巖溶區(qū)水工隧洞硫化氫氣體處治技術(shù)研究

葉生華 貴陽(yáng)水資源開發(fā)投資有限公司

任健偉 中鐵五局集團(tuán)有限公司

梁東虎 貴陽(yáng)筑水水利產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司

貴州，是全國(guó)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(zhì)條件非常復(fù)雜，地處長(zhǎng)江、珠江分水嶺、是長(zhǎng)江珠江生態(tài)屏障。隨著國(guó)家對(duì)貴州的公路、鐵路隧道、城市地鐵隧道、水工隧洞的加快建設(shè)，隧洞施工有毒有害氣體監(jiān)測(cè)及處治成為一個(gè)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(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到硫化氫有毒有害氣體，對(duì)作業(yè)人員的人身安全產(chǎn)生很大威脅[1]。硫化氫氣體是無(wú)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(wú)味，硫化氫氣體的致人死亡濃度為500ppm，在正常條件下，對(duì)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(shí)如防范處置不當(dāng)，極易造成人員傷亡，但是防范處治得當(dāng)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(yáng)市解決黔中水進(jìn)入貴陽(yáng)的重要輸水工程，取水口位于花溪水庫(kù)庫(kù)區(qū)內(nèi)，工程建成后分別向南郊、中曹、東部水廠25萬(wàn)m3/d、20萬(wàn)m3/d、30萬(wàn)m3/d，花南花中輸水線路（隧洞+管線）長(zhǎng)度14.47k m（其中隧洞長(zhǎng)度12.4km），向東部水廠輸水支線（隧洞+管線）長(zhǎng)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(zhǎng)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(jìn)機(jī)開挖，設(shè)有的5個(gè)支洞（平洞）共有8個(gè)施工作業(yè)面。超前預(yù)報(bào)主要采用地震反射法（TSP）/瞬變電磁法（TEM）、地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水，超前鉆驗(yàn)證圍巖等措施探明前方地質(zhì)情況，對(duì)掌子面前方20～80m范圍圍巖的破碎和富水程度進(jìn)行預(yù)測(cè)和驗(yàn)證，及時(shí)進(jìn)行信息收集、處理、反饋指導(dǎo)開挖施工。

工程區(qū)地表水系發(fā)育，區(qū)內(nèi)分布的水庫(kù)有花溪水庫(kù)及阿哈湖水庫(kù)。由于地形平緩，在低洼或沖溝位置分布有眾多山塘。區(qū)內(nèi)小河溪流眾多，縱橫交錯(cuò)。工程區(qū)位于珠江流域與長(zhǎng)江流域分水嶺帶，其地勢(shì)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(nèi)地表水系發(fā)育，地下水埋藏淺，普遍埋深為0～30m。強(qiáng)溶蝕風(fēng)化巖體透水率普遍大于5Lu，巖體透水性為弱透水上帶至強(qiáng)透水性；其下部弱溶蝕風(fēng)化至微風(fēng)溶蝕風(fēng)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(nèi)開挖遭遇各種涌水。

1.2 涌水伴有硫化氫氣體溢出超標(biāo)情況

2020年12月9日2號(hào)支洞上游段隧洞掌子面開挖至HX2+224時(shí)，掌子面右側(cè)拱部出現(xiàn)裂隙且有涌水，水量較大，施工人員佩戴的有害氣體檢測(cè)儀顯示硫化氫含量為15ppm已發(fā)出報(bào)警，立即停止了隧洞內(nèi)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(dá)1000ppm以上,隨著施工應(yīng)急處置措施不斷實(shí)施，洞內(nèi)的硫化氫氣體濃度已經(jīng)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(nèi)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(chǎn)生的主要原因?yàn)檎谱用嬷苓叴嬖谝欢ǖ膸r溶空腔，空腔與地表存在連通關(guān)系，地表的雨水、生活污水、雜物等滲流到巖溶空腔底部，長(zhǎng)時(shí)間堆積產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成硫化物，隨著開挖被揭露后進(jìn)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(biāo)。針對(duì)本次涌水伴有硫化氫有毒氣體超標(biāo)問題，針對(duì)硫化氫的危害查閱相關(guān)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(xiàng)討論通過后實(shí)施，先增加通風(fēng)設(shè)備加強(qiáng)通風(fēng)、霧化降水，不斷拋灑生石灰和堿粉持續(xù)抑制，緊急購(gòu)買硫化氫除臭劑和防護(hù)服、供氧氣設(shè)備，濃度降低后進(jìn)行涌水點(diǎn)鉆孔、引排、注漿封堵加固。

