浅析铁路隧道工程硫化氢气体防治技术

浅析铁路隧道工程硫化氢气体防治技术【摘要】：近年来，中国基础建设投资建设项目较多，大部分铁路工程建设项目由平原、丘陵等地带转移到相对欠发展的西部山岭地域，西部作为我国蕴藏丰富资源的部位，在其腹地修建铁路隧道工程，由于其复杂的地质特性，极大在施工过程遇到硫化氢、瓦斯等有毒有害气体，瓦斯作为常见的有害气体，在国内具有相对完善的技术手段和整治措施，但硫化氢气体在国内铁路隧道工程项目领域，尚未相应的技术措施，本文结合跃龙门隧道施工经历，浅析铁路隧道工程硫化氢气体的防止技术，为今后类似施工提供参考意见。【关键词】：隧道工程硫化氢防治1.前言2014年12月，成兰铁路（成都至兰州段）跃龙门隧道工程施工过程中，先后在跃龙门隧道所属的3#横洞、2#斜井工区闻到臭鸡蛋气味，随后邀请所在地环境监测站进行检测发现，洞内含有硫化氢气体，经连续检测硫化氢局部浓度达到117ppm，后立即采取措施，将硫化氢浓度降低到5ppm（国内相关工程无标准、规范）以后组织进行探索性施工。2.工程概况第11页共11页 跃龙门隧道为穿越龙门山活动断裂带的高风险隧道，为双线双洞分修隧道，左线全长19981m、右线全长20042m，单面上坡，最大埋深1450m。洞身通过地层主要为泥盆系（D）白云质灰岩，寒武系（∈1c）粉砂岩、磷灰岩，志留系（S）千枚岩、炭质千枚岩夹灰岩，晋宁期辉绿岩（β），震旦系（Z）硅质岩、页岩、炭质页岩夹灰岩、白云岩等；洞身共发育条5断层、2个向斜和2个背斜，其中1条为全新世活动断裂。辅助坑道采用“3横+2斜+1平”方案。不良地质为活动断裂、岩溶、高地应力、滑坡、岩堆、危岩落石、顺层、泥石流、有害气体、高地温、放射性等。3.硫化氢气体涌出情况跃龙门隧道围岩以千枚岩为主，夹炭质千枚岩、灰岩，围岩极破碎，地下水丰富。施工中发现跃龙门隧道二号斜井和三号横洞有异常的臭鸡蛋味，作业人员出现头晕，恶心，鼻、眼、喉咙呼吸道出现灼热般疼痛。经检测，跃龙门隧道二号斜井正洞右线小里程YD2K109+800掌子面浓度2～26PPm，左线刚进正洞，DK109+850掌子面浓度3～36PPm，严重超标，正洞右线大里程YD2K110+300处的浓度1～6PPm。请四川省川煤矿山装备检测有限公司在掌子面进行深孔探测围岩内硫化氢气体浓度，钻孔深度110m，经探孔检测，钻孔内围岩岩体内和地下水中释放出的硫化氢气体浓度为20～117ppm。跃龙门隧道三号横洞在HD3K0+980开始发现有异常的臭鸡蛋味，经检测出洞内硫化氢气体浓度为1～91.4ppm，出水口最大浓度达120ppm。硫化氢气体浓度最高在隧道底部及以上1.5m范围内，靠近掌子面和出水口最浓。根据超前探测情况和现场情况初步分析，隧道内的硫化氢气体主要来源于岩体裂隙中和地下水里释放出来的。第11页共11页 4.硫化氢属性及成因1）硫化氢属性硫化氢，分子式为H2S，分子量为34.076，标准状况下是一种易燃的酸性剧毒气体，相对密度为（空气=1）1.19。易溶于水，亦溶于醇类、石油溶剂和原油。燃点为292℃。硫化氢是无色、剧毒、酸性气体。有一种特殊的臭鸡蛋味，嗅觉阈值：0.00041ppm，20～30ppm时就出现强烈气味，100～50ppm时可以麻痹嗅觉神经。硫化氢气体能溶于水、乙醇及甘油中，化学性质不稳定。