摘要：襄渝二线财神庙铁路特长隧道应用超前探孔、分段接力通风、人工检测和自动检测相结合等多项措施，防止了瓦斯、硫化氢突出、积聚，防治了硫化氢中毒，保证了施工安全，取得了良好的效果
关键词：隧道、瓦斯、硫化氢、防治措施。
襄渝二线财神庙隧道铁路隧道,隧道洞身地质构造复杂，围岩多段分布有炭质片岩、石煤等软弱围岩，主要为云母石英片岩及石英云母片岩，呈互相状及夹层状分布，矿物成分主要为绢云母和石英等。在DZK239+372.7施工过程中发现瓦斯及硫化氢有害气体，直接危及施工安全。
1工程概况
财神庙隧道位于汉江南岸、既有线左侧，穿过范围属中低山区，自然山体高陡，沟谷发育，山体自然坡度较陡，沟谷及山崖基岩裸露，山坡上植被茂密。隧道起讫里程为DZK235+215～DZK242+848，全长7633m，其中磨沟斜井长574m，坡度10.1%，与正洞交点DZK239+000。襄渝铁路地处华北古陆与扬子古陆的接合部位，地质构造十分复杂，在构造单元划分上属秦岭褶皱系之南秦岭印支褶皱带。南秦岭褶皱带岩性以软质岩层为主，由于受褶皱、断层影响，产状十分紊乱，岩层中节理、裂隙较为发育。
隧道洞身围岩地质构造复杂，其中石煤形成于四亿多年前，以“鸡窝状”和“透镜状”赋存。
在DZK239+372.7钻眼过程中出现“臭鸡蛋”味的不明气体，经西安近代化学研究所分析测试中心对隧道内“臭鸡蛋”味气体进行现场取样检验，检验结果为主要成分为甲烷，含少量的硫化氢。同时，委托西安煤炭科技研究院检测岩石的含气量，具体含气量见表1。
岩样瓦斯含量测试结果表1
财神庙隧道在发现瓦斯的同时都有“臭鸡蛋味”的气体，用硫化氢专用检测仪检测最大达25ppm，超国家卫生标准10mg/m3（折合体积浓度约6.588ppm）约4倍，瓦斯最大浓度达9.6%，且发现逸出气体还存在压力，出气点有“咝咝”的响声，底板有气泡。
图1现场瓦斯突出情况
2瓦斯、硫化氢性质
2.1瓦斯性质
瓦斯是隧道(或矿井)内有害气体的总称，其成分比较复杂，主要为甲烷（CH4，俗称沼气），占80%～90%，另外还含有其它的烃类以及CO2和稀有气体。沼气无色、无味、无毒，难溶于水，比空气轻，遇火即燃烧或爆炸。
瓦斯爆炸必须同时具备3个条件:一是火源（火花的能量达到0.28毫焦，温度在400℃～500℃以上）;二是氧气(氧气含量在12%以上)；三是瓦斯本身的浓度在5％～16％范围内。
2.2硫化氢性质
硫化氢为无色气体。具有臭蛋气味。分子式H2S。分子量34.08。相对密度1.19。熔点-82.9℃。沸点-61.8℃。易溶于水,亦溶于醇类、石油溶剂和原油中。爆炸上限为45.5％,下限为4.3％。燃点292℃。
硫化氢是一种神经毒剂。亦为窒息性和刺激性气体。其毒作用的主要靶器是中枢神经系统和呼吸系统，亦可伴有心脏等多器官损害，对毒作用最敏感的组织是脑和粘膜接触部位。
3施工中存在问题
由于财神庙隧道区域内出露地层局部赋存“透镜状”和“鸡窝状”石煤，该石煤由古海洋生物形成，其中的瓦斯是石煤在炭化过程中形成。而煤是由植物腐烂、沉积、在一定的地压下炭化作用下形成，其中的瓦斯是伴随煤的形成而生成，古代的植物残骸被水、泥沙埋没后与空气隔绝。在高温、高压的作用下，这些植物残骸进行着长期缓慢的化学物理变化—泥炭化、炭化，最终就形成了煤炭，同时也生成气状产物，其主要成分为沼气和二氧化碳等。属于沉积岩系。因此财神庙隧道瓦斯施工存在以下问题：
(1)由于生成母体的差异，古海洋生物死体蛋白质含量较植物高，变质岩地层瓦斯气体中含硫化氢含量较高。在发现瓦斯初期，就检测到硫化氢浓度25ppm，超出国家卫生标准10mg/m3（折合体积浓度约为6.588ppm）约4倍。虽然硫化氢既为易燃易爆体气，也为剧毒体气，但其毒性浓度远远低于爆炸浓度，因此防治硫化氢的重点在防毒。
(2)通过野外调查，变质岩地层中的石煤呈鸡窝状或透镜状分布，分布范围较小，具有间歇性、突发性。
(3)财神庙隧道施工过程中遇到的瓦斯浓度最大9.6%，为瓦斯爆炸威力最大浓度，施工风险较大。
4、防瓦斯、硫化氢突出及聚集施工技术
为了综合防治财神庙隧道瓦斯、硫化氢，针对瓦斯的特性主要采取了防瓦斯积聚、突出、控制火源等措施；针对硫化氢的特性主要采取了防硫化氢积聚、防毒等措施。具体如下：
