摘要：襄渝二線財神廟鐵路特長隧道應用超前探孔、分段接力通風、人工檢測和自動檢測相結合等多項措施，防止了瓦斯、硫化氫突出、積聚，防治了硫化氫中毒，保證了施工安全，取得了良好的效果
　　關鍵詞：隧道、瓦斯、硫化氫、防治措施。
　　
　　襄渝二線財神廟隧道鐵路隧道,隧道洞身地質構造復雜，圍巖多段分布有炭質片巖、石煤等軟弱圍巖，主要為云母石英片巖及石英云母片巖，呈互相狀及夾層狀分布，礦物成分主要為絹云母和石英等。在DZK239+372.7施工過程中發現瓦斯及硫化氫有害氣體，直接危及施工安全。
　　1工程概況
　　財神廟隧道位于漢江南岸、既有線左側，穿過范圍屬中低山區，自然山體高陡，溝谷發育，山體自然坡度較陡，溝谷及山崖基巖裸露，山坡上植被茂密。隧道起訖里程為DZK235+215～DZK242+848，全長7633m，其中磨溝斜井長574m，坡度10.1%，與正洞交點DZK239+000。襄渝鐵路地處華北古陸與揚子古陸的接合部位，地質構造十分復雜，在構造單元劃分上屬秦嶺褶皺系之南秦嶺印支褶皺帶。南秦嶺褶皺帶巖性以軟質巖層為主，由于受褶皺、斷層影響，產狀十分紊亂，巖層中節理、裂隙較為發育。
　　隧道洞身圍巖地質構造復雜，其中石煤形成于四億多年前，以“雞窩狀”和“透鏡狀”賦存。
　　在DZK239+372.7鉆眼過程中出現“臭雞蛋”味的不明氣體，經西安近代化學研究所分析測試中心對隧道內“臭雞蛋”味氣體進行現場取樣檢驗，檢驗結果為主要成分為甲烷，含少量的硫化氫。同時，委托西安煤炭科技研究院檢測巖石的含氣量，具體含氣量見表1。
　　巖樣瓦斯含量測試結果表1

　　
　　財神廟隧道在發現瓦斯的同時都有“臭雞蛋味”的氣體，用硫化氫專用檢測儀檢測最大達25ppm，超國家衛生標準10mg/m3（折合體積濃度約6.588ppm）約4倍，瓦斯最大濃度達9.6%，且發現逸出氣體還存在壓力，出氣點有“咝咝”的響聲，底板有氣泡。
　　
　　圖1現場瓦斯突出情況
　　2瓦斯、硫化氫性質
　　2.1瓦斯性質
　　瓦斯是隧道(或礦井)內有害氣體的總稱，其成分比較復雜，主要為甲烷（CH4，俗稱沼氣），占80%～90%，另外還含有其它的烴類以及CO2和稀有氣體。沼氣無色、無味、無毒，難溶于水，比空氣輕，遇火即燃燒或爆炸。
　　瓦斯爆炸必須同時具備3個條件:一是火源（火花的能量達到0.28毫焦，溫度在400℃～500℃以上）;二是氧氣(氧氣含量在12%以上)；三是瓦斯本身的濃度在5％～16％范圍內。
　　2.2硫化氫性質
　　硫化氫為無色氣體。具有臭蛋氣味。分子式H2S。分子量34.08。相對密度1.19。熔點-82.9℃。沸點-61.8℃。易溶于水,亦溶于醇類、石油溶劑和原油中。爆炸上限為45.5％,下限為4.3％。燃點292℃。
　　硫化氫是一種神經毒劑。亦為窒息性和刺激性氣體。其毒作用的主要靶器是中樞神經系統和呼吸系統，亦可伴有心臟等多器官損害，對毒作用最敏感的組織是腦和粘膜接觸部位。
　　3施工中存在問題
　　由于財神廟隧道區域內出露地層局部賦存“透鏡狀”和“雞窩狀”石煤，該石煤由古海洋生物形成，其中的瓦斯是石煤在炭化過程中形成。而煤是由植物腐爛、沉積、在一定的地壓下炭化作用下形成，其中的瓦斯是伴隨煤的形成而生成，古代的植物殘骸被水、泥沙埋沒后與空氣隔絕。在高溫、高壓的作用下，這些植物殘骸進行著長期緩慢的化學物理變化—泥炭化、炭化，最終就形成了煤炭，同時也生成氣狀產物，其主要成分為沼氣和二氧化碳等。屬于沉積巖系。因此財神廟隧道瓦斯施工存在以下問題：
