深埋长隧洞有害气体形成条件及安全施工对策

刘国平 李立民 肖瑜

摘要：针对秦岭隧洞岭北TBM施工中存在的有害气体逸出现象，为预防和减轻有害气体对施工进程和人员设备安全的不利影响，在现场调查和参阅国内外文献的基础上，通过开展现场气体浓度检测、岩（气）样采集等，结合室内岩石样品的微观鉴定、电镜扫描及岩（气）体样品的能（色）谱分析等综合手段，分析了秦岭隧洞有害气体发生的地质特征和形成条件，提出了针对性强的施工处理措施，以控制有害气体浓度符合安全施工标准。结果表明：隧洞区内岩体构造结构面发育，有害气体是从其他深部区域沿构造裂隙等通道运移而逸出;秦岭隧洞逸出的有害气体为烷类气体，主要成分为甲烷;建立健全安全监测系统、优化通风系统可以有效减轻有害气体的影响。

关键词：有害气体;形成条件;施工对策;秦岭隧洞

中图分类号：TV513 文献标志码：A

超长深埋隧洞具有延伸长、埋深大、地质条件复杂等特点，在施工过程中常常伴随岩爆、高地温、突涌水等诸多地质灾害问题[1]，其中掘进过程中有害气体的产生和积聚日益引起设计和施工人员的重视[2]。隧洞内施工空间狭小，有害气体的出现不仅会给人员和设备带来极大危害，而且因其突然喷出、燃烧或爆炸等急剧恶化隧洞施工条件，容易引发安全事故。

国内许多学者针对隧洞工程有害气体开展了相应研究。黄润秋等[3]对深埋长隧道有害气体发生的地质条件进行过探讨研究;李斐等[4]对杭州地铁1号线彭埠站一建华站区间盾构隧道下穿有害气体土层工程设计进行了研究;张玉伟等[5]研究了压入式通风模式下高原隧道有害气体的分布特征;陈广峰等[6]分析了杭州地铁隧道有害气体的危害及防治对策;杨曼等[7]对季家坡隧道易燃气体进行了监测分析;何财基等[8-11]对隧道有害气体成因及浓度进行了分析并提出了相应的处置措施。

陕西省引汉济渭工程秦岭隧洞贯穿秦岭山脉，全长98.3km，最大埋深2012m，属超长深埋隧洞。2018年2月23日，在秦岭隧洞岭北TBM（tunnel boring ma-chine，岩石掘进机）段施工过程中，首次发现有害气体逸出，隧洞区有害气体的赋存有别于含煤、油气等地区，其岩类主要为变质岩和岩浆岩，无沉积岩分布。而目前在秦岭地区乃至全国，尚无敞开式硬岩掘进机穿越有害气体施工的实例。判别有害气体出现的地质条件，分析有害气体成分，从而提出有效预防和应对措施，对保证人员和设备安全、杜绝安全事故的发生具有重要意义。笔者通过收集现场第一手资料，对秦岭隧洞有害气体的特征、形成原因进行分析研究，开展了现场气体成分浓度测试、工作面岩石样品电镜扫描及岩（气）体样品能（色）谱等分析，初步掌握了秦岭隧洞有害气体的发生特征和形成原因，并提出了预防和治理措施。

1 有害气体和岩样测试分析

1.1 有害气体发生情况

2018年2月23日凌晨3时25分，岭北TBM施工至桩号K47+912.7处，TBM护盾尾部左下侧位置岩体纵向节理缝隙有不明可燃气体逸出，逸出气体被拱架支护作业中掉落的焊渣引燃，火焰高度45cm，沿节理面纵向长度95cm。现场立即将火焰扑灭，通过便携式气体检测仪检测（检测仪器传感器对着原着火点）发现，逸出气体主要为甲烷和一氧化碳，现场立即关闭电源并撤离所有人员，只保留风机持续运行。

1.2 有害气体测试

采用色谱仪对经裂隙逸出的有害气体进行了成分测试。测试结果表明，有害气体主要成分为CH₄、N₂，含有少量C₂H₆、CO₂，以及微量CO。受气相色谱仪测试范围影响，不排除存在其他未测定气体的可能性，如C₃H₈、C₃H₆、SO₂等，但含量甚微。

分别在K47+919.5（气体逸出裂隙）、K47+939.4（仰拱气体逸出冒泡）、掘进工作面三处不同位置采用CFB-10型负压气体采样器和气体采样袋收集现场样本气体，借助GC-2120型气相色谱仪测试样本气体中O₂、N₂、CO、CO₂、CH₄、C₂H₆、C₂H₄、C₂H₂等成分浓度，采用GC-3430型气相色谱仪对H₂S气体浓度进行专项检测。现场及实验室气体浓度检测结果见表1、表2。

1.3 岩样测试

为了分析确定可燃性气体来源，自岭北TBM护盾掘进工作面采集岩样，通过场发射扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪对岩样表面结构和岩样成分进行测试鉴定分析。