4.1防瓦斯、硫化氢突出措施
为了防止瓦斯、硫化氢突出，主要采取了地质评估和超前地质探孔。
通过地质评估，确定了石煤以“鸡窝状”或“透镜状”形式存在和该地层瓦斯的含量。
通过在掌子面“品”字形布置三个超前探孔（超前探孔每次钻进30m，施工20m，预留10m的安全距离，再进行下一次的超前钻孔），根据超前钻孔的速度、石屑、有害气体逸出情况等确定掌子面前方的地质情况，确定下一步施工措施和有害气体的防止措施。另外根据掌子面的地质情况作好地质素描，判断掌子面围岩的稳定性，及时调整施工方法，保障了施工安全，防止有害气体突出。
4.2防瓦斯、硫化氢聚积技术措施
4.2.1监控
（1）监测内容
根据财神庙隧道有害气体的复杂性，把困扰施工的瓦斯(ＣＨ4)、硫化氢(Ｈ2Ｓ)作为主要监测对象，而把其它一些含量低、浓度小的有害气体不作为监控对象。
（2）监测仪器
仪器名称 型号 仪器特点 产地及用途 使用方法
光干涉甲烷测定仪 GWJ-1A 精度高，可探测探孔内浓度，测定范围大。 国产测CH4 由值班瓦检员携带测洞内各处
甲烷测定报警仪 JCB-AB 携带方便，具有声光报警功能，适合管理人员使用。 国产测CH4 由值班瓦检员和管理人员携带检测洞内各处
硫化氢测定报警仪 TSI 携带方便，具有声光报警功能，适合管理人员使用。 国产测H2S 由值班瓦检员携带测洞内各处
自动监控 KJ-90 实时监控，及时传输数据。 国产测CH4和H2S 自动检测并传输到值班室
（3）监测方式
瓦斯隧道监控方式主要分为三大类，即：人工监控、自动监控和人工监控和自动监控相结合，各种监控方式的优缺点详见下表：
瓦斯、硫化氢气体检测方案对照表
检测方案 优点 缺点 备注
人工检测 ①操作简单、携带方便、灵活性强；②价格低廉；③待机时间长。 ①检测部位受限制，过高检测不方便，要借助于其他物体；②数据和现场实际不能及时反映给洞外。③检测数据受人的影响比较大。
自动监测 ①数据精度高；②数据能及时反映给洞外，也可储存；③可对洞内人员实时动态跟踪监测；④停电后系统可工作2小时以上；⑤可自动实现风、电、瓦闭锁功能。 ①只能测到探头附近的数据，没有灵活性；②无法靠近隧道开挖掌子面；③自动监控系统及传感器成本费用比较高。
人工检测和自动检测相互结合 ①检测系统安全可靠；②数据及时反映现场实际。 ①费用比较高；②管理难度大。
综上所述，最终采用人工检测与自动监测相结合的方案。自动监控采用煤矿用KJ90瓦斯监控系统，自动监控探头安装到硫化氢容易聚集的地方，探头采集到的数据传送到洞内分站，再由分站传送到值班室总站。人工监控分三班，每班两人，按照每1小时巡检一次重点监控瓦斯容易聚集的地方，如掌子面、拱顶、洞室、下台阶等坑凹不平的地方。所有瓦检人员均经过专业技术培训。一切情况直接向调度指挥系统人员汇报。每作业班配置1名瓦检员，负责本班作业区域和作业时间内瓦斯检测工作。
浓度均超过了标准中许可的浓度，必须采取通风措施予以降低；通风后再行检测,ＣＨ4的浓度降低到1.0(%)以下、H2S浓度降低到6ppm以下方可继续施工,以保证施工安全。否则，停止施工，采取断电、强通风措施，直到经过瓦检员检测符合要求才能恢复施工。
4.2.2通风
依据《铁路瓦斯隧道技术规范》7.2.7要求：“瓦斯隧道施工中防止瓦斯积聚的风速不宜小于1m/s”，借鉴以往瓦斯隧道施工最低风速的成功案例，如：家竹箐瓦斯隧道回风风速0.5m/s、华蓥山瓦斯隧道0.5m/s，朱嘎瓦斯隧道0.5m/s，董家山隧道0.5m/s，结合财神庙隧道的实际情况确定最低风速按0.5m/s计算。按照稀释瓦斯、硫化氢、最低风速、爆破、作业人员呼吸等方面对比计算,财神庙隧道磨沟斜井工区最大需风量为3315m3/min，出口方向最大需风量为2242.5m3/min,进口最大需风量为1072.5m3/min。经过通风方案比选，最终确定财神庙隧道磨沟斜井工区通风采用分段接力机械压入、射流风机辅助的通风方式。
（1）通风系统
在DzK239+016～DzK239+046衬砌段设风室（见图4），风室容积432m3，风室设置的原则为“进风量不能小于出风量，风室内不能出现负压”。新鲜风流送到风室后，再由风室分送到工作面。风室在隧道拱部3m处形成封闭风室，底板和两挡头采用3mm钢板焊接，采用I16工字钢门架支撑。
