高地溫隧道施工的爆破安全技術(shù)

朱胥仁，苗永旺，陳佐林，李傳書，曹振興，劉 鰲

(1.中鐵五局集團(tuán)第一工程有限責(zé)任公司，長沙 410075；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，長沙 410075)

我國西部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)增長迅速，公路與鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)工作也在迅速開展，隧道的里程、數(shù)量以及埋深等都在不斷增加。隨著隧道里程與深度的增加，高地溫問題越發(fā)的嚴(yán)重[1]。由于地?zé)岬奶攸c(diǎn)是分布廣泛、不集中、難以有效控制和利用難度大[2]，使得鉆爆開挖高地溫隧道的順利進(jìn)行有不小的難度。

根據(jù)國內(nèi)相關(guān)資料說明，地質(zhì)溫度高于30 ℃即可定義為高地溫[2]。高溫爆破的定義為炮孔底溫度超過60 ℃的爆破施工[3]。目前一些學(xué)者[4-7]基于露天煤礦爆破工程，研究了高地溫條件下的爆破施工技術(shù),但隧道施工過程中的高地溫鉆爆技術(shù)研究較為缺乏?，F(xiàn)有國內(nèi)外高地溫隧道研究中，孔內(nèi)溫度值多在30～50 ℃之間，其中我國在建的水工隧洞洞室?guī)r溫一般在15～30 ℃之間。本文介紹的是環(huán)境溫度為86.7 ℃的超高地溫川藏線拉林鐵路桑珠嶺隧道工程，尚屬首例。該隧道正洞D1K175+750～+910段采用V級活動斷裂隔熱襯砌，集水廊道內(nèi)凈空斷面尺寸3.4 m×3.7 m，穿越斷裂帶段采用V級模筑加強(qiáng)襯砌。隧道位于藏南谷地高山河谷區(qū)，線路沿雅魯藏布江桑加峽谷旁山而行；隧道地面標(biāo)高3 300～5 100 m，線位標(biāo)高3 550 m左右,隧道最大埋深1 347 m，谷嶺相間、地勢起伏跌宕，屬高原山區(qū)，氣候極端惡劣；桑珠嶺隧道里程為16.449 km，巖層以閃長巖、花崗巖為主，隧道附近有溫泉出露(最高水溫達(dá)76 ℃)，存在高巖溫、高溫?zé)崴_挖揭示的孔內(nèi)最高溫度達(dá)89.9 ℃，爆破后環(huán)境溫度達(dá)到56 ℃。對于如此超高地溫條件下隧道的鉆爆開挖，如何選取合適的爆破器材和采用最佳的爆破方案是難點(diǎn)所在，因此解決桑珠嶺隧道超高地溫鉆爆開挖安全控制的問題，對國內(nèi)外類似的隧道鉆爆開挖施工有顯著的借鑒作用和指導(dǎo)意義。

1 高地溫環(huán)境的影響

1.1 施工條件惡劣

1)對施工人員的不良影響。根據(jù)現(xiàn)有高地溫隧道鉆爆開挖施工經(jīng)驗(yàn)，高地溫、高熱水惡劣地質(zhì)條件下，施工人員在進(jìn)入工作面后很快就會出現(xiàn)胸悶頭暈的癥狀，長時間在這種惡劣條件下工作甚至?xí)瀲I吐，同時因?yàn)槎磧?nèi)含氧量低，嚴(yán)重影響施工人員的安全。所以在溫度為86.7 ℃的高地溫條件下，在影響施工人員安全的同時嚴(yán)重降低爆破作業(yè)效率。

2)對施工機(jī)械的不良影響。高溫?zé)崴砍龊髮泶罅康臒嵴羝牧瞬糠盅鯕?，使隧洞?nèi)氧氣含量下降，機(jī)械油料燃燒不完全，機(jī)械效率下降30 %左右，故障頻率上升，同時監(jiān)控設(shè)備由于紅外線無法穿透地?zé)岙a(chǎn)生的水霧，有時無法正常工作，使得鉆孔效率大大降低。