硫化氢燃烧时产生蓝色火焰，并产生有毒的二氧化硫气体，二氧化硫气体会损伤人的眼睛和肺。在空气充足时，燃烧生成SO2和H2O。硫化氢为易燃危化品，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸。与空气或氧气以适当的比例（4.3%～46%）混合就会爆炸。硫化氢是一种强烈的神经毒物，有剧毒，虽有恶臭，但极易使人嗅觉中毒而毫无察觉，这是因为硫化氢与细胞色素氧化酶中二硫键起作用，影响细胞氧化过程，导致组织缺氧。不但能使人体血液缺氧中毒，同时对眼睛及呼吸道黏膜具有强烈的刺激作用，能引起鼻炎、气管炎和肺气肿。硫化氢相对浓度危险度表表4-1序号浓度（ppm）反应11000-2000短时间内死亡2600一小时内死亡第11页共11页 3200-300一小时内急性中毒4100-200嗅觉麻痹550-100气管刺激、结膜炎60.41嗅到难闻的气味60.00041人开始嗅到臭味硫化氢气体危险区域等级划分表表4-2表3-3序号危险区域等级内容1极度危险区域当浓度≥502ppm时，会很快出现急性中毒，呼吸麻痹而死亡，此区域属于极度危险区域。2高度危险区域当硫化氢浓度介于198～502ppm时，可引发肺水肿、支气管炎及肺炎、头痛、头昏、恶心、呕吐、排尿困难，此区域属于高度危险区域。3中度危险区域当硫化氢浓度6.6～198ppm时，可出现眼急性刺激症状，稍长时间接触引起肺水肿，此区域属于中度危险区域。4低度危险区域当硫化氢浓度0～6.6ppm时，此区域属于低度危险区域。备注：此表摘自中国石油天然气股份有限公司《预防硫化氢中毒事故管理暂行规定》，隧道内按照出水点口高浓度判断。硫化氢气体控制等级划分表表4-3序号等级阈限值内容1安全浓度10ppm第11页共11页 几乎所有工作人员长期暴露都不会产生不利影响的某种有毒物质在空气中的最大浓度。硫化氢的阈值为15mg/m3（10ppm）2安全临界浓度20ppm工作人员在露天安全工作8h可接受的硫化氢最高浓度〔参考《海洋石油作业硫化氢防护安全要求》（1989）3危险临界浓度100ppm达到此浓度时，对生命和健康会产生不可逆转的或延迟性的影响〔参考《海洋石油作业硫化氢防护安全要求》（1989）4对生命或健康有即时危险的浓度300ppm任何有毒、腐蚀性或窒息性气体在大气中的浓度，达到此浓度会立刻对生命造成威胁，或对健康造成不可逆转的或滞后的不良影响，或将影响人员撤离危险环境的能力。备注：此表摘自《含硫化氢油气井井下作业推荐作》法SY/T6610-2005。硫化氢能使银、铜制品表面发黑。与许多金属离子作用，可生成不溶于水或酸的硫化物沉淀，它和许多非金属作用生成游离硫。2）硫化氢成因硫化氢主要来源于高含硫矿物，目前对硫化氢的研究比较薄弱，而且起步较晚，积累的有用分析资料也很少但仍有许多问题未能解决，通常根据硫化氢成因机理可将硫化氢分为：生物降解、微生物硫酸盐还原、硫酸盐热化学还原及热化学分解、岩浆成因。第11页共11页 综合判定本隧道硫化氢的成因为硫酸盐热化学还原（TSR）及岩浆作用二者耦合叠加共同成因，在极为复杂活跃的构造条件下沿着裂隙上升并和地下水相伴而行，其中深大断裂构造对硫化氢气体在地壳浅层重新分布起着控制作用，裂隙网络及地下水运移直接控制硫化氢气体分布段落及浓度。5.