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 彭學軍 李傳書

(中鐵五局集團有限公司, 長沙 410007)

拉林鐵路桑珠嶺隧道地處高原，施工揭示最高地溫達89.9℃，已達到本地區水的沸點，而國內暫無高原缺氧耦合超高地溫隧道施工的經驗，因此對高原缺氧環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標段桑珠嶺隧道全長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，線路沿雅魯藏布江傍山而行，隧址區地面標高 3 300～5 100 m,線位標高3 540 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，氣候極端惡劣。隧道穿越巖層以閃長巖、花崗巖為主，區域板塊構造活躍、地下熱源豐富(斷裂帶附近有76℃的溫泉出露)。開挖揭示最高地溫達89.9℃，洞爆破后環境溫度達60℃。

2 高地溫段爆破技術措施

2.1 高溫爆破

現行GB 6722-2014《爆破安全規程》[1]只對超過60 ℃的高溫高硫礦井爆破做了專項規定，汪旭光編著的《爆破手冊》[2]也只對高溫硫化礦爆破和高溫凝結物解體爆破做出相應規定，兩者均未對高溫隧道爆破做明確規定。根據多座高溫隧道的施工經驗，本文將隧道炮孔底溫度高于60 ℃情況下的爆破作業，稱為高溫爆破。

2.2 爆破方案

現場選擇熱感度較好又能抗水的2號巖石乳化炸藥，導爆管雷管實現各孔間隔起爆。當環境溫度達到60℃時，普通導爆管出現軟化，性能不穩定(現場多次出現拒爆)，采用高強度導爆管雷管(最高能耐80℃)和耐高溫導爆索(最高能耐120℃)等爆破器材。結合高原特別的氣候條件，增大安全儲備，對高溫段炮眼溫度分：50℃<炮孔內溫度≤70℃、70℃<炮孔內溫度≤120℃，進行爆破方案設計。

以Ⅲ級圍巖為例，巖石堅固性系數f=8～12，采用光面爆破，炮孔直徑42 mm，深度3.0 m，循環進尺達2.8 m。本文主要以炮孔溫度大于70℃進行說明(參數不做詳細計算)。

2.2.1 50℃<炮孔內溫度≤70℃

采用耐80℃高溫的高強度導爆管雷管代替普通導爆管雷管孔內起爆。因高溫對爆破器材性能的影響，在施工現場經常出現掏槽效果不理想、瞎炮等現象，在實際施工中，對掏槽眼和第一圈輔助眼采用雙雷管激發，同時加大輔助眼裝藥量(增加10%左右)。裝藥結構以周邊眼示例，如圖1所示。

圖1 50℃<炮孔溫度≤70℃時周邊眼裝藥結構示意圖

2.2.2 70℃<炮孔內溫度≤120℃

當孔溫超過80℃時，必須對爆破器材采取隔熱防護措施(裝藥前將藥卷用瀝青牛皮紙包裝完好)，裝藥時不應與孔壁接觸，耐高溫導爆索應捆于起爆藥包外，不得直接插入藥包，從孔內裝藥至起爆的相隔時間不應超過1 h。

炮孔數目及炸藥單耗量：隧道開挖斷面約71 m2，根據理論計算，并結合施工經驗，炮孔數目約150個，炸藥單耗約1.5 kg/m3。周邊孔采用孔內耐120℃高溫的導爆索孔底反向起爆炸藥，非電毫秒雷管孔外延時的起爆方案。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D取1.31，線裝藥密度q取0.15 kg/m。周邊眼裝藥結構，如圖2所示。

圖2 70℃<炮孔溫度≤120℃時周邊眼裝藥結構示意圖

掏槽孔、底板眼、輔助眼的爆破參數，除孔內起爆材料與常溫爆破不同外，其他參數無大差別。掏槽眼、底板眼及輔助眼裝藥結構，如圖3所示。

圖3 70℃<炮孔溫度≤120℃時掏槽眼、底板眼、輔助眼裝藥結構示意圖

2.2.3 起爆網絡

采用并簇連法。連接順序為：孔內耐高溫導爆索(捆扎藥包)→孔外同段(需同時起爆孔)簇連雙發導爆管雷管起爆(或直接導爆管雷管連接，再同段簇連)→再簇連接至爆導爆雷管(雙發)→接導爆管激發器起爆。起爆網絡連接示意如圖4所示。

圖4 起爆網絡連接示意圖

3 高原、高地溫隧道降溫措施

隧道洞內環境降溫的措施以通風、放置冰塊為主，同時采取噴霧灑涼水、高溫水抽排、機械制冷、局部風扇等綜合輔助措施。

結合以往高溫隧道施工經驗，根據熱交換原理，以減少熱量傳遞進入洞內為原則，桑珠嶺隧道采用了以下降溫措施。

3.1 通風降溫

根據蒙河鐵路毛坡良隧道高地溫施工經驗，通風是降低高溫隧道施工環境溫度的主要措施。結合高原缺氧環境，洞內風速必須確保在0.5 m/s以上[3]，才能使人感覺舒適。采用增加通風機、增設射流風機、24 h通風等措施，加大洞內送風量和新、舊風的循環。風口段風管采用可收縮的軟管，盡量將出風口接近掌子面。

以桑珠嶺隧道1號橫洞工區為例，設置4組(2×132) kW軸流風機壓入式通風(單個掌子面2組)，每 1 000 m設置(2×132) kW接力風機，三角區設置1組(2×110) kW軸流風機向洞外抽風，正洞每間隔150 m設置1個(2×11) kW射流風機加速洞內空氣向洞外排放，如圖5所示。