1.2 爆破器材不穩(wěn)定

炸藥的熱分解是一種緩慢的化學(xué)變化，反應(yīng)溫度將對反應(yīng)速度產(chǎn)生較大影響，通風(fēng)條件不良的情況下，分解熱不易逸散，易致炸藥溫度在內(nèi)部積累，進(jìn)而加劇炸藥熱分解，使反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿紵虮╗8]，極易造成重大事故。同時炸藥在高溫及熱水浸泡環(huán)境下產(chǎn)生膨脹、融化現(xiàn)象，溶化后產(chǎn)生刺激性硝銨氣味，對人體傷害非常大。其次導(dǎo)爆管、雷管等起爆器材也只能在一定的溫度范圍內(nèi)才能正常使用，在高地?zé)岘h(huán)境下也可能失效導(dǎo)致炸藥發(fā)生拒爆而留下安全隱患。

2 安全控制措施

在充分識別并分析高地溫桑珠嶺隧道鉆爆施工的研究現(xiàn)狀，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，從“人、機(jī)、料、法”的影響對象出發(fā)，在安全為首要，兼顧成本和效率的統(tǒng)籌下，通過繪制魚骨圖的方式(見圖1)，從結(jié)果出發(fā)制定相應(yīng)的控制措施，以期達(dá)到多方面減弱甚至消除高地溫對隧道鉆爆施工的不良影響。

圖1 高地溫隧道鉆爆魚骨結(jié)構(gòu)Fig.1 High ground temperature tunnel drilling and blasting fishbone structure

2.1 降溫措施

針對高地溫環(huán)境對人、機(jī)、料的不良影響均與溫度有關(guān)的問題，采取綜合降溫是首要措施。一是空調(diào)，非人工制冷方式，二是采用人工制冷，冷卻風(fēng)流措施(即空氣調(diào)節(jié))。人工制冷措施主要包括3個方面：①采用人工方式進(jìn)行通風(fēng)；②采用冷水系統(tǒng)對掌子面炮孔進(jìn)行降溫；③采用噴霧降溫系統(tǒng)進(jìn)行降溫[10]。因此，在桑珠嶺隧道鉆爆施工過程中采用了相應(yīng)的具體降溫措施。

1)加強(qiáng)通、排風(fēng)設(shè)施。采用“四進(jìn)一出”布置通風(fēng)機(jī)24 h通風(fēng)。洞內(nèi)增設(shè)射流風(fēng)機(jī)接力向外排風(fēng)，加速洞內(nèi)空氣流動及降溫。

現(xiàn)場測溫統(tǒng)計巖溫在75 ℃時，放炮后，環(huán)境溫度53 ℃左右，通風(fēng)3 h，掌子面環(huán)境溫度降低至41 ℃左右，比理論計算溫度高3.1 ℃，通過理論計算雙組風(fēng)機(jī)通風(fēng)時間與環(huán)境溫度關(guān)系如表1所示。

表1 理論計算通風(fēng)時間與環(huán)境空氣溫度關(guān)系

2)制冰降溫。根據(jù)熱力學(xué)交換原理，理論上1 m3冰完全融化，能使本隧道200 m距離內(nèi)的空氣溫度下降1 ℃。因此，在隧道內(nèi)每150 m以及二襯臺車、防水板臺車、掌子面附近堆碼冰塊。經(jīng)實(shí)測通過放置冰塊能降低環(huán)境溫度2 ℃。

3)噴霧灑水降溫。隧道內(nèi)采用高壓噴水管路，在作業(yè)期間進(jìn)行噴霧灑水，降低隧道內(nèi)環(huán)境溫度。現(xiàn)場實(shí)測灑水降低環(huán)境溫度1～2 ℃。最終將環(huán)境溫度降低至38 ℃左右。

4)炮孔降溫。高地溫隧道爆破時，在爆破前預(yù)先通過在炮孔中注水的措施將炮孔溫度降到80 ℃以下，然后在溫度回升到80 ℃之前快速完成裝藥、充填和起爆等工作，保證爆破的安全性。

譯文：Stability is of overriding importance.We should ensure stable growth,maintain employment,and prevent risks.To ensure overall economic and social stability,we must not allow the redline to be crossed concerning financial security,people’s well-being,or environmental protection.

