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(cè)繪、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等手段對(duì)5號(hào)支洞進(jìn)行了有害氣體檢測(cè)。結(jié)果表明：5號(hào)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(gòu)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(fēng)為主，動(dòng)態(tài)管理、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、檢測(cè)與監(jiān)測(cè)等手段相結(jié)合的針對(duì)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(shè)提供參考。

關(guān)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(hào)：TV672.1；TD713

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.05.005

文章編號(hào)：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(guò)多起瓦斯災(zāi)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(cái)產(chǎn)損失。

目前對(duì)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(yùn)移規(guī)律［7-9］、檢測(cè)和防治措施［10-14］等方面，對(duì)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(hào)支洞為依托，結(jié)合工程地質(zhì)條件，分析了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和檢測(cè)結(jié)果，研究了隧洞的有害氣體特征，提出了針對(duì)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(shè)計(jì)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(zhǎng)約22 km。為了方便引水隧洞的施工，在隧道的中部設(shè)有4個(gè)支洞（勘探平硐），分別為2號(hào)勘探平硐、4號(hào)勘探平硐、5號(hào)勘探平硐、6號(hào)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(zhuǎn)復(fù)背斜，規(guī)模較大的斷裂為二嘎里壓扭性逆斷層［14］。4號(hào)支洞到5號(hào)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(chǎng)調(diào)查

2.1.1 現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)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(huì)對(duì)隧洞施工造成危害。

2.1.2 現(xiàn)場(chǎng)瓦斯爆炸情況

該水電站引水隧洞5號(hào)支洞洞內(nèi)正常爆破施工時(shí)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(shí)，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(fēng)帶及洞口停置的挖機(jī)、裝載機(jī)玻璃全部被震壞。在之后的施工過(guò)程中加大了隧洞內(nèi)通風(fēng)量和通風(fēng)時(shí)間，但工人不時(shí)會(huì)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(bǔ)炮過(guò)程中再次出現(xiàn)瓦斯爆炸，且起爆時(shí)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(yán)重，固定機(jī)具被氣浪掀翻，洞口處的標(biāo)語(yǔ)標(biāo)識(shí)牌也被氣浪破壞并沖至317國(guó)道下方。在后續(xù)圍巖封閉過(guò)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(chǎng)施工安全，5號(hào)支洞暫時(shí)停止施工。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

2021年11月18日上午約09∶00，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員開(kāi)始對(duì)5號(hào)支洞進(jìn)行有害氣體檢測(cè)工作。由于5號(hào)支洞已停工數(shù)日，洞內(nèi)可能存在有害氣體積聚的風(fēng)險(xiǎn)，因此制定了以下檢測(cè)方案：現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員穿戴好防護(hù)裝備后，將儀器調(diào)零，從洞口徒步向洞內(nèi)邊前進(jìn)邊進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)洞內(nèi)各里程的有害氣體成分與濃度進(jìn)行了檢測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)人員在行進(jìn)至掌子面時(shí)，進(jìn)行了掌子面有害氣體檢測(cè)，并對(duì)掌子面噴漿情況進(jìn)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(cè)

洞內(nèi)空間有害氣體檢測(cè)結(jié)果如表1所示。根據(jù)檢測(cè)結(jié)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(dǎo)致工人出現(xiàn)惡心嘔吐的原因。檢測(cè)過(guò)程中檢測(cè)到甲烷最高濃度為500×10-6，檢測(cè)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(cè)是在通風(fēng)條件下進(jìn)行，所以檢測(cè)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(lái)源，對(duì)甲烷與里程的關(guān)系展開(kāi)研究［15］（圖3）。從洞口開(kāi)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(shí)達(dá)到了極大值（348×10-6），隨后開(kāi)始減小，在洞頂滲水處達(dá)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(dǎo)致檢測(cè)到的甲烷濃度降低。隨著里程不斷增加，從滲水處開(kāi)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(dá)到最大值（500×10-6），證明該段的甲烷氣體主要來(lái)源于掌子面附近地層。

3.2 掌子面有害氣體檢測(cè)

掌子面有害氣體濃度檢測(cè)結(jié)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(cè)到的甲烷濃度與洞內(nèi)甲烷濃度對(duì)應(yīng)，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(cè)到甲烷濃度超過(guò)檢測(cè)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(chǔ)集的良好空間，當(dāng)施工開(kāi)挖到該位置時(shí)，很可能會(huì)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(gòu)造對(duì)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(chǔ)存或排放的有利條件。

（1） 褶皺構(gòu)造對(duì)有害氣體賦存的影響。研究區(qū)內(nèi)主要褶皺為上寨倒轉(zhuǎn)復(fù)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(gòu)成。隧址區(qū)主要位于背斜的南翼，當(dāng)?shù)貙游丛馐軜?gòu)造破壞時(shí)，背斜有利于有害氣體儲(chǔ)存，是良好的儲(chǔ)氣構(gòu)造，背斜軸部的有害氣體會(huì)相對(duì)聚集，有害氣體含量較大。

（2） 斷裂構(gòu)造對(duì)有害氣體賦存的影響。斷裂構(gòu)造破壞了巖層的連續(xù)性和完整性，使巖層有害氣體運(yùn)移條件發(fā)生變化。張性斷裂與裂隙構(gòu)造被稱為開(kāi)放性斷裂，有利于有害氣體的逸散；而壓扭性斷裂與裂隙構(gòu)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(chǔ)存（圖6）。當(dāng)遇到封閉性斷裂（如壓扭性斷層）時(shí)，有害氣體運(yùn)移將被斷裂構(gòu)造阻斷，此時(shí)斷裂構(gòu)造成為有害氣體逸散的屏障。從構(gòu)造上來(lái)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(gè)條件［16］。氧氣是隧洞開(kāi)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(duì)掌子面進(jìn)行了有害氣體濃度復(fù)測(cè)，復(fù)測(cè)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(fēng)可以有效降低隧道內(nèi)有害氣體濃度。因此，提出以通風(fēng)為主，動(dòng)態(tài)管理、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、檢測(cè)與監(jiān)測(cè)等手段相結(jié)合的綜合防治措施。

