高原、高地温隧道施工爆破及降温措施的探讨

苗永旺 陈佐林 彭学军 李传书

(中铁五局集团有限公司, 长沙 410007)

拉林铁路桑珠岭隧道地处高原，施工揭示最高地温达89.9℃，已达到本地区水的沸点，而国内暂无高原缺氧耦合超高地温隧道施工的经验，因此对高原缺氧环境下高地温隧道施工措施的研究尤为必要。

1 工程概况

拉林铁路3标段桑珠岭隧道全长16.449 km，位于唐古拉山与喜马拉雅山之间的藏南高山河谷区，线路沿雅鲁藏布江傍山而行，隧址区地面标高 3 300～5 100 m,线位标高3 540 m左右,隧道最大埋深 1 347 m，谷岭相间、地势起伏跌宕，属高原山区，气候极端恶劣。隧道穿越岩层以闪长岩、花岗岩为主，区域板块构造活跃、地下热源丰富(断裂带附近有76℃的温泉出露)。开挖揭示最高地温达89.9℃，洞爆破后环境温度达60℃。

2 高地温段爆破技术措施

2.1 高温爆破

现行GB 6722-2014《爆破安全规程》[1]只对超过60 ℃的高温高硫矿井爆破做了专项规定，汪旭光编著的《爆破手册》[2]也只对高温硫化矿爆破和高温凝结物解体爆破做出相应规定，两者均未对高温隧道爆破做明确规定。根据多座高温隧道的施工经验，本文将隧道炮孔底温度高于60 ℃情况下的爆破作业，称为高温爆破。

2.2 爆破方案

现场选择热感度较好又能抗水的2号岩石乳化炸药，导爆管雷管实现各孔间隔起爆。当环境温度达到60℃时，普通导爆管出现软化，性能不稳定(现场多次出现拒爆)，采用高强度导爆管雷管(最高能耐80℃)和耐高温导爆索(最高能耐120℃)等爆破器材。结合高原特别的气候条件，增大安全储备，对高温段炮眼温度分：50℃<炮孔内温度≤70℃、70℃<炮孔内温度≤120℃，进行爆破方案设计。

以Ⅲ级围岩为例，岩石坚固性系数f=8～12，采用光面爆破，炮孔直径42 mm，深度3.0 m，循环进尺达2.8 m。本文主要以炮孔温度大于70℃进行说明(参数不做详细计算)。

2.2.1 50℃<炮孔内温度≤70℃

采用耐80℃高温的高强度导爆管雷管代替普通导爆管雷管孔内起爆。因高温对爆破器材性能的影响，在施工现场经常出现掏槽效果不理想、瞎炮等现象，在实际施工中，对掏槽眼和第一圈辅助眼采用双雷管激发，同时加大辅助眼装药量(增加10%左右)。装药结构以周边眼示例，如图1所示。

图1 50℃<炮孔温度≤70℃时周边眼装药结构示意图

2.2.2 70℃<炮孔内温度≤120℃

当孔温超过80℃时，必须对爆破器材采取隔热防护措施(装药前将药卷用沥青牛皮纸包装完好)，装药时不应与孔壁接触，耐高温导爆索应捆于起爆药包外，不得直接插入药包，从孔内装药至起爆的相隔时间不应超过1 h。

炮孔数目及炸药单耗量：隧道开挖断面约71 m2，根据理论计算，并结合施工经验，炮孔数目约150个，炸药单耗约1.5 kg/m3。周边孔采用孔内耐120℃高温的导爆索孔底反向起爆炸药，非电毫秒雷管孔外延时的起爆方案。本方案孔间距取0.5 m，最小抵抗线W取0.6 m，不耦合系数D取1.31，线装药密度q取0.15 kg/m。周边眼装药结构，如图2所示。

