高地溫隧道施工的爆破安全技術

朱胥仁，苗永旺，陳佐林，李傳書，曹振興，劉 鰲

(1.中鐵五局集團第一工程有限責任公司，長沙 410075；2.中南大學土木工程學院，長沙 410075)

我國西部地區的經濟增長迅速，公路與鐵路等基礎設施的建設工作也在迅速開展，隧道的里程、數量以及埋深等都在不斷增加。隨著隧道里程與深度的增加，高地溫問題越發的嚴重[1]。由于地熱的特點是分布廣泛、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行有不小的難度。

根據國內相關資料說明，地質溫度高于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,但隧道施工過程中的高地溫鉆爆技術研究較為缺乏。現有國內外高地溫隧道研究中，孔內溫度值多在30～50 ℃之間，其中我國在建的水工隧洞洞室巖溫一般在15～30 ℃之間。本文介紹的是環境溫度為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級模筑加強襯砌。隧道位于藏南谷地高山河谷區，線路沿雅魯藏布江桑加峽谷旁山而行；隧道地面標高3 300～5 100 m，線位標高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，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76 ℃)，存在高巖溫、高溫熱水，開挖揭示的孔內最高溫度達89.9 ℃，爆破后環境溫度達到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，對國內外類似的隧道鉆爆開挖施工有顯著的借鑒作用和指導意義。

1 高地溫環境的影響

1.1 施工條件惡劣

1)對施工人員的不良影響。根據現有高地溫隧道鉆爆開挖施工經驗，高地溫、高熱水惡劣地質條件下，施工人員在進入工作面后很快就會出現胸悶頭暈的癥狀，長時間在這種惡劣條件下工作甚至會眩暈嘔吐，同時因為洞內含氧量低，嚴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重降低爆破作業效率。

2)對施工機械的不良影響。高溫熱水涌出后將帶來大量的熱蒸汽，消耗了部分氧氣，使隧洞內氧氣含量下降，機械油料燃燒不完全，機械效率下降30 %左右，故障頻率上升，同時監控設備由于紅外線無法穿透地熱產生的水霧，有時無法正常工作，使得鉆孔效率大大降低。

1.2 爆破器材不穩定

炸藥的熱分解是一種緩慢的化學變化，反應溫度將對反應速度產生較大影響，通風條件不良的情況下，分解熱不易逸散，易致炸藥溫度在內部積累，進而加劇炸藥熱分解，使反應轉變為燃燒或爆炸[8]，極易造成重大事故。同時炸藥在高溫及熱水浸泡環境下產生膨脹、融化現象，溶化后產生刺激性硝銨氣味，對人體傷害非常大。其次導爆管、雷管等起爆器材也只能在一定的溫度范圍內才能正常使用，在高地熱環境下也可能失效導致炸藥發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狀，結合實際工程經驗，從“人、機、料、法”的影響對象出發，在安全為首要，兼顧成本和效率的統籌下，通過繪制魚骨圖的方式(見圖1)，從結果出發制定相應的控制措施，以期達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構Fig.1 High ground temperature tunnel drilling and blasting fishbone structure

2.1 降溫措施

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

1)加強通、排風設施。采用“四進一出”布置通風機24 h通風。洞內增設射流風機接力向外排風，加速洞內空氣流動及降溫。

現場測溫統計巖溫在75 ℃時，放炮后，環境溫度53 ℃左右，通風3 h，掌子面環境溫度降低至41 ℃左右，比理論計算溫度高3.1 ℃，通過理論計算雙組風機通風時間與環境溫度關系如表1所示。

表1 理論計算通風時間與環境空氣溫度關系

2)制冰降溫。根據熱力學交換原理，理論上1 m3冰完全融化，能使本隧道200 m距離內的空氣溫度下降1 ℃。因此，在隧道內每150 m以及二襯臺車、防水板臺車、掌子面附近堆碼冰塊。經實測通過放置冰塊能降低環境溫度2 ℃。

