岩溶区水工隧洞硫化氢气体处治技术研究

叶生华 贵阳水资源开发投资有限公司

任健伟 中铁五局集团有限公司

梁东虎 贵阳筑水水利产业发展有限公司

贵州，是全国岩溶最发育的地区、岩溶分布广泛、溶洞发育奇形怪状，地质条件非常复杂，地处长江、珠江分水岭、是长江珠江生态屏障。随着国家对贵州的公路、铁路隧道、城市地铁隧道、水工隧洞的加快建设，隧洞施工有毒有害气体监测及处治成为一个突出的问题。在地下污水治理、地下管沟疏通、淤泥清理、地下隧洞等施工作业时，经常会遇到硫化氢有毒有害气体，对作业人员的人身安全产生很大威胁[1]。硫化氢气体是无色的，在一定浓度下有很难闻的臭鸡蛋气味，超过一定的浓度则无味，硫化氢气体的致人死亡浓度为500ppm，在正常条件下，对人的安全临界浓度不能超过20ppm[2]。施工过程中遭遇硫化氢气体溢出时如防范处置不当，极易造成人员伤亡，但是防范处治得当还是能够保障作业人员的生命安全。

1.问题提出

1.1 工程概况

花南花中输水工程是贵阳市解决黔中水进入贵阳的重要输水工程，取水口位于花溪水库库区内，工程建成后分别向南郊、中曹、东部水厂25万m3/d、20万m3/d、30万m3/d，花南花中输水线路（隧洞+管线）长度14.47k m（其中隧洞长度12.4km），向东部水厂输水支线（隧洞+管线）长度20.02km，工程等别为Ⅲ等，工程规模属中型。其中花溪输水隧洞主洞长8.399km，隧洞最大埋深85m，最小埋深15m，均处于地下水位以下，最大外水头68m。隧洞断面为4.2＊4.1m城门洞型，纵坡1/2000，采用悬臂式掘进机开挖，设有的5个支洞（平洞）共有8个施工作业面。超前预报主要采用地震反射法（TSP）/瞬变电磁法（TEM）、地质雷达、红外探水，超前钻验证围岩等措施探明前方地质情况，对掌子面前方20～80m范围围岩的破碎和富水程度进行预测和验证，及时进行信息收集、处理、反馈指导开挖施工。

工程区地表水系发育，区内分布的水库有花溪水库及阿哈湖水库。由于地形平缓，在低洼或冲沟位置分布有众多山塘。区内小河溪流众多，纵横交错。工程区位于珠江流域与长江流域分水岭带，其地势较平缓，河谷较宽浅，丘陵起伏，为溶丘洼地地貌，溶丘最高海拔为1286m左右，平地最低海拔为1100m左右，地形高差多小于100m。区内地表水系发育，地下水埋藏浅，普遍埋深为0～30m。强溶蚀风化岩体透水率普遍大于5Lu，岩体透水性为弱透水上带至强透水性；其下部弱溶蚀风化至微风溶蚀风化岩体透水率普遍小于5Lu，岩体透水性弱，地下岩溶、暗河发育，洞内开挖遭遇各种涌水。

1.2 涌水伴有硫化氢气体溢出超标情况

2020年12月9日2号支洞上游段隧洞掌子面开挖至HX2+224时，掌子面右侧拱部出现裂隙且有涌水，水量较大，施工人员佩戴的有害气体检测仪显示硫化氢含量为15ppm已发出报警，立即停止了隧洞内施工，施工人员迅速撤离。随着掌子面的涌水量不断流出和涌水沿隧洞底板往下游方向流淌，硫化氢气体含量在不断升高，12月10日上游方向HX2+600m位置浓度已到为43ppm，掌子面高达1000ppm以上,随着施工应急处置措施不断实施，洞内的硫化氢气体浓度已经开始得到有效抑制，12月11日开始快速降低，12月13日HX2+300位置洞内硫化氢含量已降至20-45ppm，掌子面硫化氢浓度100ppm。

分析硫化氢气体产生的主要原因为掌子面周边存在一定的岩溶空腔，空腔与地表存在连通关系，地表的雨水、生活污水、杂物等渗流到岩溶空腔底部，长时间堆积产生化学反应生成硫化物，随着开挖被揭露后进入隧洞，污水伴随硫化氢气体流出，造成硫化氢气体含量超标。针对本次涌水伴有硫化氢有毒气体超标问题，针对硫化氢的危害查阅相关资料，制定处理思路为先抑制、后降低、再封堵。编制处置方案并组织专项讨论通过后实施，先增加通风设备加强通风、雾化降水，不断抛洒生石灰和碱粉持续抑制，紧急购买硫化氢除臭剂和防护服、供氧气设备，浓度降低后进行涌水点钻孔、引排、注浆封堵加固。

