高地温隧道施工的爆破安全技术

朱胥仁，苗永旺，陈佐林，李传书，曹振兴，刘 鳌

(1.中铁五局集团第一工程有限责任公司，长沙 410075；2.中南大学土木工程学院，长沙 410075)

我国西部地区的经济增长迅速，公路与铁路等基础设施的建设工作也在迅速开展，隧道的里程、数量以及埋深等都在不断增加。随着隧道里程与深度的增加，高地温问题越发的严重[1]。由于地热的特点是分布广泛、不集中、难以有效控制和利用难度大[2]，使得钻爆开挖高地温隧道的顺利进行有不小的难度。

根据国内相关资料说明，地质温度高于30 ℃即可定义为高地温[2]。高温爆破的定义为炮孔底温度超过60 ℃的爆破施工[3]。目前一些学者[4-7]基于露天煤矿爆破工程，研究了高地温条件下的爆破施工技术,但隧道施工过程中的高地温钻爆技术研究较为缺乏。现有国内外高地温隧道研究中，孔内温度值多在30～50 ℃之间，其中我国在建的水工隧洞洞室岩温一般在15～30 ℃之间。本文介绍的是环境温度为86.7 ℃的超高地温川藏线拉林铁路桑珠岭隧道工程，尚属首例。该隧道正洞D1K175+750～+910段采用V级活动断裂隔热衬砌，集水廊道内净空断面尺寸3.4 m×3.7 m，穿越断裂带段采用V级模筑加强衬砌。隧道位于藏南谷地高山河谷区，线路沿雅鲁藏布江桑加峡谷旁山而行；隧道地面标高3 300～5 100 m，线位标高3 550 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；桑珠岭隧道里程为16.449 km，岩层以闪长岩、花岗岩为主，隧道附近有温泉出露(最高水温达76 ℃)，存在高岩温、高温热水，开挖揭示的孔内最高温度达89.9 ℃，爆破后环境温度达到56 ℃。对于如此超高地温条件下隧道的钻爆开挖，如何选取合适的爆破器材和采用最佳的爆破方案是难点所在，因此解决桑珠岭隧道超高地温钻爆开挖安全控制的问题，对国内外类似的隧道钻爆开挖施工有显著的借鉴作用和指导意义。

1 高地温环境的影响

1.1 施工条件恶劣

1)对施工人员的不良影响。根据现有高地温隧道钻爆开挖施工经验，高地温、高热水恶劣地质条件下，施工人员在进入工作面后很快就会出现胸闷头晕的症状，长时间在这种恶劣条件下工作甚至会眩晕呕吐，同时因为洞内含氧量低，严重影响施工人员的安全。所以在温度为86.7 ℃的高地温条件下，在影响施工人员安全的同时严重降低爆破作业效率。

2)对施工机械的不良影响。高温热水涌出后将带来大量的热蒸汽，消耗了部分氧气，使隧洞内氧气含量下降，机械油料燃烧不完全，机械效率下降30 %左右，故障频率上升，同时监控设备由于红外线无法穿透地热产生的水雾，有时无法正常工作，使得钻孔效率大大降低。

1.2 爆破器材不稳定

炸药的热分解是一种缓慢的化学变化，反应温度将对反应速度产生较大影响，通风条件不良的情况下，分解热不易逸散，易致炸药温度在内部积累，进而加剧炸药热分解，使反应转变为燃烧或爆炸[8]，极易造成重大事故。同时炸药在高温及热水浸泡环境下产生膨胀、融化现象，溶化后产生刺激性硝铵气味，对人体伤害非常大。其次导爆管、雷管等起爆器材也只能在一定的温度范围内才能正常使用，在高地热环境下也可能失效导致炸药发生拒爆而留下安全隐患。

2 安全控制措施

在充分识别并分析高地温桑珠岭隧道钻爆施工的研究现状，结合实际工程经验，从“人、机、料、法”的影响对象出发，在安全为首要，兼顾成本和效率的统筹下，通过绘制鱼骨图的方式(见图1)，从结果出发制定相应的控制措施，以期达到多方面减弱甚至消除高地温对隧道钻爆施工的不良影响。

图1 高地温隧道钻爆鱼骨结构Fig.1 High ground temperature tunnel drilling and blasting fishbone structure

2.1 降温措施

针对高地温环境对人、机、料的不良影响均与温度有关的问题，采取综合降温是首要措施。一是空调，非人工制冷方式，二是采用人工制冷，冷却风流措施(即空气调节)。人工制冷措施主要包括3个方面：①采用人工方式进行通风；②采用冷水系统对掌子面炮孔进行降温；③采用喷雾降温系统进行降温[10]。因此，在桑珠岭隧道钻爆施工过程中采用了相应的具体降温措施。

1)加强通、排风设施。采用“四进一出”布置通风机24 h通风。洞内增设射流风机接力向外排风，加速洞内空气流动及降温。

现场测温统计岩温在75 ℃时，放炮后，环境温度53 ℃左右，通风3 h，掌子面环境温度降低至41 ℃左右，比理论计算温度高3.1 ℃，通过理论计算双组风机通风时间与环境温度关系如表1所示。

表1 理论计算通风时间与环境空气温度关系

2)制冰降温。根据热力学交换原理，理论上1 m3冰完全融化，能使本隧道200 m距离内的空气温度下降1 ℃。因此，在隧道内每150 m以及二衬台车、防水板台车、掌子面附近堆码冰块。经实测通过放置冰块能降低环境温度2 ℃。

