa，灌漿量10-20m3/孔。灌漿壓力以回漿管壓力表讀數為準，壓力表讀數以中值為準，壓力表指針擺動范圍應小于灌漿壓力的20%，擺動幅度應做記錄。灌漿自動記錄儀應記錄間隔時段內灌漿壓力的平均值和最大值。為便于現場操作控制，進漿管路上的壓力表應注意進漿管路上的壓力表距灌漿孔間的管路長度不應大于10m，以保證回漿管路上的壓力表值能較準確反映灌段實際灌漿壓力。注入率不大于0.5L/min時，持續(xù)、穩(wěn)壓灌注時間不少于30分鐘，即可結束終孔灌漿[4]。

（5）其它。多孔灌漿順序為：先灌無水孔，再灌出水量小的孔，最后灌出水量大的孔。灌漿原則按“先分流孔、后主灌孔灌”進行，即形成約束區(qū)，以封堵散水方法限制地下水竄流，最后集中封堵灌漿。施灌工藝遵循從散狀出水段兩端逐步向中間靠攏的原則，并灌注頂部孔后再灌底部孔。如果封堵裂隙過程中出現新的滲漏出水點，則及時停止封堵灌漿并淺層灌漿新出現的出水點，處理完新的滲漏出水點后再恢復原孔的封堵灌漿工作。

3.2.3 鉆孔檢查

考慮水的流動性大，黏聚性小，用同等壓力壓入孔隙中呂榮值必然大于灌漿的呂榮值，檢查孔壓水的壓力為1.2MPa，若不合格需進行補充灌漿。灌漿順利完成，掌子面的硫化氫監(jiān)測值小于10ppm，掌子面安裝的引排管也均不出水。灌漿結束24h后在做好安全防護的措施下實施鉆孔檢查，鉆孔主要針對裂隙出水區(qū)域周邊范圍布設，鉆孔后孔內均無水，體現灌漿效果良好，后進行壓水試驗分析判斷灌漿封堵效果良好，滿足要求。

4.結論

在巖溶區(qū)小斷面水工輸水隧洞開挖施工過程中，掌子面出現裂隙涌水問題非常普遍，涌水量小、壓力小的情況處理比較容易。涌水量大、壓力大的情況，由于受空間限制，大型設施無法使用，灌漿封堵施工非常難，涌水處理不及時還可能造成隧洞淹沒，人員傷亡，造成工程項目暫停，后續(xù)處理難度大、用時長。

涌水伴有硫化氫氣體濃度超標，通過采用一送一吸的通風方式，起到增大洞內通風能力，能夠快速抑制、降低掌子面及成洞段區(qū)間的硫化氫氣體的濃度；采用堿液稀釋化學反應能夠進一步降低隧洞中硫化氫氣體的濃度；通過高效的灌漿封堵技術，對出現涌水伴有硫化氫溢出的位置能夠有效實施灌漿封堵，同時增強圍巖穩(wěn)定性，經過多次裂隙涌水現場封堵經驗總結，重點控制鉆孔引排、封閉裂隙這兩道工序，提升灌漿封堵成功率，節(jié)約時間和成本，推進項目安全施工。對類似隧洞工程施工有非常適用的借鑒意義及參考價值。