　　(1)由于生成母體的差異，古海洋生物死體蛋白質含量較植物高，變質巖地層瓦斯氣體中含硫化氫含量較高。在發現瓦斯初期，就檢測到硫化氫濃度25ppm，超出國家衛生標準10mg/m3（折合體積濃度約為6.588ppm）約4倍。雖然硫化氫既為易燃易爆體氣，也為劇毒體氣，但其毒性濃度遠遠低于爆炸濃度，因此防治硫化氫的重點在防毒。
　　(2)通過野外調查，變質巖地層中的石煤呈雞窩狀或透鏡狀分布，分布范圍較小，具有間歇性、突發性。
　　(3)財神廟隧道施工過程中遇到的瓦斯濃度最大9.6%，為瓦斯爆炸威力最大濃度，施工風險較大。
　　4、防瓦斯、硫化氫突出及聚集施工技術
　　為了綜合防治財神廟隧道瓦斯、硫化氫，針對瓦斯的特性主要采取了防瓦斯積聚、突出、控制火源等措施；針對硫化氫的特性主要采取了防硫化氫積聚、防毒等措施。具體如下：
　　4.1防瓦斯、硫化氫突出措施
　　為了防止瓦斯、硫化氫突出，主要采取了地質評估和超前地質探孔。
　　通過地質評估，確定了石煤以“雞窩狀”或“透鏡狀”形式存在和該地層瓦斯的含量。
　　通過在掌子面“品”字形布置三個超前探孔（超前探孔每次鉆進30m，施工20m，預留10m的安全距離，再進行下一次的超前鉆孔），根據超前鉆孔的速度、石屑、有害氣體逸出情況等確定掌子面前方的地質情況，確定下一步施工措施和有害氣體的防止措施。另外根據掌子面的地質情況作好地質素描，判斷掌子面圍巖的穩定性，及時調整施工方法，保障了施工安全，防止有害氣體突出。
　　4.2防瓦斯、硫化氫聚積技術措施
　　4.2.1監控
　　（1）監測內容
　　根據財神廟隧道有害氣體的復雜性，把困擾施工的瓦斯(ＣＨ4)、硫化氫(Ｈ2Ｓ)作為主要監測對象，而把其它一些含量低、濃度小的有害氣體不作為監控對象。
　　（2）監測儀器
　　儀器名稱 型號 儀器特點 產地及用途 使用方法
　　光干涉甲烷測定儀 GWJ-1A 精度高，可探測探孔內濃度，測定范圍大。 國產測CH4 由值班瓦檢員攜帶測洞內各處
　　甲烷測定報警儀 JCB-AB 攜帶方便，具有聲光報警功能，適合管理人員使用。 國產測CH4 由值班瓦檢員和管理人員攜帶檢測洞內各處
　　硫化氫測定報警儀 TSI 攜帶方便，具有聲光報警功能，適合管理人員使用。 國產測H2S 由值班瓦檢員攜帶測洞內各處
　　自動監控 KJ-90 實時監控，及時傳輸數據。 國產測CH4和H2S 自動檢測并傳輸到值班室
　　（3）監測方式
　　瓦斯隧道監控方式主要分為三大類，即：人工監控、自動監控和人工監控和自動監控相結合，各種監控方式的優缺點詳見下表：
　　瓦斯、硫化氫氣體檢測方案對照表
　　檢測方案 優點 缺點 備注
　　人工檢測 ①操作簡單、攜帶方便、靈活性強；②價格低廉；③待機時間長。 ①檢測部位受限制，過高檢測不方便，要借助于其他物體；②數據和現場實際不能及時反映給洞外。③檢測數據受人的影響比較大。 