4.1 動(dòng)態(tài)管理

隧洞一端洞口至開(kāi)挖掌子面作為一個(gè)施工工區(qū)，在一個(gè)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(dòng)態(tài)變化的過(guò)程，應(yīng)采取動(dòng)態(tài)管理方式（圖7）。

4.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

由于川西構(gòu)造復(fù)雜區(qū)有害氣體多以氣囊形式隨機(jī)分布，且不排除高濃度氣體聚集的可能，常規(guī)的檢測(cè)與監(jiān)測(cè)手段難以提前判斷有害氣體危害。瓦斯預(yù)報(bào)以地質(zhì)調(diào)查法為基礎(chǔ)，結(jié)合鉆探法與物探法進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，以探明瓦斯的賦存情況，并對(duì)其分布位置、性質(zhì)、含量、濃度、壓力、涌出量等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。在研究過(guò)程中，對(duì)隧洞不同危險(xiǎn)性區(qū)域的超前鉆孔和加深鉆孔進(jìn)行分類化處理（圖8～9）。

在工程應(yīng)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(bào)告指導(dǎo)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(yù)報(bào)方法對(duì)隧洞有害氣體防治的預(yù)測(cè)效果良好。

4.3 檢測(cè)與監(jiān)測(cè)

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

（1） 自動(dòng)監(jiān)測(cè)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)通過(guò)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)不間斷的監(jiān)測(cè)及洞內(nèi)有害氣體濃度變化情況記錄。

（2） 人工檢測(cè)。人工檢測(cè)主要由專業(yè)檢測(cè)人員攜帶便攜式檢測(cè)儀對(duì)洞內(nèi)有害氣體濃度變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄。當(dāng)檢測(cè)過(guò)程中出現(xiàn)較高濃度有害氣體或涌水點(diǎn)出現(xiàn)異常顏色水體時(shí)，及時(shí)對(duì)氣體和水體進(jìn)行取樣，并送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相應(yīng)的室內(nèi)檢測(cè)分析。

4.4 通 風(fēng)

瓦斯聚集達(dá)到一定濃度后可能會(huì)發(fā)生瓦斯爆炸，而防止瓦斯聚集的有效方法為通風(fēng)。通過(guò)計(jì)算設(shè)備風(fēng)量和通風(fēng)阻力，在合理范圍內(nèi)選取通風(fēng)設(shè)備并進(jìn)行施工通風(fēng)方案設(shè)計(jì)。

4.4.1 通風(fēng)機(jī)選型

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

根據(jù)通風(fēng)阻力（摩擦阻力和局部阻力）引起的壓力損失選擇適當(dāng)功率的風(fēng)機(jī)設(shè)備，以確保所需新鮮空氣被送到工作面。經(jīng)計(jì)算，主洞需風(fēng)量為3 746 m3/min，風(fēng)筒通風(fēng)阻力（即風(fēng)壓）為4 850.56 Pa。選用SDFDZ-I-NO.18防爆對(duì)旋隧洞專用通風(fēng)機(jī)，主要參數(shù)詳見(jiàn)表3。

4.4.2 施工通風(fēng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)隧洞布置情況及施工方案，將隧洞施工通風(fēng)方案分為2個(gè)階段。

（1） 第一階段：支洞施工。支洞施工未與主洞匯合時(shí)，采用獨(dú)頭壓入式通風(fēng)，在洞外安設(shè)局部通風(fēng)機(jī)，接柔性風(fēng)筒將新鮮風(fēng)流壓入至掌子面，污風(fēng)經(jīng)支洞排出地表，詳見(jiàn)圖10。

（2） 第二階段：主洞施工。在主洞段，進(jìn)風(fēng)繼續(xù)采用獨(dú)頭壓入式通風(fēng)壓入，在洞外安設(shè)通風(fēng)機(jī)（2個(gè)掌子面各1個(gè)風(fēng)機(jī)），接柔性風(fēng)筒將新鮮風(fēng)流壓入至掌子面。根據(jù)情況設(shè)置射流風(fēng)機(jī)輔助排風(fēng)，詳見(jiàn)圖11。

對(duì)易形成瓦斯聚集的部位，采用局部通風(fēng)方案，在主洞與支洞相接的地方加入通風(fēng)機(jī)，另在支洞500 m進(jìn)尺處設(shè)置3臺(tái)射流風(fēng)機(jī)輔助通風(fēng)，主要在瓦斯聚集位置處設(shè)置，詳見(jiàn)圖12。

4.5 工程應(yīng)用效果

自2022年2月15日采用針對(duì)性的防治措施以來(lái)，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(yīng)用效果良好，5號(hào)支洞已成功貫通。

5 結(jié) 論

以阿壩州某水電站引水隧道5號(hào)支洞為依托，基于地質(zhì)背景資料、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，總結(jié)有害氣體特征，并對(duì)有害氣體防治措施進(jìn)行了研究，結(jié)合防治措施工程應(yīng)用效果，可得出以下主要結(jié)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?xì)怏w，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(gòu)造會(huì)對(duì)有害氣體賦存產(chǎn)生影響，研究區(qū)附近的上寨倒轉(zhuǎn)復(fù)背斜是良好的儲(chǔ)氣構(gòu)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(fēng)為主，動(dòng)態(tài)管理、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、檢測(cè)與監(jiān)測(cè)相結(jié)合的防治措施，及時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)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(yàn)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