圖5 桑珠嶺隧道施工通風布置示意圖

隧道圍巖與風流間的傳熱是一個復雜的不穩定傳熱過程。隧道開掘后，隨著時間的推移，圍巖被冷卻的范圍逐漸擴大，其向風流傳遞的熱量逐漸減少。根據經驗，隨著開挖深度的增加，隧道洞內施工條件明顯惡化，參考《高地溫隧道綜合施工技術研究報告》[4]，隧道圍巖與風流間的傳熱量按壁面與流體間的對流換熱量公式計算，建立通風計算模型(隧道熱源僅考慮高溫巖體散熱)。

(1)

式中:V——通風流量，m3/s；

Cpm——空氣的平均定壓比熱容，

Cpm=1.00 KJ/(kg·℃)；

Kτ——圍巖與風流間的不穩定換熱系數，kW/(m2·℃)；可由巖石的導熱、導溫系數、開挖斷面尺寸、通風時間求出；

U——斷面周長(隧道)(m)；

L1——距開挖面長度(m)；

t0——初始風溫，大于風管出口風溫1～3℃，現場實測23℃；

tr——圍巖溫度，現場實測；

t——距工作面L1處的平均風溫，可視為洞內環境溫度。

取獨頭掘進 1 100 m，巖溫73℃的典型斷面進行驗算，對隧道通風效果進行分析?，F場采用型號為SDF(c)-No13的通風機2臺進行通風，風機其額定風量30.9 m3/s，全壓 4 180 Pa，功率(132×2) kW。

2臺風機送至出口的額定風量：

(2)

式中：β——百米漏風率，β=1%；

L——通風管長度，L=1 100 m；

ξ1——高原折減，取0.8。

巖溫為73℃情況下，通風0.5 h，求解距開挖面75 m處環境溫度，t=42.6℃。

連續求解方程，得出洞內環境溫度隨通風時間變化的理論曲線，如圖6所示。

圖6 通風環境溫度變化曲線

由圖6得知，隨著通風時間的延長，環境降溫效率急速衰減，總體向出風口溫度接近。山南地區全年平均氣溫為5.8℃，最熱7、8月平均氣溫為13℃，受益于高原地區洞外低溫環境，通風降溫效果較好，但風經過長距離風管后，出風口溫度會進一步升高。實際施工時設備運行散熱、混凝土水化熱等會提升洞內溫度。

3.2 冰塊降溫

現場建立制冰廠、儲冰室，成立制、運冰班組，專職負責制冰、存儲、運輸。在隧道開挖臺車、防水板臺車、襯砌臺車等作業人員相對集中的地段設置冰架，每處冰架放置60塊冰，其余地段則每150 m設置冰架，不間斷補充冰塊。冰塊能一定程度上降低環境溫度，同時顯著改善作業人員體感舒適度，改善作業條件。

一般工業制冰機制作的冰塊溫度為-10 ℃，根據簡單熱交換原理，計算出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

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

現場1處冰架60塊冰(約0.83 m3)，完全融化需7 h(融化時間與冰塊多少密切相關，30塊冰融化僅需3 h)。經實測，距冰架1 m處，環境溫度降低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。鋪設專用降溫水管，24 h灑水作業。噴頭每隔20 m設置1處，靠近掌子面地段和襯砌作業面加密設置。利用灑水車對爆破后的裸露巖面、炮碴及未襯砌段進行灑水降溫，以洞壁濕潤、炮碴淋透為原則，減少熱源。洞內設保溫蓄水池收集各類熱水，并及時抽排出洞，減少熱水洞內漫流。

3.4 高溫熱水抽排

為減少熱水在隧道內流動散熱，影響環境溫度，須進行熱水處理。

(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置的臨時蓄水池。

(3)洞內臨時排水溝須采用混凝土構成，采用蓋板保溫等措施。按200 m間距設置蓄水池，對蓄水池采用遮蓋保溫，同時通過保溫水管，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，隧道內作業效率較低，為保證施工進度，同時減少作業人員暴露在高溫、缺氧環境下的時間，現場采取增加人員輪流作業、減少每班作業時間等措施。

(2)加強對作業人員的健康檢查，做好現場醫療保障工作；制定高溫施工應急預案，設置工地醫院，配備足夠防暑藥品、設備及醫務人員，并與地方三甲醫院建立應急聯系；洞內設置移動休息室，安裝空調，配置防暑降溫應急救援箱；保證作業人員在高溫環境下，能得到相應的休息，及時恢復體力，以確保正常工作效率。

(3)發放勞保用品。給施工人員穿戴內置冰塊的冰凍衣服；對高溫作業人員發放高溫津貼。

(4)受高原缺氧和高溫影響，機械設備故障率高、作業效率低，現場采取增加機械配置(配雙班)，增加機械維修、保障人員的方式解決。

5 結束語

高溫隧道施工作業空間狹窄，給隧道掘進方式、通風降溫、施工組織、后勤保障都帶來了難題。隨著基礎建設向高原復雜山區發展，將不可避免地遇到高地溫隧道(如川藏鐵路可能遇到超過100℃高地溫)。缺氧及高地溫因素的耦合影響，給隧道施工設備選型、爆破器材與爆破方案、施工降溫措施、施工組織、醫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。但各類熱源對隧道內溫度場的影響、隧道內“熱力”交換[5]、機械制冷降溫、隧道隔熱、高地溫對混凝土、防水板等結構材料的影響，以及地熱在運營階段對設備和人員的影響程度等課題，仍有待進一步研究。