2.2 爆破器材的選擇

圍繞“料”的影響研究可知，提高爆破器材本身耐溫性能的主動防護(hù)和對爆破器材進(jìn)行隔溫的被動防護(hù)，才能滿足高地溫爆破的施工要求。

1)炸藥的選擇。高地溫隧道爆破首選應(yīng)是耐熱性高的炸藥，國內(nèi)目前已經(jīng)研制出一批耐熱強(qiáng)度高的炸藥如PCS等，但此類炸藥制作成本相對較高，由于隧道鉆爆開挖需要的炸藥量巨大，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，這不是最優(yōu)選擇。因此，通過綜合考慮耐熱效果、成本及爆破效果，選擇采用2#巖石乳化炸藥。

2)起爆器材的選擇。根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)，普通導(dǎo)爆索、導(dǎo)爆管在環(huán)境溫度達(dá)到60 ℃時，出現(xiàn)軟化不穩(wěn)定現(xiàn)象，多次出現(xiàn)盲炮。因此，現(xiàn)場普通導(dǎo)爆管、導(dǎo)爆索已禁止使用，根據(jù)不同溫度等級采用相應(yīng)的高強(qiáng)導(dǎo)爆管。在桑珠嶺隧道鉆爆施工過程中，需要結(jié)合高原的氣候條件，增大起爆器材的安全儲備，對高溫段炮孔溫度分：40 ～50 ℃、50 ～70 ℃、70 ～120 ℃。常溫下(小于50 ℃)選擇導(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，普通導(dǎo)爆管雷管出現(xiàn)軟化性能不穩(wěn)定，現(xiàn)場就多次出現(xiàn)拒爆，即需采用高強(qiáng)導(dǎo)爆管雷管(最高能耐80 ℃)；當(dāng)大于70 ℃時則采用耐高溫導(dǎo)爆索(耐120 ℃)等爆破器材。

2.3 高地溫爆破裝藥結(jié)構(gòu)

2.3.1 光面爆破基本參數(shù)

針對Ⅲ級(巖石堅固性系數(shù)f=8～12)圍巖在高溫下的爆破參數(shù)，除孔內(nèi)起爆器材不一樣外，其他跟常溫狀態(tài)無大的差別。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)到2.8 m左右。

圖2 圍巖開挖炮孔布置Fig.2 Layout of blasthole for surrounding rock excavation

炮孔數(shù)目與掘進(jìn)斷面、巖石性質(zhì)、炮孔直徑、炮孔深度和炸藥性能等因素有關(guān)。通常理論上按下公式估算：

(1)

式中：N為炮孔個數(shù)；f為巖石堅固性系數(shù)，本方案取f=12；S為隧道掘進(jìn)斷面面積，為71 m2。

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，計劃Ⅲ級圍巖鉆孔炮孔直徑42 mm，鉆孔深度達(dá)到3 m，循環(huán)進(jìn)尺達(dá)到2.8 m以上。

Q=qSLη

(2)

式中：q為爆破1 m3巖石用藥量：Ⅲ級閃長花崗巖根據(jù)經(jīng)驗(yàn)為1.4～1.8 kg/ m3，取1.5 kg/m3；S為開挖斷面積，71 m2；L為鑿孔深度，取3 m；η為炮孔利用率，一般為0.8～0.95，本設(shè)計取0.93；

經(jīng)計算得：Q=1.5×71×3×0.93=297 kg。

2.3.2 爆破器材改進(jìn)

一般來說防護(hù)材料由于制作成本較高，僅在小規(guī)模高溫爆破中使用。

針對高地溫環(huán)境下爆破材料的不穩(wěn)定，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對相比正常地溫下的爆破器材做了改進(jìn)。

1)炮孔內(nèi)溫度40～50 ℃時，采用孔底反向起爆，并在周邊孔和掏槽孔采取孔內(nèi)加設(shè)低溫水袋的水壓爆破方式(見圖3～圖5)。

圖3 40～50 ℃時周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)Fig.3 Perimeter hole charge structure at 40～50 ℃

圖4 40～50 ℃時掏槽孔及底板孔裝藥結(jié)構(gòu)Fig.4 Charge structure of cut hole and bottom hole at 40～50 ℃

圖5 40～50 ℃時輔助孔裝藥結(jié)構(gòu)Fig.5 Relief hole charge structure at 40～50 ℃

2)炮孔內(nèi)溫度50～70 ℃時，采用耐80 ℃的高強(qiáng)導(dǎo)爆管、導(dǎo)爆索，孔底反向起爆(見圖6)。

圖6 50～70 ℃時周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)Fig.6 Perimeter hole charge structure at 50～70 ℃

3)炮孔內(nèi)溫度為70～120 ℃時，雖然有耐80 ℃的高強(qiáng)導(dǎo)爆管雷管，但在實(shí)際施工過程中，溫度超過70 ℃時，拒爆、盲炮等情況嚴(yán)重，因此在炮孔內(nèi)溫度大于70 ℃時，采用導(dǎo)爆管毫秒雷管孔外延時激發(fā)導(dǎo)爆索，再由孔內(nèi)耐120 ℃高溫的導(dǎo)爆索(裝在鋼管中)孔底反向起爆炸藥的起爆方案。