2.隧洞中硫化氫氣體監(jiān)測(cè)及通風(fēng)方案

2.1 洞內(nèi)氣體檢測(cè)監(jiān)測(cè)

采用24小時(shí)不間斷每4小時(shí)一次的定時(shí)監(jiān)測(cè)，人員進(jìn)洞監(jiān)測(cè)氣體濃度配備便攜式移動(dòng)檢測(cè)儀2臺(tái)，監(jiān)測(cè)人員佩戴面罩式自給式空氣呼吸器定時(shí)進(jìn)洞檢測(cè)氣體濃度變化，每次兩人一道進(jìn)入隧洞進(jìn)行監(jiān)測(cè)。每次監(jiān)測(cè)均詳細(xì)記錄檢測(cè)的地點(diǎn)及樁號(hào)、檢測(cè)的次數(shù)，包括施工作業(yè)面的濃度、隧洞內(nèi)氣體濃度較高的轉(zhuǎn)彎處、有水流出的出水口、低洼積水處等地方是氣體檢測(cè)的重點(diǎn)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(fēng)設(shè)備為主，過程不斷的投放生石灰、堿粉、硫化氫中和劑等，達(dá)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(jī)的高壓風(fēng)通過洞內(nèi)管道將高壓風(fēng)壓到掌子面，對(duì)掌子面涌水點(diǎn)的硫化氫濃度最高區(qū)域的空氣流動(dòng)達(dá)到置換降低濃度的效果。

（3）通風(fēng)方案主要為一送一吸，在隧洞洞口55kW的軸流通風(fēng)機(jī)，調(diào)至最高檔，將洞外新鮮的空氣通過風(fēng)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(tái)30kW軸流通風(fēng)機(jī)，軸流通風(fēng)機(jī)將上游方向隧洞內(nèi)含有硫化氫氣體的空氣吸出，通過支洞排出。將交叉口通風(fēng)三通的下游方向（沒有出現(xiàn)硫化氫氣體方向）通風(fēng)關(guān)閉，達(dá)到增大上游1倍通風(fēng)量的效果。

3.硫化氫氣體處治技術(shù)

3.1 化學(xué)反應(yīng)-堿液稀釋

通風(fēng)方案采用一送一吸的方式，快速有效達(dá)到隧洞加強(qiáng)通風(fēng)后，隧洞中的硫化氫氣體濃度降低到200ppm時(shí)，施工人工穿著防護(hù)服和佩戴氧氣瓶進(jìn)入隧洞，在隧洞中轉(zhuǎn)彎、低位積水部位、排水溝等位置噴灑強(qiáng)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(qiáng)堿化學(xué)反應(yīng)，生成硫化物和水2NaOH+H2S=Na2S+2H2O，從而達(dá)到進(jìn)一步降低硫化氫的濃度，便于下一步對(duì)巖溶涌水點(diǎn)進(jìn)行灌漿封堵施工。

期間不間斷的在洞內(nèi)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(jī)，噴霧水摻入硫化氫除臭劑（按照硫化氫除臭劑使用說(shuō)明書進(jìn)行配制），在已經(jīng)安全的洞內(nèi)區(qū)域進(jìn)行噴霧。

化學(xué)處理后能夠有效降低硫化氫，通過這些措施的落實(shí)，可以將安全施工區(qū)不斷推進(jìn)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(shù)

3.2.1 灌漿封堵準(zhǔn)備

監(jiān)測(cè)顯示隧洞內(nèi)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(shí)的掌子面未能開挖成形，涌水裂隙無(wú)法直接進(jìn)行封堵。確定對(duì)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(jìn)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(qiáng)洞內(nèi)、洞外的通風(fēng)，霧炮機(jī)持續(xù)噴灑硫化氫除味劑藥水，進(jìn)一步降低洞內(nèi)硫化氫濃度，確保洞內(nèi)各項(xiàng)施工作業(yè)安全；

（2）施工人員穿戴全封閉防護(hù)服對(duì)掌子面位置的裂隙涌水點(diǎn)鉆孔，鉆孔孔徑為50mm，將水通過鉆孔引出，當(dāng)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(wǎng)、噴射混凝土封堵住管道、整個(gè)掌子面周邊進(jìn)行20cm噴混凝土封閉；