在磨沟斜井距离洞口30m处安装1台高功率轴流风机通过φ1.8m双抗风管（阻燃、抗静电）将新鲜空气送至正洞内的风室，再由风室两侧通过轴流风机分别将新鲜空气通过φ1.5m双抗风管（阻燃、抗静电）风管送至掌子面。同时在斜井内设置两台射流风机，隧道进、出口向模板台车处各设置一台射流风机（通风系统及监控系统见图5）。
图4风室结构图图5通风及监控系统布置图
（2）局部通风
在掌子面至模板台车地段的死角、超挖严重、洞室等部位用森林灭火机将聚集的瓦斯吹出，使之与回风混合后排出。为确保风流循环速度需设置射流风机，诱导风向。
4.3硫化氢综合防毒技术
硫化氢具有易燃、易爆、剧毒的性质。由于硫化氢的毒性浓度远远低于其燃烧、爆炸浓度，因此重点是防毒。防毒系统由通风系统、监测系统、个人防护、喷雾系统和急救系统五部分组成综合防毒系统。
通风系统主要是为洞内作业人员供给新鲜空气，同时稀释硫化氢浓度；
检测系统主要是监控洞内硫化氢易积聚部位浓度不能超标；
个人防护系统主要是所有洞内作业人员必须佩带防毒防护用品，如防毒面罩、氧气自救器。
喷雾系统是在开挖平台上设置喷雾系统，在爆破之后，喷雾系统自动打开，湿润洞渣，同时溶解空气中的硫化氢。
急救系统是根据现场实际，项目部制定了切实可行的管管理制度和应急预案，成立了紧急应急急救小组，防止事故的扩大。
4.4防火措施
防火措施主要是防止明火产生，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，严禁携带易燃物品进洞，动用明火必须先申请，相关措施到位之后才能开始施工。
（2）爆破坚持“一炮三检”，爆破器材采用煤矿需用炸药和雷管。
（3）用电采用防爆开关、电缆采用不延燃橡套电缆，同时严禁电缆、用电器超负荷运转，照明采用矿用防爆灯。
（4）出渣前先用水湿润洞渣。
（5）各作业平台安装消防设备，洞内每50m安装消防水管。
4.5其它措施
为了确保施工安全和以后的运营安全，在施工过程中还采取了以下措施：
（1）初期支护增加喷射混凝土厚度，由原设计的8cm增加到15cm；系统锚杆由φ22砂浆锚杆变为φ25的中空注浆锚杆；
（2）衬砌结构采用全封闭复合式衬砌，增加了混凝土厚度，由原设计的30cm增加到40cm；混凝土变为气密性混凝土，气密剂参量为水泥用量的12%；施工缝采用界面剂进行处理，界面剂性能不小于混凝土本体。
（3）防排水取消衬砌背后忙管，防止瓦斯逸出，影响运营安全；防水板厚度由原设计的1.2mm增加到2.0mm。
（4）施工供配电采用防爆设备；双回路回路供电。
（5）采用风、瓦、电闭锁技术。
5、施工效果
从发现瓦斯、硫化氢，到施工结束，1年多时间的施工检验，施工中所采取的措施科学有效。
（1）在对掌子面风速随机检测发现，掌子面稀释瓦斯、硫化氢的风速均大于1.0m/s，证明通风系统设计可靠、有效，但随着掘进距离的增大，风速逐渐降低。
图6掌子面风速随机检测曲线图
（2）虽然掌子面多次发生瓦斯和硫化氢浓度严重超标，但在回风流中的含量均没有超标，瓦斯在回风流中的浓度从未超过0.1%，硫化氢的浓度从未超过3ppm，也证明通风系统设计可靠、有效。
（3）通过瓦斯、硫化氢通过人工检测和自动检测相结合，多次及时发现掌子面瓦斯、硫化氢局部浓度异常，及时采取应急措施，使施工安全得到保障。
（4）硫化氢防治方案成功有效，从发现硫化氢到财神庙隧道施工结束的一年多时间从未发生硫化氢中毒事故。
6、结束语
《铁路瓦斯隧道技术规范》瓦斯隧道施工中规定防止瓦斯积聚的风速不宜小于1m/s，由于《煤规》中关于容许最低风速的规定,据不同巷道的功能对风速的规定为0.15m/s～1.0m/s。财神庙隧道现场实际采用0.5m/s，通过实践检验能够满足瓦斯隧道防治的要求，建议在规范中明确瓦斯隧道最低风速，明确稀释风流的速度为1m/s。
襄渝二线财神庙非煤系变质岩隧道瓦斯、硫化氢的成功防治经验，尤其是分段接力通风和瓦斯检测措施为以后类似工程施工具有一定借鉴作用。
参考文献：
《铁路瓦斯隧道技术规范》（TB10120-2002）
《家竹等高瓦斯隧道施工通风研究》（张开鑫）
《硫化氢的危害与防治》（尹忠、廖刚、梁发书、陈集）