因此要提前測量工作面與炮孔內(nèi)溫度，及時掌握孔溫變化規(guī)律；當(dāng)溫度達(dá)到80 ℃時，必須對導(dǎo)爆索采取隔熱防護(hù)措施(裝藥前將藥卷用瀝青牛皮紙包裝完好)，裝藥時不應(yīng)與孔壁接觸，不得直接插入藥包內(nèi)，應(yīng)置于起爆藥包外，裝藥開始至起爆間隔時間應(yīng)控制在1 h以內(nèi)；

采用耐120 ℃高溫的導(dǎo)爆管、導(dǎo)爆索時，需要改進(jìn)裝藥結(jié)構(gòu)(見圖7～圖8)，利用導(dǎo)爆索引爆炸藥，即將導(dǎo)爆索與炸藥裝入炮孔內(nèi)，由雷管在炮孔口進(jìn)行激發(fā)導(dǎo)爆索，導(dǎo)爆索在孔底反向起爆炸藥。

圖7 70～120 ℃時周邊孔裝藥結(jié)構(gòu)Fig.7 Perimeter hole charge structure at 70～120 ℃

圖8 70～120 ℃時掏槽孔、底板孔以及輔助孔裝藥結(jié)構(gòu)Fig.8 Charge structure of cut hole, bottomhole and rolief hole at 70～120 ℃

因隧道開挖特殊性，工作面掏槽孔及周邊孔等須采取“延時起爆”，而國內(nèi)暫無適用孔內(nèi)高溫起爆的毫秒延時雷管，為解決高地溫隧道爆破施工中炮孔內(nèi)溫度高于120 ℃的問題，利用已有的耐高溫特種爆破器材，將耐200 ℃高溫的導(dǎo)爆索置于孔內(nèi)，在孔外采用導(dǎo)爆管雷管延時起爆。藥卷采用絕熱材料包裝隔熱，加工成條形藥包，并綁扎在木桿或竹片上，便于每孔一次推送裝藥(見圖9)。

圖9 高于120 ℃時藥包及裝藥結(jié)構(gòu)Fig.9 The explosive package and charge structure when the temperature is over 120 ℃

炮孔底部溫度高于200 ℃條件下(可能性極小)，應(yīng)將藥包進(jìn)行隔熱成型處理，采用耐高溫級別更高的導(dǎo)爆索孔內(nèi)起爆，在孔外采用耐高強(qiáng)度導(dǎo)爆管雷管延時起爆。

3 起爆網(wǎng)路

在高地溫隧道的開挖中，高溫的環(huán)境導(dǎo)致施工人員的工作效率較低以及施工機(jī)械的故障率較高，會間接導(dǎo)致掏槽孔的掏槽效果往往不太理想，同時由于高地溫環(huán)境對炸藥的不良影響，易出現(xiàn)盲炮的現(xiàn)象。因此，桑珠嶺隧道爆破開挖的起爆網(wǎng)路采用并簇連法，有效解決了掏槽效果不理想、盲炮的問題，保障了進(jìn)尺效果以及施工進(jìn)度。

并簇連法施工時，孔內(nèi)耐高溫導(dǎo)爆索→孔外同段簇連雙發(fā)非電雷管起爆(或直接非電雷管連接，再同段非電雷管簇連)→同段非電雷管雙發(fā)簇連→雙發(fā)導(dǎo)爆管激發(fā)器起爆。

圖10 起爆網(wǎng)路連接Fig.10 Detonating network connection

4 結(jié)語

通過采取綜合降溫措施降低施工環(huán)境溫度和炮孔溫度，有效解決了高溫環(huán)境對施工人員及爆破器材不良影響的問題；針對不同的溫度等級設(shè)置對應(yīng)的器材和裝藥結(jié)構(gòu)，保證了爆破器材在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性；采取水壓爆破和選用并簇聯(lián)法的起爆網(wǎng)路，保證了爆破施工安全。對于高地溫隧道爆破施工技術(shù)的研究，較好地解決了桑珠嶺隧道穿越高地溫洞段的鉆爆施工安全控制難題，確保了桑珠嶺隧道的全線貫通，積累了較為翔實(shí)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為類似工程的實(shí)施提供了借鑒。