图2 70℃<炮孔温度≤120℃时周边眼装药结构示意图

掏槽孔、底板眼、辅助眼的爆破参数，除孔内起爆材料与常温爆破不同外，其他参数无大差别。掏槽眼、底板眼及辅助眼装药结构，如图3所示。

图3 70℃<炮孔温度≤120℃时掏槽眼、底板眼、辅助眼装药结构示意图

2.2.3 起爆网络

采用并簇连法。连接顺序为：孔内耐高温导爆索(捆扎药包)→孔外同段(需同时起爆孔)簇连双发导爆管雷管起爆(或直接导爆管雷管连接，再同段簇连)→再簇连接至爆导爆雷管(双发)→接导爆管激发器起爆。起爆网络连接示意如图4所示。

图4 起爆网络连接示意图

3 高原、高地温隧道降温措施

隧道洞内环境降温的措施以通风、放置冰块为主，同时采取喷雾洒凉水、高温水抽排、机械制冷、局部风扇等综合辅助措施。

结合以往高温隧道施工经验，根据热交换原理，以减少热量传递进入洞内为原则，桑珠岭隧道采用了以下降温措施。

3.1 通风降温

根据蒙河铁路毛坡良隧道高地温施工经验，通风是降低高温隧道施工环境温度的主要措施。结合高原缺氧环境，洞内风速必须确保在0.5 m/s以上[3]，才能使人感觉舒适。采用增加通风机、增设射流风机、24 h通风等措施，加大洞内送风量和新、旧风的循环。风口段风管采用可收缩的软管，尽量将出风口接近掌子面。

以桑珠岭隧道1号横洞工区为例，设置4组(2×132) kW轴流风机压入式通风(单个掌子面2组)，每 1 000 m设置(2×132) kW接力风机，三角区设置1组(2×110) kW轴流风机向洞外抽风，正洞每间隔150 m设置1个(2×11) kW射流风机加速洞内空气向洞外排放，如图5所示。

图5 桑珠岭隧道施工通风布置示意图

隧道围岩与风流间的传热是一个复杂的不稳定传热过程。隧道开掘后，随着时间的推移，围岩被冷却的范围逐渐扩大，其向风流传递的热量逐渐减少。根据经验，随着开挖深度的增加，隧道洞内施工条件明显恶化，参考《高地温隧道综合施工技术研究报告》[4]，隧道围岩与风流间的传热量按壁面与流体间的对流换热量公式计算，建立通风计算模型(隧道热源仅考虑高温岩体散热)。

(1)

式中:V——通风流量，m3/s；

Cpm——空气的平均定压比热容，

Cpm=1.00 KJ/(kg·℃)；

Kτ——围岩与风流间的不稳定换热系数，kW/(m2·℃)；可由岩石的导热、导温系数、开挖断面尺寸、通风时间求出；

U——断面周长(隧道)(m)；

L1——距开挖面长度(m)；

t0——初始风温，大于风管出口风温1～3℃，现场实测23℃；

tr——围岩温度，现场实测；

t——距工作面L1处的平均风温，可视为洞内环境温度。

取独头掘进 1 100 m，岩温73℃的典型断面进行验算，对隧道通风效果进行分析。现场采用型号为SDF(c)-No13的通风机2台进行通风，风机其额定风量30.9 m3/s，全压 4 180 Pa，功率(132×2) kW。

2台风机送至出口的额定风量：

(2)

式中：β——百米漏风率，β=1%；

L——通风管长度，L=1 100 m；

ξ1——高原折减，取0.8。

岩温为73℃情况下，通风0.5 h，求解距开挖面75 m处环境温度，t=42.6℃。

连续求解方程，得出洞内环境温度随通风时间变化的理论曲线，如图6所示。

图6 通风环境温度变化曲线

由图6得知，随着通风时间的延长，环境降温效率急速衰减，总体向出风口温度接近。山南地区全年平均气温为5.8℃，最热7、8月平均气温为13℃，受益于高原地区洞外低温环境，通风降温效果较好，但风经过长距离风管后，出风口温度会进一步升高。实际施工时设备运行散热、混凝土水化热等会提升洞内温度。