　　自動監測 ①數據精度高；②數據能及時反映給洞外，也可儲存；③可對洞內人員實時動態跟蹤監測；④停電后系統可工作2小時以上；⑤可自動實現風、電、瓦閉鎖功能。 ①只能測到探頭附近的數據，沒有靈活性；②無法靠近隧道開挖掌子面；③自動監控系統及傳感器成本費用比較高。 
　　人工檢測和自動檢測相互結合 ①檢測系統安全可靠；②數據及時反映現場實際。 ①費用比較高；②管理難度大。 
　　綜上所述，最終采用人工檢測與自動監測相結合的方案。自動監控采用煤礦用KJ90瓦斯監控系統，自動監控探頭安裝到硫化氫容易聚集的地方，探頭采集到的數據傳送到洞內分站，再由分站傳送到值班室總站。人工監控分三班，每班兩人，按照每1小時巡檢一次重點監控瓦斯容易聚集的地方，如掌子面、拱頂、洞室、下臺階等坑凹不平的地方。所有瓦檢人員均經過專業技術培訓。一切情況直接向調度指揮系統人員匯報。每作業班配置1名瓦檢員，負責本班作業區域和作業時間內瓦斯檢測工作。
　　濃度均超過了標準中許可的濃度，必須采取通風措施予以降低；通風后再行檢測,ＣＨ4的濃度降低到1.0(%)以下、H2S濃度降低到6ppm以下方可繼續施工,以保證施工安全。否則，停止施工，采取斷電、強通風措施，直到經過瓦檢員檢測符合要求才能恢復施工。
　　4.2.2通風
　　依據《鐵路瓦斯隧道技術規范》7.2.7要求：“瓦斯隧道施工中防止瓦斯積聚的風速不宜小于1m/s”，借鑒以往瓦斯隧道施工最低風速的成功案例，如：家竹箐瓦斯隧道回風風速0.5m/s、華鎣山瓦斯隧道0.5m/s，朱嘎瓦斯隧道0.5m/s，董家山隧道0.5m/s，結合財神廟隧道的實際情況確定最低風速按0.5m/s計算。按照稀釋瓦斯、硫化氫、最低風速、爆破、作業人員呼吸等方面對比計算,財神廟隧道磨溝斜井工區最大需風量為3315m3/min，出口方向最大需風量為2242.5m3/min,進口最大需風量為1072.5m3/min。經過通風方案比選，最終確定財神廟隧道磨溝斜井工區通風采用分段接力機械壓入、射流風機輔助的通風方式。
　　（1）通風系統
　　在DzK239+016～DzK239+046襯砌段設風室（見圖4），風室容積432m3，風室設置的原則為“進風量不能小于出風量，風室內不能出現負壓”。新鮮風流送到風室后，再由風室分送到工作面。風室在隧道拱部3m處形成封閉風室，底板和兩擋頭采用3mm鋼板焊接，采用I16工字鋼門架支撐。
　　在磨溝斜井距離洞口30m處安裝1臺高功率軸流風機通過φ1.8m雙抗風管（阻燃、抗靜電）將新鮮空氣送至正洞內的風室，再由風室兩側通過軸流風機分別將新鮮空氣通過φ1.5m雙抗風管（阻燃、抗靜電）風管送至掌子面。同時在斜井內設置兩臺射流風機，隧道進、出口向模板臺車處各設置一臺射流風機（通風系統及監控系統見圖5）。

　　圖4風室結構圖圖5通風及監控系統布置圖
　　（2）局部通風
　　在掌子面至模板臺車地段的死角、超挖嚴重、洞室等部位用森林滅火機將聚集的瓦斯吹出，使之與回風混合后排出。為確保風流循環速度需設置射流風機，誘導風向。
　　4.3硫化氫綜合防毒技術
　　硫化氫具有易燃、易爆、劇毒的性質。由于硫化氫的毒性濃度遠遠低于其燃燒、爆炸濃度，因此重點是防毒。防毒系統由通風系統、監測系統、個人防護、噴霧系統和急救系統五部分組成綜合防毒系統。
　　通風系統主要是為洞內作業人員供給新鮮空氣，同時稀釋硫化氫濃度；
　　檢測系統主要是監控洞內硫化氫易積聚部位濃度不能超標；