（4）等到噴射混凝土的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，對(duì)硫化氫氣體發(fā)生泄漏的掌子面涌水點(diǎn)進(jìn)行灌漿封堵涌水點(diǎn)。

3.2.2 灌漿封堵技術(shù)

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(shí)較長(zhǎng)，施工人員必須穿戴全封閉防護(hù)服作業(yè)。根據(jù)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(diǎn)和相應(yīng)的工藝標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行封堵施工。重點(diǎn)控制鉆孔、引排、封閉裂隙尤為關(guān)鍵。

（1）鉆孔引排。鉆孔主要分為分流孔及主灌孔兩種。根據(jù)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(jī)，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(shí)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(wú)縫鋼管，長(zhǎng)度根據(jù)鉆孔的深度及涌水流量，選用長(zhǎng)度為2m的適合現(xiàn)場(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合現(xiàn)行規(guī)范（SL62-2014）第3.1節(jié)的規(guī)定。灌漿用水應(yīng)遵守現(xiàn)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(shù)及終孔標(biāo)準(zhǔn)。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(gè)重要參數(shù)，是漿液在地層擴(kuò)散的能量，直接關(guān)系到灌漿質(zhì)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(guān)，一般為0.5MPa～1.0Mpa。灌漿的水泥漿流速15-40L/min，根據(jù)鉆孔巖石為灰?guī)r確定，巖層比較完整時(shí)采用一次性灌漿即可到達(dá)封堵要求；巖石裂隙強(qiáng)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(shù)為準(zhǔn)，壓力表讀數(shù)以中值為準(zhǔn)，壓力表指針擺動(dòng)范圍應(yīng)小于灌漿壓力的20%，擺動(dòng)幅度應(yīng)做記錄。灌漿自動(dòng)記錄儀應(yīng)記錄間隔時(shí)段內(nèi)灌漿壓力的平均值和最大值。為便于現(xiàn)場(chǎng)操作控制，進(jìn)漿管路上的壓力表應(yīng)注意進(jìn)漿管路上的壓力表距灌漿孔間的管路長(zhǎng)度不應(yīng)大于10m，以保證回漿管路上的壓力表值能較準(zhǔn)確反映灌段實(shí)際灌漿壓力。注入率不大于0.5L/min時(shí)，持續(xù)、穩(wěn)壓灌注時(shí)間不少于30分鐘，即可結(jié)束終孔灌漿[4]。

（5）其它。多孔灌漿順序?yàn)椋合裙酂o(wú)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(jìn)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(xiàn)新的滲漏出水點(diǎn)，則及時(shí)停止封堵灌漿并淺層灌漿新出現(xiàn)的出水點(diǎn)，處理完新的滲漏出水點(diǎn)后再恢復(fù)原孔的封堵灌漿工作。

3.2.3 鉆孔檢查

考慮水的流動(dòng)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(jìn)行補(bǔ)充灌漿。灌漿順利完成，掌子面的硫化氫監(jiān)測(cè)值小于10ppm，掌子面安裝的引排管也均不出水。灌漿結(jié)束24h后在做好安全防護(hù)的措施下實(shí)施鉆孔檢查，鉆孔主要針對(duì)裂隙出水區(qū)域周邊范圍布設(shè)，鉆孔后孔內(nèi)均無(wú)水，體現(xiàn)灌漿效果良好，后進(jìn)行壓水試驗(yàn)分析判斷灌漿封堵效果良好，滿足要求。

4.結(jié)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(xiàn)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(shè)施無(wú)法使用，灌漿封堵施工非常難，涌水處理不及時(shí)還可能造成隧洞淹沒，人員傷亡，造成工程項(xiàng)目暫停，后續(xù)處理難度大、用時(shí)長(zhǎng)。

涌水伴有硫化氫氣體濃度超標(biāo)，通過采用一送一吸的通風(fēng)方式，起到增大洞內(nèi)通風(fēng)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(xué)反應(yīng)能夠進(jìn)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(shù)，對(duì)出現(xiàn)涌水伴有硫化氫溢出的位置能夠有效實(shí)施灌漿封堵，同時(shí)增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性，經(jīng)過多次裂隙涌水現(xiàn)場(chǎng)封堵經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，重點(diǎn)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(shí)間和成本，推進(jìn)項(xiàng)目安全施工。對(duì)類似隧洞工程施工有非常適用的借鑒意義及參考價(jià)值。