工程区硫化氢产生、运移、分布特征根据本隧道工程地质勘察成果及区域地质资料分析，跃龙门隧道H2S有害气体产生受控于本隧道特殊的地层岩性（含硫地层）及复杂活跃的地质构造，其中深大断裂构造起控制作用。区域内位于规模宏大、结构复杂的巨型推覆构造带即著名的龙门山构造带，从控制有害气体产生、运移、分布角度入手涉及的地层主要有志留系中上统茂县群（S2-3mx1）千枚岩、炭质千枚岩夹灰岩；寒武系下统清平组（∈1c）粉砂岩、磷灰岩；震旦系下统邱家河组（Zbq）硅质岩、页岩、炭质页岩夹灰岩、白云岩；晋宁期侵入岩（βμ）。褶皱主要有大屋基倒转背斜，老林口倒转复向斜、半山腰倒转复背斜；断层主要有千佛山断层。6.硫化氢气体防治技术本隧道在出水口位置硫化氢气体浓度较高，且在国内同类工程施工尚属首例，硫化氢含量较高、可能存在段落较长，本工程参照煤矿控制标准将限值设定为6.6ppm。通过以下措施，本工程至今未发生硫化氢中毒等相关事故。1）成立硫化氢管理领导小组第11页共11页 加强本标段硫化氢安全施工管理，根据目前硫化氢气体情况编制了硫化氢气体施工专项方案和应急预案，成立了硫化氢气体管理领导小组，全面负责本标段硫化氢防治工作安排。2）加强硫化氢气体监测根据对隧道内硫化氢气体浓度检测结果来分析，浓度严重超标，超过国家煤矿标准最大达18倍，对施工安全构成极大威胁，人体接触后就会产生非常大的伤害。为了保证隧道施工安全，按照业主要求立即安排专人用硫化氢气体检测仪器，对洞内硫化氢气体进行了时时监测，随时掌握洞内硫化氢气体浓度的变化。经检测，跃龙门隧道二号斜井洞内一般浓度2～14ppm，最高120ppm，三号横洞洞内浓度一般浓度1.5～8ppm，最高36.5ppm。跃龙门隧道硫化氢浓度管理按三级管理实施，当隧道内开挖工作面外任何一处硫化氢浓度低于6.6ppm（10mg/m3）时可进行正常施工，当达到6.6ppm时报警，当达到15ppm（30mg/m3）时停工检查并加强通风和喷洒生石灰雾处理。图1：现场监测跃龙门隧道采用超前探测及实时监测、固定监测与移动监测相结合方式进行，使用便携式有害气体检测报警仪和有害气体监测系统进行硫化氢监测，实现24h连续不间断地进行监测。3）加大施工通风能力和通风管理通过增加隔离通风道、大功率压入通风机和硫化氢气体涌出段巷道中增设射流风机等方式，加速巷道内风速，加强通风措施，所有风机必须处在不间断的高速运转状态下，保证风量满足，确保洞内空气循环速度。用通风稀释的方法将硫化氢气体浓度。第11页共11页 图2：设置隔离风道4）采用注浆进行封堵根据硫化氢气体易溶于水、易挥发的物理性质，及隧道内硫化氢气体来源于岩体裂隙中和地下水的特点，且地下水作为硫化氢的载体，采用8m深的径向注浆和超前预注浆封堵岩层裂隙及地下水，主要对隧道轮廓线外侧8mm范围进行封堵，减少硫化氢气体的溢出量，注浆封堵材料采用水泥水玻璃浆液。5）超前钻孔探测及预排放硫化氢气体对地质资料提供有水或断层、裂隙多预计有硫化氢气体积聚的地段，采用施作超前长探孔，探测及预排放硫化氢气体，防止硫化氢气体大量突出，以保证爆破时的安全。同时沿隧道掌子面打设加深炮孔，每隔1.5m钻5～6m长的深孔，孔径75mm，预排放岩体中局部裂隙中硫化氢气体，保证开挖施工安全。6）通过中和稀释降低有害气体浓度在工作面备足量的生石灰和碱性溶液，每个工作班在硫化氢易聚集处抛洒一遍，覆盖整个积水范围、出水点，同时在裂隙水出水点喷含有碱性溶液的水雾溶解硫化氢气体，降低其在空气中和洞内水中的浓度。