高原、高地溫隧道施工爆破及降溫措施的探討

苗永旺 陳佐林 彭學(xué)軍 李傳書(shū)

(中鐵五局集團(tuán)有限公司, 長(zhǎng)沙 410007)

拉林鐵路桑珠嶺隧道地處高原，施工揭示最高地溫達(dá)89.9℃，已達(dá)到本地區(qū)水的沸點(diǎn)，而國(guó)內(nèi)暫無(wú)高原缺氧耦合超高地溫隧道施工的經(jīng)驗(yàn)，因此對(duì)高原缺氧環(huán)境下高地溫隧道施工措施的研究尤為必要。

1 工程概況

拉林鐵路3標(biāo)段桑珠嶺隧道全長(zhǎng)16.449 km，位于唐古拉山與喜馬拉雅山之間的藏南高山河谷區(qū)，線路沿雅魯藏布江傍山而行，隧址區(qū)地面標(biāo)高 3 300～5 100 m,線位標(biāo)高3 540 m左右,隧道最大埋深 1 347 m，谷嶺相間、地勢(shì)起伏跌宕，屬高原山區(qū)，氣候極端惡劣。隧道穿越巖層以閃長(zhǎng)巖、花崗巖為主，區(qū)域板塊構(gòu)造活躍、地下熱源豐富(斷裂帶附近有76℃的溫泉出露)。開(kāi)挖揭示最高地溫達(dá)89.9℃，洞爆破后環(huán)境溫度達(dá)60℃。

2 高地溫段爆破技術(shù)措施

2.1 高溫爆破

現(xiàn)行GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》[1]只對(duì)超過(guò)60 ℃的高溫高硫礦井爆破做了專(zhuān)項(xiàng)規(guī)定，汪旭光編著的《爆破手冊(cè)》[2]也只對(duì)高溫硫化礦爆破和高溫凝結(jié)物解體爆破做出相應(yīng)規(guī)定，兩者均未對(duì)高溫隧道爆破做明確規(guī)定。根據(jù)多座高溫隧道的施工經(jīng)驗(yàn)，本文將隧道炮孔底溫度高于60 ℃情況下的爆破作業(yè)，稱(chēng)為高溫爆破。

2.2 爆破方案

現(xiàn)場(chǎng)選擇熱感度較好又能抗水的2號(hào)巖石乳化炸藥，導(dǎo)爆管雷管實(shí)現(xiàn)各孔間隔起爆。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到60℃時(shí)，普通導(dǎo)爆管出現(xiàn)軟化，性能不穩(wěn)定(現(xiàn)場(chǎng)多次出現(xiàn)拒爆)，采用高強(qiáng)度導(dǎo)爆管雷管(最高能耐80℃)和耐高溫導(dǎo)爆索(最高能耐120℃)等爆破器材。結(jié)合高原特別的氣候條件，增大安全儲(chǔ)備，對(duì)高溫段炮眼溫度分：50℃<炮孔內(nèi)溫度≤70℃、70℃<炮孔內(nèi)溫度≤120℃，進(jìn)行爆破方案設(shè)計(jì)。

以Ⅲ級(jí)圍巖為例，巖石堅(jiān)固性系數(shù)f=8～12，采用光面爆破，炮孔直徑42 mm，深度3.0 m，循環(huán)進(jìn)尺達(dá)2.8 m。本文主要以炮孔溫度大于70℃進(jìn)行說(shuō)明(參數(shù)不做詳細(xì)計(jì)算)。

2.2.1 50℃<炮孔內(nèi)溫度≤70℃

采用耐80℃高溫的高強(qiáng)度導(dǎo)爆管雷管代替普通導(dǎo)爆管雷管孔內(nèi)起爆。因高溫對(duì)爆破器材性能的影響，在施工現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常出現(xiàn)掏槽效果不理想、瞎炮等現(xiàn)象，在實(shí)際施工中，對(duì)掏槽眼和第一圈輔助眼采用雙雷管激發(fā)，同時(shí)加大輔助眼裝藥量(增加10%左右)。裝藥結(jié)構(gòu)以周邊眼示例，如圖1所示。

圖1 50℃<炮孔溫度≤70℃時(shí)周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 70℃<炮孔內(nèi)溫度≤120℃

