超高地热条件下特长引水隧洞钻爆开挖关键技术

臧洪敏

(山东省路桥集团有限公司，山东济南 250021)

1 工程概况

娘拥水电站的引水隧洞全长15 406.313 m，穿过热水断层，受热水断层的影响，1号施工支洞及引水隧洞的施工期间洞室内温度异常，爆破后岩体表面温度达75℃，炮孔涌水温度高达86℃，洞内环境温度高达53℃，其地温之高、长度之大在国内外隧洞施工中实属罕见。

2 超高地热对钻爆开挖施工的影响

1)安全效果。

炸药在高温及热水浸泡环境下产生膨胀、溶化现象;溶化后产生刺激性硝铵气味，对人体伤害非常大;毫秒雷管在高温及热水作用下产生软化，发生哑炮甚至自爆。

2)进度控制。

由于钻爆作业时间长，爆破作业工人疲劳程度大，爆破作业安全无法得到完全保证。洞挖实际进度保持在30 m/月～45 m/月。

3)洞挖质量。

基本满足质量要求，但受地热影响，光爆效果的改善难度大。

4)主要材料消耗量变化情况。

受地热的影响炸药威力下降明显，爆破消耗量增大。

5)工人轮换作业、专人负责掌子面的喷水降温，人工费增加明显;掌子面喷洒冷水时常有岩块脱落，需边工作边排险，给钻爆作业增加了困难，并进一步加大了成本。

3 超高地热段钻爆开挖施工设计

据SD 267-88水利水电建筑安装安全技术工作规程第6.1.13条规定:“孔内温度超过35℃时禁止装炮。”引水隧洞地热段开挖必须降低钻孔温度，同时缩短从钻孔、装药到爆破时间，保证炸药在限制温度下使用及爆炸效果，调整开挖方案以及管理制度，保证工人劳动安全，并提高掘进速度，形成快速钻爆技术。

1)必须满足的必要条件。

须通过集中快速装药和孔内装药、孔外起爆的方法，经过反复试验，建立炮孔冷却循环系统，使炮孔内温度可降低至25℃，爆破前孔内温度回升至不超过35℃。

2)一次开挖断面的选择。

为缩短装药时间，分为上、下两个台阶进行开挖。上台阶和下台阶先后钻爆施工，每个爆破工在半小时内掌子面装药数量不超过5个炮孔，上台阶炮孔数量50个，钻爆工数量10个人可满足在半个小时内完成装药爆破的工作。在装药过程中要明确每个炮工装药的具体孔位和数量。

3)爆破参数的选择。

由于地热段处于热水断层内，本身围岩就比较破碎，加之地热对岩石的物理化学性能产生一定影响，更加降低了岩石的强度。在爆破时应采用“短进尺、弱爆破、早封闭、强支护、勤量测”的方法，控制一次装药量，减少对围岩的扰动，缩短装药时间，保障作业安全。爆破参数的选择要根据围岩类别及时调整。

4)装药结构的选择。

采用孔内装药、孔外起爆的方法。孔内装药采用将炸药装入硬塑料管内的办法，硬塑料管直径为40 mm，先将φ32 mm的炸药绑在导爆索上，将绑好的导爆索和炸药预先装入硬塑料管，再将硬塑料管插入炮孔内，硬塑料管装入炮孔后保证导爆索在孔外的长度不小于50 cm，以便于孔外联线。采用硬塑料管装药不仅可以缩短装药时间，还可以防止岩石热传导，起到隔热的作用。

尽量避免导爆管雷管在炮孔内直接接触岩石，防止雷管因高温产生自爆，或导爆管脚线遇高温软化变形产生拒爆。

孔外联线的方法:将炮孔外露出的导爆索和导爆管雷管用胶带捆绑在一起，再按照正常情况下联线方式起爆即可。

5)装药爆破安全措施。

防止热痉挛症、热虚脱症、热射症。为加强对施工人员的保护，保证正常施工，采用轮班制进行开挖爆破，即每个开挖工序由两班爆破人员轮换施工，一班人员施工2 h～3 h后，然后由另一班人员接替施工。

4 炮孔冷却循环系统的建立

依靠通风风流很难降低孔内温度，必须建立炮孔冷却循环系统，即向每个炮孔内注入冷水，降低炮孔内温度，并通过集中快速装药，在温度回升到临界温度前完成爆破作业。隧道管线布置剖面图见图1。炮孔冷却循环系统建立如图2，图3所示。

图1 隧道管线布置剖面图

炮孔冷却循环系统由抽水输送系统，分散制冷系统，抽水输出系统三部分组成。

1)抽水输送系统。

由抽水装置和输送管道组成。根据现场实际情况，在支洞口靠近河右岸处建造一个泵房，抽取河内的冷水进行制冷，泵房内安装两台20 kW的离心水泵，并备用2台，从泵房到主洞下游掌子面铺设φ150 mm(δ=4.5 mm)的无缝钢管，钢管长度依据地热段长度不断向前延伸，距离掌子面不超过30 m，在输水管端部焊接出4个分水闸阀，通过橡胶软管分别连接到钻孔台车上，分水闸阀采用φ50钢管，橡胶软管采用φ60的喷浆胶管。