7）喷水雾溶解稀释空气中硫化氢气体第11页共11页 当成型段回风巷道内硫化氢浓度较高时，采用每隔5m安装一组洒水喷雾装置进行全断面封闭式喷雾，不间断喷洒水雾，降低成型段施工通道中硫化氢气体浓度。当开挖爆破后，硫化氢气体溢出量较大时，采用喷雾车全断面覆盖喷雾降尘、降硫化氢浓度。图3：喷洁净水雾8）加强洞内施工排水并对外排水进行有毒物质无害处理巷道要保持经常性的排水，不应积水，及时把巷道积水排干，尽快将硫化氢气体排出洞外，以防气体溶于水而产生隐患。对排出洞外的水进行无害化处理后再排放，以保护环境。9）加强洞口门禁管理、严控人员防护用品使用按业主文件要求，跃龙门隧道两个工区按低瓦斯隧道工区进行洞口门禁管理，严禁采用一切明火作业。图4：监测数据分析在洞口安排3名值班员（24h不间断），对进人洞内的所有人员进行检耍严查火种，所有进洞人员防护用品佩戴，动火审批手续等。各洞口成立专业硫化氢气体监控组，所有监控人员经专业技术培训，24h值班检测，建立了检测记录台帐，形成硫化氢管理数据库，做到分工明确，责任明确，保证仪器精确度，一切情况直接向指挥或管理系统人员汇报。10）加强应急管理。第11页共11页 在检测出含有硫化氢气体后，组织指挥部技术骨干编制了跃龙门隧道阶段性施工风险评估报告、硫化氢气体中毒应急预案或现场处置方案，并配备发电机组、氧气袋、自救器等应急物资，并组织现场各级管理人员进行预案的培训，在2015年元月31日组织架子队对应急预案进行演练，现场演练严格按照方案进行，满足救援程序和现场管理要求。7.结论及建议1）国内尚无铁路隧道工程防治硫化氢有毒有害气体的控制标准，本隧道采取煤矿6.6ppm控制标准是否过于过高，建议在国内专家制定铁路工程、公路工程施工中硫化氢控制标准。2）硫化氢带有毒性、可燃性、爆炸性，本文主要采取的措施是为了防止硫化氢毒性，其可燃性、爆炸性也不应忽视，采取合理措施降低其浓度可对其进行效防治，满足现场施工条件要求。3）在设计文件中、施工组织设计中严格按照勘察文件及设计阶段风险评估报告，严格落实控制措施，加强防控。4）加强对现场各级人员安全意识培训，自觉佩戴好防护用品，有效控制各级人员的职业健康安全。5）储备相应的应急物资设备，加强应急预案的培训与演练，提高各级人员在发生硫化氢中毒、燃烧、爆炸等事故后机动性和处置能力。参考文献：[1]吴应明.华蓥山隧道有害气体检测与综合治理技术[J].现代隧道技术，2003，（4）：68-73[2]中华人民共和国国家标准.GB/T14848-93地下水质量标准[S].北京：中国建筑工业出版社，1993[3]中华人民共和国国家标准.GB/3838-2002地表水质量标准[S].北京：中国建筑工业出版社，2002第11页共11页 [4]中华人民共和国国家职业卫生标准.TJ36-1979工业企业设计卫生标准[S].北京：人民卫生出版社，1979[5]中华人民共和国国家职业卫生标准.GBZ2-2002工作场所有害因素职业接触限值[S].北京：人民卫生出版社，2002，1-9[6]中华人民共和国行业标准.煤矿安全规程[S].北京：中国法制出版社，2010[7]中华人民共和国行业标准.JTJ026.1-1999公路隧道通风照明设计规范[S].北京：人民交通出版社，2000第11页共11页