當(dāng)孔溫超過(guò)80℃時(shí)，必須對(duì)爆破器材采取隔熱防護(hù)措施(裝藥前將藥卷用瀝青牛皮紙包裝完好)，裝藥時(shí)不應(yīng)與孔壁接觸，耐高溫導(dǎo)爆索應(yīng)捆于起爆藥包外，不得直接插入藥包，從孔內(nèi)裝藥至起爆的相隔時(shí)間不應(yīng)超過(guò)1 h。

炮孔數(shù)目及炸藥單耗量：隧道開(kāi)挖斷面約71 m2，根據(jù)理論計(jì)算，并結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，炮孔數(shù)目約150個(gè)，炸藥單耗約1.5 kg/m3。周邊孔采用孔內(nèi)耐120℃高溫的導(dǎo)爆索孔底反向起爆炸藥，非電毫秒雷管孔外延時(shí)的起爆方案。本方案孔間距取0.5 m，最小抵抗線W取0.6 m，不耦合系數(shù)D取1.31，線裝藥密度q取0.15 kg/m。周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 70℃<炮孔溫度≤120℃時(shí)周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

掏槽孔、底板眼、輔助眼的爆破參數(shù)，除孔內(nèi)起爆材料與常溫爆破不同外，其他參數(shù)無(wú)大差別。掏槽眼、底板眼及輔助眼裝藥結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 70℃<炮孔溫度≤120℃時(shí)掏槽眼、底板眼、輔助眼裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.3 起爆網(wǎng)絡(luò)

采用并簇連法。連接順序?yàn)椋嚎變?nèi)耐高溫導(dǎo)爆索(捆扎藥包)→孔外同段(需同時(shí)起爆孔)簇連雙發(fā)導(dǎo)爆管雷管起爆(或直接導(dǎo)爆管雷管連接，再同段簇連)→再簇連接至爆導(dǎo)爆雷管(雙發(fā))→接導(dǎo)爆管激發(fā)器起爆。起爆網(wǎng)絡(luò)連接示意如圖4所示。

圖4 起爆網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

3 高原、高地溫隧道降溫措施

隧道洞內(nèi)環(huán)境降溫的措施以通風(fēng)、放置冰塊為主，同時(shí)采取噴霧灑涼水、高溫水抽排、機(jī)械制冷、局部風(fēng)扇等綜合輔助措施。

結(jié)合以往高溫隧道施工經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)熱交換原理，以減少熱量傳遞進(jìn)入洞內(nèi)為原則，桑珠嶺隧道采用了以下降溫措施。

3.1 通風(fēng)降溫

根據(jù)蒙河鐵路毛坡良隧道高地溫施工經(jīng)驗(yàn)，通風(fēng)是降低高溫隧道施工環(huán)境溫度的主要措施。結(jié)合高原缺氧環(huán)境，洞內(nèi)風(fēng)速必須確保在0.5 m/s以上[3]，才能使人感覺(jué)舒適。采用增加通風(fēng)機(jī)、增設(shè)射流風(fēng)機(jī)、24 h通風(fēng)等措施，加大洞內(nèi)送風(fēng)量和新、舊風(fēng)的循環(huán)。風(fēng)口段風(fēng)管采用可收縮的軟管，盡量將出風(fēng)口接近掌子面。

以桑珠嶺隧道1號(hào)橫洞工區(qū)為例，設(shè)置4組(2×132) kW軸流風(fēng)機(jī)壓入式通風(fēng)(單個(gè)掌子面2組)，每 1 000 m設(shè)置(2×132) kW接力風(fēng)機(jī)，三角區(qū)設(shè)置1組(2×110) kW軸流風(fēng)機(jī)向洞外抽風(fēng)，正洞每間隔150 m設(shè)置1個(gè)(2×11) kW射流風(fēng)機(jī)加速洞內(nèi)空氣向洞外排放，如圖5所示。

圖5 桑珠嶺隧道施工通風(fēng)布置示意圖

隧道圍巖與風(fēng)流間的傳熱是一個(gè)復(fù)雜的不穩(wěn)定傳熱過(guò)程。隧道開(kāi)掘后，隨著時(shí)間的推移，圍巖被冷卻的范圍逐漸擴(kuò)大，其向風(fēng)流傳遞的熱量逐漸減少。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，隨著開(kāi)挖深度的增加，隧道洞內(nèi)施工條件明顯惡化，參考《高地溫隧道綜合施工技術(shù)研究報(bào)告》[4]，隧道圍巖與風(fēng)流間的傳熱量按壁面與流體間的對(duì)流換熱量公式計(jì)算，建立通風(fēng)計(jì)算模型(隧道熱源僅考慮高溫巖體散熱)。