2.隧洞中硫化氢气体监测及通风方案

2.1 洞内气体检测监测

采用24小时不间断每4小时一次的定时监测，人员进洞监测气体浓度配备便携式移动检测仪2台，监测人员佩戴面罩式自给式空气呼吸器定时进洞检测气体浓度变化，每次两人一道进入隧洞进行监测。每次监测均详细记录检测的地点及桩号、检测的次数，包括施工作业面的浓度、隧洞内气体浓度较高的转弯处、有水流出的出水口、低洼积水处等地方是气体检测的重点部位[3]。

2.2 降低硫化氢气体浓度的措施

（1）主要采用增加轴流式通风设备为主，过程不断的投放生石灰、碱粉、硫化氢中和剂等，达到抑制、降低硫化氢浓度为辅的方式。

（2）将支洞洞口的空压机的高压风通过洞内管道将高压风压到掌子面，对掌子面涌水点的硫化氢浓度最高区域的空气流动达到置换降低浓度的效果。

（3）通风方案主要为一送一吸，在隧洞洞口55kW的轴流通风机，调至最高档，将洞外新鲜的空气通过风带压（送）入隧洞的掌子面位置，在支洞与主洞的交叉口位置安装2台30kW轴流通风机，轴流通风机将上游方向隧洞内含有硫化氢气体的空气吸出，通过支洞排出。将交叉口通风三通的下游方向（没有出现硫化氢气体方向）通风关闭，达到增大上游1倍通风量的效果。

3.硫化氢气体处治技术

3.1 化学反应-碱液稀释

通风方案采用一送一吸的方式，快速有效达到隧洞加强通风后，隧洞中的硫化氢气体浓度降低到200ppm时，施工人工穿着防护服和佩戴氧气瓶进入隧洞，在隧洞中转弯、低位积水部位、排水沟等位置喷洒强碱溶液、投放生石灰、碱粉、硫化氢除臭剂，使隧洞中的硫化氢与强碱化学反应，生成硫化物和水2NaOH+H2S=Na2S+2H2O，从而达到进一步降低硫化氢的浓度，便于下一步对岩溶涌水点进行灌浆封堵施工。

期间不间断的在洞内积水位置投入生石灰、碱粉、硫化氢除臭剂，从而降低硫化氢气体浓度。

采用车辆载着雾炮机，喷雾水掺入硫化氢除臭剂（按照硫化氢除臭剂使用说明书进行配制），在已经安全的洞内区域进行喷雾。

化学处理后能够有效降低硫化氢，通过这些措施的落实，可以将安全施工区不断推进至掌子面位置，为下一步的灌浆封堵施工提供必须安全保障。

3.2 灌浆封堵技术

3.2.1 灌浆封堵准备

监测显示隧洞内掌子面前100m段硫化氢含量已降至20-45ppm。由于硫化氢气体发生泄漏时的掌子面未能开挖成形，涌水裂隙无法直接进行封堵。确定对该段掌子面裂隙涌水封堵按照钻孔、引排、喷砼封闭掌子面、灌浆3道工序进行灌浆封堵，防止硫化氢气体外泄。处理步骤如下：

（1）施工期间继续加强洞内、洞外的通风，雾炮机持续喷洒硫化氢除味剂药水，进一步降低洞内硫化氢浓度，确保洞内各项施工作业安全；

（2）施工人员穿戴全封闭防护服对掌子面位置的裂隙涌水点钻孔，钻孔孔径为50mm，将水通过钻孔引出，当裂隙水全部被钻孔引出后逐孔安装48mm引排钢管；

（3）采用钢筋网、喷射混凝土封堵住管道、整个掌子面周边进行20cm喷混凝土封闭；

（4）等到喷射混凝土的强度达到设计强度后，对硫化氢气体发生泄漏的掌子面涌水点进行灌浆封堵涌水点。

3.2.2 灌浆封堵技术

钻孔引排、喷混凝土封闭、灌浆止浆阀安装等施工均位于掌子面区域洞段，施工用时较长，施工人员必须穿戴全封闭防护服作业。根据掌子面开挖揭露裂隙的位置、涌水量、涌水压力大小、裂隙位置综合考虑，明确裂隙涌水封堵灌浆施工作业各工艺流程、操作要点和相应的工艺标准，指导现场进行封堵施工。重点控制钻孔、引排、封闭裂隙尤为关键。