图1为岩样显微结构。可以看出，岩样为变质砂岩，黑绿色一黑灰色，极为细腻，显微镜下岩样孔隙结构不发达，无明显矿物晶体颗粒，以碎屑矿物为主，石英较多，含有黑云母、绿泥石和碳酸盐矿物，少数胶结物为硅质物，副矿物有钠一斜黝帘石、黄铁矿等，具有明显的流动涡卷现象，主要表现为块状构造，层状构造不明显，中细粒变晶结构，宏观显示变质岩特征，变质以后颗粒边缘有重结晶现象。该样品局部发现有机物储存或穿行残留印记存在。图2为岩样的能谱分析结果。由图2可以看出，试验岩样中Si、Al元素含量较高，结合磨片判定样品属于浅变质岩类。

2 形成条件分析

隧洞所处的岩性条件是决定有无有害气体的基础。有害气体主要分布于中硬岩及富含有机质等特殊成分的岩层内，如含煤层、含炭质、含油层、沥青质岩层等富集有害气体的地层，坚硬岩的岩质致密，具有低透气性和渗透率低的特点，岩石本身赋存气体的能力很差。

根据现场勘探测试及岩性、岩石类型与成因分析，岭北TBM护盾掘进工作面隧洞岩样为变质砂岩，属浅变质岩，为沉积成因的砂岩经过变质作用形成，巖质坚硬，肉眼观察孔隙结构不发达，透气性差，不具备赋存有害气体的条件，探测到的可燃性气体为隧洞更深部其他岩体、构造带、裂隙带等赋存气体，受隧洞施工的影响，以游离态形式经节理裂隙导通气流通道，自掘进工作面及洞壁四周基岩裂隙中逸出。

洞址区岩性有变质岩类如千枚岩、炭质千枚岩、石英片岩、炭质片岩、云母片岩、变粒岩、石英岩、片麻岩、大理岩、变质砂岩等，岩浆岩类如花岗岩、花岗闪长岩、闪长岩等，多数为坚硬岩，少数为中硬岩，局部夹有少量软质岩，TBM施工段穿越的地层岩性主要有石英片岩、千枚岩、含炭质千枚岩、变质砂岩等，目前施工揭露的含炭质千枚岩位于泥盆系下统罗汉寺组和石炭系下统二峪河组地层中。有害气体涉及地层岩性为泥盆系中上统刘岭群青石娅组变质砂岩，补充勘察中发现临近有害气体逸出点的泥盆系上统刘岭群桐峪寺组含有炭质千枚岩，具备赋存有害气体的岩性条件。

有害气体的赋存不仅与隧洞所处的岩性及岩石的矿物组成有关，还与其地质构造密切相关。有害气体形成的地层岩性条件具备后，能否造成危害还取决于一定的富集、储存条件。最适合有害气体储集的是背斜构造（或穹隆构造），此外，断裂带尤其是深部岩体断裂带、节理裂隙发育带、活动火山活动源处或剧烈的地表活动区也是有害气体运移和富集的场所。秦岭隧洞岭北TBM施工段断裂构造发育，勘察中共发现14条断层，目前已施工揭露验证了13条断层，同时还新发现了7条次生小断层和多处节理裂隙发育带，这为有害气体的运移和富集提供了良好的通道。

3 应对措施

3.1 施工通风

经分析，有害气体主要为甲烷，施工期主要按照瓦斯安全进行应对。隧洞施工通风是排烟除尘和稀释有害气体的主要手段，是保证施工安全的重要前提，因此隧洞施工期间需根据瓦斯检测结果进行不间断通风。敞开式TBM通风系统主要包括除尘风机和新鲜空气供风机，针对TBM工作面高浓度瓦斯，利用除尘风机抽出有害气体并增大新鲜空气供风量，采用抽压结合的隧道通风方法来降低开挖工作面瓦斯浓度至1%以下。为掌握瓦斯在风流中的分布规律，利用FLUENT软件对瓦斯浓度分布进行数值模拟，分析新鲜空气进风量对洞内瓦斯浓度的影响。

3.1.1 数学模型

依据现场测试结果，瓦斯由TBM开挖工作面7点方向涌出，则通风稀释瓦斯的过程包括空气与瓦斯紊流扩散。瓦斯紊流扩散的数学模型控制方程为连续性方程、动量方程、能量方程及组分运输方程。紊流模型采用双方程k-ε紊流模型，其中瓦斯组分质量守恒方程为式中：ρ为瓦斯密度;c_s为瓦斯的体积浓度;u为流速;t为时间;D_s为瓦斯的扩散系数;S_s为单位时间内单位体积通过化学反应所产生的瓦斯质量;grad为梯度函数;div为散度函数。