(1)

式中:V——通風(fēng)流量，m3/s；

Cpm——空氣的平均定壓比熱容，

Cpm=1.00 KJ/(kg·℃)；

Kτ——圍巖與風(fēng)流間的不穩(wěn)定換熱系數(shù)，kW/(m2·℃)；可由巖石的導(dǎo)熱、導(dǎo)溫系數(shù)、開(kāi)挖斷面尺寸、通風(fēng)時(shí)間求出；

U——斷面周長(zhǎng)(隧道)(m)；

L1——距開(kāi)挖面長(zhǎng)度(m)；

t0——初始風(fēng)溫，大于風(fēng)管出口風(fēng)溫1～3℃，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)23℃；

tr——圍巖溫度，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)；

t——距工作面L1處的平均風(fēng)溫，可視為洞內(nèi)環(huán)境溫度。

取獨(dú)頭掘進(jìn) 1 100 m，巖溫73℃的典型斷面進(jìn)行驗(yàn)算，對(duì)隧道通風(fēng)效果進(jìn)行分析?，F(xiàn)場(chǎng)采用型號(hào)為SDF(c)-No13的通風(fēng)機(jī)2臺(tái)進(jìn)行通風(fēng)，風(fēng)機(jī)其額定風(fēng)量30.9 m3/s，全壓 4 180 Pa，功率(132×2) kW。

2臺(tái)風(fēng)機(jī)送至出口的額定風(fēng)量：

(2)

式中：β——百米漏風(fēng)率，β=1%；

L——通風(fēng)管長(zhǎng)度，L=1 100 m；

ξ1——高原折減，取0.8。

巖溫為73℃情況下，通風(fēng)0.5 h，求解距開(kāi)挖面75 m處環(huán)境溫度，t=42.6℃。

連續(xù)求解方程，得出洞內(nèi)環(huán)境溫度隨通風(fēng)時(shí)間變化的理論曲線，如圖6所示。

圖6 通風(fēng)環(huán)境溫度變化曲線

由圖6得知，隨著通風(fēng)時(shí)間的延長(zhǎng)，環(huán)境降溫效率急速衰減，總體向出風(fēng)口溫度接近。山南地區(qū)全年平均氣溫為5.8℃，最熱7、8月平均氣溫為13℃，受益于高原地區(qū)洞外低溫環(huán)境，通風(fēng)降溫效果較好，但風(fēng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離風(fēng)管后，出風(fēng)口溫度會(huì)進(jìn)一步升高。實(shí)際施工時(shí)設(shè)備運(yùn)行散熱、混凝土水化熱等會(huì)提升洞內(nèi)溫度。

3.2 冰塊降溫

現(xiàn)場(chǎng)建立制冰廠、儲(chǔ)冰室，成立制、運(yùn)冰班組，專(zhuān)職負(fù)責(zé)制冰、存儲(chǔ)、運(yùn)輸。在隧道開(kāi)挖臺(tái)車(chē)、防水板臺(tái)車(chē)、襯砌臺(tái)車(chē)等作業(yè)人員相對(duì)集中的地段設(shè)置冰架，每處冰架放置60塊冰，其余地段則每150 m設(shè)置冰架，不間斷補(bǔ)充冰塊。冰塊能一定程度上降低環(huán)境溫度，同時(shí)顯著改善作業(yè)人員體感舒適度，改善作業(yè)條件。

一般工業(yè)制冰機(jī)制作的冰塊溫度為-10 ℃，根據(jù)簡(jiǎn)單熱交換原理，計(jì)算出1 m3冰塊融化成水，可以使多少立方空氣降低1 ℃：

C冰m冰Δt冰=Cpmm空氣Δt空氣

(3)

式中:C冰——冰的比熱容，2.1 kJ/(kg·℃)；

Cpm——空氣的平均定壓比熱容，

Cmp=1.00 kJ/(kg·℃)；

Δt——溫度變化。

m空氣=2.1×900×10=18 900 kg

標(biāo)準(zhǔn)條件下空氣密度為1.297 kg/m3，在高原海拔 3 540 m左右，空氣密度約為標(biāo)準(zhǔn)空氣密度的60%～70%，取65%，換算成體積為 22 418 m3，換算成隧道長(zhǎng)度為234 m。即在理想狀態(tài)下，1 m3冰塊融化成水可以使234 m隧道溫度降低1 ℃。