（1）钻孔引排。钻孔主要分为分流孔及主灌孔两种。根据裂隙出水为线状流水，渗漏明显，出水量约30m3/h。受开挖断面狭小限制，钻孔施工选择YT28气腿凿岩机，钻孔孔径50mm，钻孔深度1～3m范围，钻孔需涌水全部被引排处理，周边裂隙不出水时方可停止钻孔。

（2）灌浆管的选用及安装。灌浆管选用常规的48mm×3.5mm的无缝钢管，长度根据钻孔的深度及涌水流量，选用长度为2m的适合现场操作安装，然后钢管外圈缠绕麻绳后安装固定。

（3）灌浆材料及配比。灌浆材料选用水泥浆，选用的水泥为普通硅酸盐水泥（P·O42.5），选用标准应符合现行规范（SL62-2014）第3.1节的规定。灌浆用水应遵守现行规范（JGJ63-2006）的规定，拌浆用水的温度小于40℃。灌浆配比采用1∶1、0.5 ∶1的水灰比。

（4）灌浆参数及终孔标准。灌浆采用高压3SNS灌浆泵，止水针头及单向阀止回浆。灌浆压力是灌浆工艺的一个重要参数，是浆液在地层扩散的能量，直接关系到灌浆质量的优劣。灌浆压力与水压力和浆液克服地层裂隙的阻力等有关，一般为0.5MPa～1.0Mpa。灌浆的水泥浆流速15-40L/min，根据钻孔岩石为灰岩确定，岩层比较完整时采用一次性灌浆即可到达封堵要求；岩石裂隙强发育，采用1∶1、0.5∶1两种水灰比，先灌稀浆，再灌浓浆，灌浆终压1.0MPa，灌浆量10-20m3/孔。灌浆压力以回浆管压力表读数为准，压力表读数以中值为准，压力表指针摆动范围应小于灌浆压力的20%，摆动幅度应做记录。灌浆自动记录仪应记录间隔时段内灌浆压力的平均值和最大值。为便于现场操作控制，进浆管路上的压力表应注意进浆管路上的压力表距灌浆孔间的管路长度不应大于10m，以保证回浆管路上的压力表值能较准确反映灌段实际灌浆压力。注入率不大于0.5L/min时，持续、稳压灌注时间不少于30分钟，即可结束终孔灌浆[4]。

（5）其它。多孔灌浆顺序为：先灌无水孔，再灌出水量小的孔，最后灌出水量大的孔。灌浆原则按“先分流孔、后主灌孔灌”进行，即形成约束区，以封堵散水方法限制地下水窜流，最后集中封堵灌浆。施灌工艺遵循从散状出水段两端逐步向中间靠拢的原则，并灌注顶部孔后再灌底部孔。如果封堵裂隙过程中出现新的渗漏出水点，则及时停止封堵灌浆并浅层灌浆新出现的出水点，处理完新的渗漏出水点后再恢复原孔的封堵灌浆工作。

3.2.3 钻孔检查

考虑水的流动性大，黏聚性小，用同等压力压入孔隙中吕荣值必然大于灌浆的吕荣值，检查孔压水的压力为1.2MPa，若不合格需进行补充灌浆。灌浆顺利完成，掌子面的硫化氢监测值小于10ppm，掌子面安装的引排管也均不出水。灌浆结束24h后在做好安全防护的措施下实施钻孔检查，钻孔主要针对裂隙出水区域周边范围布设，钻孔后孔内均无水，体现灌浆效果良好，后进行压水试验分析判断灌浆封堵效果良好，满足要求。

4.结论

在岩溶区小断面水工输水隧洞开挖施工过程中，掌子面出现裂隙涌水问题非常普遍，涌水量小、压力小的情况处理比较容易。涌水量大、压力大的情况，由于受空间限制，大型设施无法使用，灌浆封堵施工非常难，涌水处理不及时还可能造成隧洞淹没，人员伤亡，造成工程项目暂停，后续处理难度大、用时长。

涌水伴有硫化氢气体浓度超标，通过采用一送一吸的通风方式，起到增大洞内通风能力，能够快速抑制、降低掌子面及成洞段区间的硫化氢气体的浓度；采用碱液稀释化学反应能够进一步降低隧洞中硫化氢气体的浓度；通过高效的灌浆封堵技术，对出现涌水伴有硫化氢溢出的位置能够有效实施灌浆封堵，同时增强围岩稳定性，经过多次裂隙涌水现场封堵经验总结，重点控制钻孔引排、封闭裂隙这两道工序，提升灌浆封堵成功率，节约时间和成本，推进项目安全施工。对类似隧洞工程施工有非常适用的借鉴意义及参考价值。