3.1.2 几何模型及网格划分

根据岭北敞开式TBM开挖实际情况，建立隧道几何模型。TBM机身段长200m，断面直径为8m;除尘风管与新鲜风管直径为0.9m，对称布置于隧道两侧。模拟建立TBM主体结构，用于模拟粉尘在TBM掘进中的扩散效果。采用四面体网格，对三维数值计算模型进行网格划分，网格边长为0.5m，风管网格加密，边长为0.1m，几何模型网格划分情况如图3所示。

3.1.3 边界条件的确定

基本计算边界条件如下：①除尘风管与新鲜风管均设为速度入口（velocity-inlet）;②TBM机身尾部设为压力出口（pressure-outlet），保持Gauge pressure为0，即环境气压为1个大气压;③瓦斯溢出部位设为速度人口（velocity-inlet），设置velocity magnitude为10m/s，瓦斯溢出初始浓度为14%;④隧道壁面及风管管壁边界类型均为固壁边界（wall），且满足无滑移条件。

3.1.4 结果分析

岭北TBM施工通风布置情况如下：除尘风管与新鲜风管在隧道竖向位于中间位置，在隧道横向对称布置且风管壁距两侧洞壁均为0.3m，在隧道纵向风管口距离工作面均为10m，除尘风机吸风口风速为10m/s，新鲜风管送风风速为5、10、15、20m/s，模拟计算通风30min后4种供风量下瓦斯浓度分布情况，其中沿纵向隧道中间断面的瓦斯浓度分布如图4所示。

由图4可知，在TBM施工瓦斯隧道时，利用除尘风管吸风，采用抽压结合的通风方式能够明显降低工作面附近的瓦斯浓度。由工作面前方围岩节理裂隙产生的瓦斯，一部分直接被除尘风管吸走，一部分随压入的新鲜风流向TBM尾部扩散。送风风速越大，瓦斯浓度大于1.0%的危险区域越小，聚集在TBM隧道上方的瓦斯量越小。

由数值模拟结果可知，送风速度为20m/s时，有利于降低工作面瓦斯浓度，施工通风设置能够达到此风速，因此仅关注送风速度为20m/s的浓度变化曲线。将现场瓦斯浓度测试结果与送风风速为20m/s的瓦斯扩散数值模拟结果进行比较，如图5所示。由图5可知，未通风时TBM工作面甲烷浓度较高，随着时间的增加甲烷浓度迅速降低，在通风20min后甲烷浓度较小且趋于平稳，通风30min后甲烷浓度均在规范限值以下。图5中实测值与计算值存在差异，原因主要为岭北TBM机内部结构复杂，机身对隧道通风有一定的阻碍作用，模拟计算简化了TBM机身结构，因此数值计算中隧道内甲烷浓度受通风影响更为明显，浓度随时间下降更快。

3.2 治理措施

对隧洞通过该特殊构造区段进行专项设计：①K47+912.7-K47+960段围岩类别由Ⅳ类调整为Ⅲ类[1z];②受岩爆影响，同时考虑限制有害气体排放，防止坍塌掉块引起新的排放通道，该段采用H125型钢钢架支护，间距1榀/90cm;③拱墙锚杆及喷射混凝土按Ⅳ类围岩进行设计，局部破碎段钢筋网调整为钢筋排;④拱墙二次衬砌混凝土强度等级调整为C35;⑤该段初喷及二次衬砌混凝土中掺加气密剂，要求掺用气密剂后，喷混凝土透气系数不大于10^-10cm/s，模筑混凝土透气系数不大于10^-11cm/s;⑥對K47+912.7-K47+940.4段有害气体集中逸出点进行局部封堵，减小逸出量及逸出速度;⑦现场增加小型防爆扇，防止有害气体局部聚集，在主洞交叉口增加一台接力风机，保证新鲜风供应。

4 结论

（1）经现场及室内样品分析测定，秦岭隧洞逸出的有害气体为烷类气体，主要成分为甲烷。秦岭隧洞洞室埋深大，具有良好的储存封闭条件，易形成地下有害气体积聚;区内受构造作用影响严重，岩体中构造结构面发育，具备形成气体游离及运移的良好通道;逸出的有害气体从其他深部区域沿构造裂隙等通道运移而来。

（2）建立健全安全监测系统，重点对电气设备、有害气体逸出點、人员密集区、施工掌子面等进行监测，监测对象为CH₄、CO、CO₂、H₂S等有毒有害气体，特别是瓦斯气体轻，易于积存于洞室的上部空间，要引起足够的注意。利用除尘风机抽出有害气体并增大新鲜空气供风量，采用抽压结合的隧道通风方法，可以有效降低开挖工作面瓦斯浓度。

（3）初期在出现有害气体逸出的裂隙处测得瓦斯浓度最高达17%，并在衰减，经过局部封堵和加强洞内通风后，作业环境内有害气体浓度均处于有关规范[13-15]安全施工的限值以下。

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