現(xiàn)場(chǎng)1處冰架60塊冰(約0.83 m3)，完全融化需7 h(融化時(shí)間與冰塊多少密切相關(guān)，30塊冰融化僅需3 h)。經(jīng)實(shí)測(cè)，距冰架1 m處，環(huán)境溫度降低2 ℃～3 ℃。

3.3 灑水降溫

拉林鐵路地處高原，空氣干燥，洞外水溫較低，可利用冷水噴灑降溫。鋪設(shè)專(zhuān)用降溫水管，24 h灑水作業(yè)。噴頭每隔20 m設(shè)置1處，靠近掌子面地段和襯砌作業(yè)面加密設(shè)置。利用灑水車(chē)對(duì)爆破后的裸露巖面、炮碴及未襯砌段進(jìn)行灑水降溫，以洞壁濕潤(rùn)、炮碴淋透為原則，減少熱源。洞內(nèi)設(shè)保溫蓄水池收集各類(lèi)熱水，并及時(shí)抽排出洞，減少熱水洞內(nèi)漫流。

3.4 高溫?zé)崴榕?/h3>

為減少熱水在隧道內(nèi)流動(dòng)散熱，影響環(huán)境溫度，須進(jìn)行熱水處理。

(1)散狀熱水滲滴采用注漿封堵。

(2)股狀滲水采用引排方式匯入設(shè)置的臨時(shí)蓄水池。

(3)洞內(nèi)臨時(shí)排水溝須采用混凝土構(gòu)成，采用蓋板保溫等措施。按200 m間距設(shè)置蓄水池，對(duì)蓄水池采用遮蓋保溫，同時(shí)通過(guò)保溫水管，將熱水抽排至洞外，減少散熱。

4 其他綜合措施

(1)受高原缺氧與高地溫惡劣因素的耦合影響，隧道內(nèi)作業(yè)效率較低，為保證施工進(jìn)度，同時(shí)減少作業(yè)人員暴露在高溫、缺氧環(huán)境下的時(shí)間，現(xiàn)場(chǎng)采取增加人員輪流作業(yè)、減少每班作業(yè)時(shí)間等措施。

(2)加強(qiáng)對(duì)作業(yè)人員的健康檢查，做好現(xiàn)場(chǎng)醫(yī)療保障工作；制定高溫施工應(yīng)急預(yù)案，設(shè)置工地醫(yī)院，配備足夠防暑藥品、設(shè)備及醫(yī)務(wù)人員，并與地方三甲醫(yī)院建立應(yīng)急聯(lián)系；洞內(nèi)設(shè)置移動(dòng)休息室，安裝空調(diào)，配置防暑降溫應(yīng)急救援箱；保證作業(yè)人員在高溫環(huán)境下，能得到相應(yīng)的休息，及時(shí)恢復(fù)體力，以確保正常工作效率。

(3)發(fā)放勞保用品。給施工人員穿戴內(nèi)置冰塊的冰凍衣服；對(duì)高溫作業(yè)人員發(fā)放高溫津貼。

(4)受高原缺氧和高溫影響，機(jī)械設(shè)備故障率高、作業(yè)效率低，現(xiàn)場(chǎng)采取增加機(jī)械配置(配雙班)，增加機(jī)械維修、保障人員的方式解決。

5 結(jié)束語(yǔ)

高溫隧道施工作業(yè)空間狹窄，給隧道掘進(jìn)方式、通風(fēng)降溫、施工組織、后勤保障都帶來(lái)了難題。隨著基礎(chǔ)建設(shè)向高原復(fù)雜山區(qū)發(fā)展，將不可避免地遇到高地溫隧道(如川藏鐵路可能遇到超過(guò)100℃高地溫)。缺氧及高地溫因素的耦合影響，給隧道施工設(shè)備選型、爆破器材與爆破方案、施工降溫措施、施工組織、醫(yī)療保障等提出新的課題。本文為解決高原、高溫隧道施工難題提出了一些可行措施以供參考。但各類(lèi)熱源對(duì)隧道內(nèi)溫度場(chǎng)的影響、隧道內(nèi)“熱力”交換[5]、機(jī)械制冷降溫、隧道隔熱、高地溫對(duì)混凝土、防水板等結(jié)構(gòu)材料的影響，以及地?zé)嵩谶\(yùn)營(yíng)階段對(duì)設(shè)備和人員的影響程度等課題，仍有待進(jìn)一步研究。