　　個人防護系統主要是所有洞內作業人員必須佩帶防毒防護用品，如防毒面罩、氧氣自救器。
　　噴霧系統是在開挖平臺上設置噴霧系統，在爆破之后，噴霧系統自動打開，濕潤洞渣，同時溶解空氣中的硫化氫。
　　急救系統是根據現場實際，項目部制定了切實可行的管管理制度和應急預案，成立了緊急應急急救小組，防止事故的擴大。
　　4.4防火措施
　　防火措施主要是防止明火產生，主要采取了以下措施：
　　（1）建立防火管理制度和用火管理制度，嚴禁攜帶易燃物品進洞，動用明火必須先申請，相關措施到位之后才能開始施工。
　　（2）爆破堅持“一炮三檢”，爆破器材采用煤礦需用炸藥和雷管。
　　（3）用電采用防爆開關、電纜采用不延燃橡套電纜，同時嚴禁電纜、用電器超負荷運轉，照明采用礦用防爆燈。
　　（4）出渣前先用水濕潤洞渣。
　　（5）各作業平臺安裝消防設備，洞內每50m安裝消防水管。
　　4.5其它措施
　　為了確保施工安全和以后的運營安全，在施工過程中還采取了以下措施：
　　（1）初期支護增加噴射混凝土厚度，由原設計的8cm增加到15cm；系統錨桿由φ22砂漿錨桿變為φ25的中空注漿錨桿；
　　（2）襯砌結構采用全封閉復合式襯砌，增加了混凝土厚度，由原設計的30cm增加到40cm；混凝土變為氣密性混凝土，氣密劑參量為水泥用量的12%；施工縫采用界面劑進行處理，界面劑性能不小于混凝土本體。
　　（3）防排水取消襯砌背后忙管，防止瓦斯逸出，影響運營安全；防水板厚度由原設計的1.2mm增加到2.0mm。
　　（4）施工供配電采用防爆設備；雙回路回路供電。
　　（5）采用風、瓦、電閉鎖技術。
　　5、施工效果
　　從發現瓦斯、硫化氫，到施工結束，1年多時間的施工檢驗，施工中所采取的措施科學有效。
　　（1）在對掌子面風速隨機檢測發現，掌子面稀釋瓦斯、硫化氫的風速均大于1.0m/s，證明通風系統設計可靠、有效，但隨著掘進距離的增大，風速逐漸降低。

　　圖6掌子面風速隨機檢測曲線圖
　　（2）雖然掌子面多次發生瓦斯和硫化氫濃度嚴重超標，但在回風流中的含量均沒有超標，瓦斯在回風流中的濃度從未超過0.1%，硫化氫的濃度從未超過3ppm，也證明通風系統設計可靠、有效。
　　（3）通過瓦斯、硫化氫通過人工檢測和自動檢測相結合，多次及時發現掌子面瓦斯、硫化氫局部濃度異常，及時采取應急措施，使施工安全得到保障。
　　（4）硫化氫防治方案成功有效，從發現硫化氫到財神廟隧道施工結束的一年多時間從未發生硫化氫中毒事故。
　　6、結束語
　　《鐵路瓦斯隧道技術規范》瓦斯隧道施工中規定防止瓦斯積聚的風速不宜小于1m/s，由于《煤規》中關于容許最低風速的規定,據不同巷道的功能對風速的規定為0.15m/s～1.0m/s。財神廟隧道現場實際采用0.5m/s，通過實踐檢驗能夠滿足瓦斯隧道防治的要求，建議在規范中明確瓦斯隧道最低風速，明確稀釋風流的速度為1m/s。
　　襄渝二線財神廟非煤系變質巖隧道瓦斯、硫化氫的成功防治經驗，尤其是分段接力通風和瓦斯檢測措施為以后類似工程施工具有一定借鑒作用。
　　
　　參考文獻：
　　《鐵路瓦斯隧道技術規范》（TB10120-2002）
　　《家竹等高瓦斯隧道施工通風研究》（張開鑫）
　　《硫化氫的危害與防治》（尹忠、廖剛、梁發書、陳集）