3)噴霧灑水降溫。隧道內采用高壓噴水管路，在作業期間進行噴霧灑水，降低隧道內環境溫度。現場實測灑水降低環境溫度1～2 ℃。最終將環境溫度降低至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和對爆破器材進行隔溫的被動防護，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是耐熱性高的炸藥，國內目前已經研制出一批耐熱強度高的炸藥如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，從經濟角度考慮，這不是最優選擇。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。根據現場試驗，普通導爆索、導爆管在環境溫度達到60 ℃時，出現軟化不穩定現象，多次出現盲炮。因此，現場普通導爆管、導爆索已禁止使用，根據不同溫度等級采用相應的高強導爆管。在桑珠嶺隧道鉆爆施工過程中，需要結合高原的氣候條件，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，普通導爆管雷管出現軟化性能不穩定，現場就多次出現拒爆，即需采用高強導爆管雷管(最高能耐80 ℃)；當大于70 ℃時則采用耐高溫導爆索(耐120 ℃)等爆破器材。

2.3 高地溫爆破裝藥結構

2.3.1 光面爆破基本參數

針對Ⅲ級(巖石堅固性系數f=8～12)圍巖在高溫下的爆破參數，除孔內起爆器材不一樣外，其他跟常溫狀態無大的差別。采用光面爆破，炮孔直徑42 mm，深度3.0 m，循環進尺達到2.8 m左右。

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

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

(1)

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

根據現場施工情況，計劃Ⅲ級圍巖鉆孔炮孔直徑42 mm，鉆孔深度達到3 m，循環進尺達到2.8 m以上。

Q=qSLη

(2)

式中：q為爆破1 m3巖石用藥量：Ⅲ級閃長花崗巖根據經驗為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，本設計取0.93；

經計算得：Q=1.5×71×3×0.93=297 kg。

2.3.2 爆破器材改進

一般來說防護材料由于制作成本較高，僅在小規模高溫爆破中使用。

針對高地溫環境下爆破材料的不穩定，結合實際經驗和試驗數據，對相比正常地溫下的爆破器材做了改進。

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

圖3 40～50 ℃時周邊孔裝藥結構Fig.3 Perimeter hole charge structure at 40～50 ℃

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

圖5 40～50 ℃時輔助孔裝藥結構Fig.5 Relief hole charge structure at 40～50 ℃

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

圖6 50～70 ℃時周邊孔裝藥結構Fig.6 Perimeter hole charge structure at 50～70 ℃

3)炮孔內溫度為70～120 ℃時，雖然有耐80 ℃的高強導爆管雷管，但在實際施工過程中，溫度超過70 ℃時，拒爆、盲炮等情況嚴重，因此在炮孔內溫度大于70 ℃時，采用導爆管毫秒雷管孔外延時激發導爆索，再由孔內耐120 ℃高溫的導爆索(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溫度，及時掌握孔溫變化規律；當溫度達到80 ℃時，必須對導爆索采取隔熱防護措施(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，不得直接插入藥包內，應置于起爆藥包外，裝藥開始至起爆間隔時間應控制在1 h以內；

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

圖7 70～120 ℃時周邊孔裝藥結構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構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”，而國內暫無適用孔內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 ℃高溫的導爆索置于孔內，在孔外采用導爆管雷管延時起爆。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 ℃時藥包及裝藥結構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)，應將藥包進行隔熱成型處理，采用耐高溫級別更高的導爆索孔內起爆，在孔外采用耐高強度導爆管雷管延時起爆。

3 起爆網路

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

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

圖10 起爆網路連接Fig.10 Detonating network connection

4 結語

通過采取綜合降溫措施降低施工環境溫度和炮孔溫度，有效解決了高溫環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置對應的器材和裝藥結構，保證了爆破器材在高溫環境下的穩定性；采取水壓爆破和選用并簇聯法的起爆網路，保證了爆破施工安全。對于高地溫隧道爆破施工技術的研究，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，積累了較為翔實的經驗數據，為類似工程的實施提供了借鑒。