3.2 冰块降温

现场建立制冰厂、储冰室，成立制、运冰班组，专职负责制冰、存储、运输。在隧道开挖台车、防水板台车、衬砌台车等作业人员相对集中的地段设置冰架，每处冰架放置60块冰，其余地段则每150 m设置冰架，不间断补充冰块。冰块能一定程度上降低环境温度，同时显著改善作业人员体感舒适度，改善作业条件。

一般工业制冰机制作的冰块温度为-10 ℃，根据简单热交换原理，计算出1 m3冰块融化成水，可以使多少立方空气降低1 ℃：

C冰m冰Δt冰=Cpmm空气Δt空气

(3)

式中:C冰——冰的比热容，2.1 kJ/(kg·℃)；

Cpm——空气的平均定压比热容，

Cmp=1.00 kJ/(kg·℃)；

Δt——温度变化。

m空气=2.1×900×10=18 900 kg

标准条件下空气密度为1.297 kg/m3，在高原海拔 3 540 m左右，空气密度约为标准空气密度的60%～70%，取65%，换算成体积为 22 418 m3，换算成隧道长度为234 m。即在理想状态下，1 m3冰块融化成水可以使234 m隧道温度降低1 ℃。

现场1处冰架60块冰(约0.83 m3)，完全融化需7 h(融化时间与冰块多少密切相关，30块冰融化仅需3 h)。经实测，距冰架1 m处，环境温度降低2 ℃～3 ℃。

3.3 洒水降温

拉林铁路地处高原，空气干燥，洞外水温较低，可利用冷水喷洒降温。铺设专用降温水管，24 h洒水作业。喷头每隔20 m设置1处，靠近掌子面地段和衬砌作业面加密设置。利用洒水车对爆破后的裸露岩面、炮碴及未衬砌段进行洒水降温，以洞壁湿润、炮碴淋透为原则，减少热源。洞内设保温蓄水池收集各类热水，并及时抽排出洞，减少热水洞内漫流。

3.4 高温热水抽排

为减少热水在隧道内流动散热，影响环境温度，须进行热水处理。

(1)散状热水渗滴采用注浆封堵。

(2)股状渗水采用引排方式汇入设置的临时蓄水池。

(3)洞内临时排水沟须采用混凝土构成，采用盖板保温等措施。按200 m间距设置蓄水池，对蓄水池采用遮盖保温，同时通过保温水管，将热水抽排至洞外，减少散热。

4 其他综合措施

(1)受高原缺氧与高地温恶劣因素的耦合影响，隧道内作业效率较低，为保证施工进度，同时减少作业人员暴露在高温、缺氧环境下的时间，现场采取增加人员轮流作业、减少每班作业时间等措施。

(2)加强对作业人员的健康检查，做好现场医疗保障工作；制定高温施工应急预案，设置工地医院，配备足够防暑药品、设备及医务人员，并与地方三甲医院建立应急联系；洞内设置移动休息室，安装空调，配置防暑降温应急救援箱；保证作业人员在高温环境下，能得到相应的休息，及时恢复体力，以确保正常工作效率。

(3)发放劳保用品。给施工人员穿戴内置冰块的冰冻衣服；对高温作业人员发放高温津贴。

(4)受高原缺氧和高温影响，机械设备故障率高、作业效率低，现场采取增加机械配置(配双班)，增加机械维修、保障人员的方式解决。

5 结束语

高温隧道施工作业空间狭窄，给隧道掘进方式、通风降温、施工组织、后勤保障都带来了难题。随着基础建设向高原复杂山区发展，将不可避免地遇到高地温隧道(如川藏铁路可能遇到超过100℃高地温)。缺氧及高地温因素的耦合影响，给隧道施工设备选型、爆破器材与爆破方案、施工降温措施、施工组织、医疗保障等提出新的课题。本文为解决高原、高温隧道施工难题提出了一些可行措施以供参考。但各类热源对隧道内温度场的影响、隧道内“热力”交换[5]、机械制冷降温、隧道隔热、高地温对混凝土、防水板等结构材料的影响，以及地热在运营阶段对设备和人员的影响程度等课题，仍有待进一步研究。