图2 炮孔冷却系统正面布置图

图3 炮孔冷却系统侧面布置图

2)分散制冷系统。

在钻孔台车上安装4个分水器，分水器长度为0.8 m，采用φ150 mm钢管加工而成，两端用钢板密封。在每个分水器上焊接22个分水闸阀，闸阀采用φ20 mm球阀。然后通过φ30 mm的橡胶软管连接，φ20 mm的镀锌钢管通入每个炮孔内，每根橡胶软管长度为10 m，每根镀锌钢管长度为3 m。在通水冷却过程中，随时对孔内温度进行检测，当温度降到25℃以下时进行装药，在孔内温度回升至35℃以下时完成爆破作业。

3)抽水输出系统。

在距离掌子面25 m～40 m处开挖一集水坑，用2台～3台15 kW的污水水泵(备用多台)通过专用污水输出管道将集水坑中的循环水通过排水管道排出洞外。排水管采用φ150 mm钢管，连接到主洞与支洞三岔口位置，通过支洞内水沟自然流出。

5 炮孔冷却循环系统效果测试

1)岩体温度测试情况。

1号洞地热段下游K1+066～K1+080桩号，通过现场实测炮孔口流水温度86℃。

2)炮孔内岩体温控测试情况。

在K1+066靠左边墙的掌子面，对两个炮孔进行岩体降温测试。1号炮孔深度3.5 m以上，2号炮孔深度2.5 m。测试前分别向两个炮孔内加注冷水，10 min后开始分别对炮孔底部岩体温度进行测试，每间隔5 min测试一次，连续测试30 min。实测温度记录如下:

1号炮孔底部岩体温度(17:45～17:50)56℃，(17:50～17:55)60℃，(17:55～18:00)76℃;

2号炮孔底部岩体温度(17:21～17:26)40℃，(17:26～17:31)46℃，(17:31～17:36)54℃，(17:36～17:41)52℃，(17:41～17:46)54℃，(17:46～17:48)60℃。

测试结果1号孔升温速度明显快于2号孔，分析原因1号炮孔深度大，炮孔底部和地热泉水连通，冷水降温后由于孔内不断有热水涌出，温度很快升高。测试结果说明对于没有和地热温泉连通的炮孔，只要采取有效措施，在25 min内完成爆破作业，就能避免爆破作业危险;对于孔内有热水的炮孔还须采取隔热、防水措施。

6 超高地热段钻爆开挖注意事项

1)钻爆施工安全控制。

a.炮孔完成后在通风的基础上，对掌子面喷射冷水降温，并利用炮孔降温系统，向每个炮孔内注射冷水20 min～30 min。

b.炮孔直径从40 cm增大至50 cm以上，对于孔内没有热水的，装药前将药包和导爆索捆扎在一起外套PVC管，隔绝炸药和炮孔壁的直接接触。禁止雷管入孔，装药时增加人员将事先加工好的药包装入孔内，缩短爆破作业时间。

c.对于孔内有热水的，在上述基础上还要对药包用石棉进行绝热处理，并在药包外套PVC管，严禁药包与孔壁、热水接触，所有雷管一律不准入孔。

d.对地热涌水严重的炮孔，先起爆，减少地热水向掌子面方向的渗流，然后对剩下的炮孔装药施爆。保证作业钻杆的长度，钻杆入岩时施工人员距离掌子面保持3 m～5 m的安全距离，钻进时身体不要正对炮孔，防止热水突然喷出烫伤。

2)施工人员劳动安全。

应根据坑道内的高温程度、劳动强度和劳动效率，确定劳动工时，合理安排高温作业时间，加强健康管理，对患有高血压、心脏病的患者，因高温作业可能引起症状恶化，疲劳、空腹、睡眠不足等容易诱发中暑症，对此类人员应禁止参加劳动。在高温作业时，易发生维生素、水分、盐类的不足，对此需进行充分的补充。为恢复疲劳，应向工人提供适温适湿的休息环境。

3)有害气体安全控制。

根据对娘拥水电站有害气体的检测表明，高地温洞段中的有害气体满足施工环境，但为了保证现场作业人员的健康和安全，建议采用如下措施:

a.在工作面和洞内安装固定式传感器，当洞内氧的浓度在18%以下时，传感器会报警，以便使洞内人员疏散和禁止人员进入。

b.作业人员携带便携式报警器，爆破人员可进行气体浓度测定。

c.定期实施疏散训练。

7 结语

根据地热段开挖的实际情况，建立炮孔冷却循环系统，通过控制注冷水量和排热水量有效控制炮孔温度，合理调整开挖方案，确保炸药在限制温度下使用以及50 m/月～60 m/月的掘进速度，从而保证了高地热段隧洞的顺利施工。

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