3)喷雾洒水降温。隧道内采用高压喷水管路，在作业期间进行喷雾洒水，降低隧道内环境温度。现场实测洒水降低环境温度1～2 ℃。最终将环境温度降低至38 ℃左右。

4)炮孔降温。高地温隧道爆破时，在爆破前预先通过在炮孔中注水的措施将炮孔温度降到80 ℃以下，然后在温度回升到80 ℃之前快速完成装药、充填和起爆等工作，保证爆破的安全性。

译文：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 爆破器材的选择

围绕“料”的影响研究可知，提高爆破器材本身耐温性能的主动防护和对爆破器材进行隔温的被动防护，才能满足高地温爆破的施工要求。

1)炸药的选择。高地温隧道爆破首选应是耐热性高的炸药，国内目前已经研制出一批耐热强度高的炸药如PCS等，但此类炸药制作成本相对较高，由于隧道钻爆开挖需要的炸药量巨大，从经济角度考虑，这不是最优选择。因此，通过综合考虑耐热效果、成本及爆破效果，选择采用2#岩石乳化炸药。

2)起爆器材的选择。根据现场试验，普通导爆索、导爆管在环境温度达到60 ℃时，出现软化不稳定现象，多次出现盲炮。因此，现场普通导爆管、导爆索已禁止使用，根据不同温度等级采用相应的高强导爆管。在桑珠岭隧道钻爆施工过程中，需要结合高原的气候条件，增大起爆器材的安全储备，对高温段炮孔温度分：40 ～50 ℃、50 ～70 ℃、70 ～120 ℃。常温下(小于50 ℃)选择导爆管雷管实现各孔间隔起爆；当环境温度达到60 ℃时，普通导爆管雷管出现软化性能不稳定，现场就多次出现拒爆，即需采用高强导爆管雷管(最高能耐80 ℃)；当大于70 ℃时则采用耐高温导爆索(耐120 ℃)等爆破器材。

2.3 高地温爆破装药结构

2.3.1 光面爆破基本参数

针对Ⅲ级(岩石坚固性系数f=8～12)围岩在高温下的爆破参数，除孔内起爆器材不一样外，其他跟常温状态无大的差别。采用光面爆破，炮孔直径42 mm，深度3.0 m，循环进尺达到2.8 m左右。

图2 围岩开挖炮孔布置Fig.2 Layout of blasthole for surrounding rock excavation

炮孔数目与掘进断面、岩石性质、炮孔直径、炮孔深度和炸药性能等因素有关。通常理论上按下公式估算：

(1)

式中：N为炮孔个数；f为岩石坚固性系数，本方案取f=12；S为隧道掘进断面面积，为71 m2。

根据现场施工情况，计划Ⅲ级围岩钻孔炮孔直径42 mm，钻孔深度达到3 m，循环进尺达到2.8 m以上。

Q=qSLη

(2)

式中：q为爆破1 m3岩石用药量：Ⅲ级闪长花岗岩根据经验为1.4～1.8 kg/ m3，取1.5 kg/m3；S为开挖断面积，71 m2；L为凿孔深度，取3 m；η为炮孔利用率，一般为0.8～0.95，本设计取0.93；

经计算得：Q=1.5×71×3×0.93=297 kg。

2.3.2 爆破器材改进

一般来说防护材料由于制作成本较高，仅在小规模高温爆破中使用。

针对高地温环境下爆破材料的不稳定，结合实际经验和试验数据，对相比正常地温下的爆破器材做了改进。

1)炮孔内温度40～50 ℃时，采用孔底反向起爆，并在周边孔和掏槽孔采取孔内加设低温水袋的水压爆破方式(见图3～图5)。

图3 40～50 ℃时周边孔装药结构Fig.3 Perimeter hole charge structure at 40～50 ℃

图4 40～50 ℃时掏槽孔及底板孔装药结构Fig.4 Charge structure of cut hole and bottom hole at 40～50 ℃

图5 40～50 ℃时辅助孔装药结构Fig.5 Relief hole charge structure at 40～50 ℃

2)炮孔内温度50～70 ℃时，采用耐80 ℃的高强导爆管、导爆索，孔底反向起爆(见图6)。

图6 50～70 ℃时周边孔装药结构Fig.6 Perimeter hole charge structure at 50～70 ℃

3)炮孔内温度为70～120 ℃时，虽然有耐80 ℃的高强导爆管雷管，但在实际施工过程中，温度超过70 ℃时，拒爆、盲炮等情况严重，因此在炮孔内温度大于70 ℃时，采用导爆管毫秒雷管孔外延时激发导爆索，再由孔内耐120 ℃高温的导爆索(装在钢管中)孔底反向起爆炸药的起爆方案。

因此要提前测量工作面与炮孔内温度，及时掌握孔温变化规律；当温度达到80 ℃时，必须对导爆索采取隔热防护措施(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，不得直接插入药包内，应置于起爆药包外，装药开始至起爆间隔时间应控制在1 h以内；

采用耐120 ℃高温的导爆管、导爆索时，需要改进装药结构(见图7～图8)，利用导爆索引爆炸药，即将导爆索与炸药装入炮孔内，由雷管在炮孔口进行激发导爆索，导爆索在孔底反向起爆炸药。

图7 70～120 ℃时周边孔装药结构Fig.7 Perimeter hole charge structure at 70～120 ℃

图8 70～120 ℃时掏槽孔、底板孔以及辅助孔装药结构Fig.8 Charge structure of cut hole, bottomhole and rolief hole at 70～120 ℃

因隧道开挖特殊性，工作面掏槽孔及周边孔等须采取“延时起爆”，而国内暂无适用孔内高温起爆的毫秒延时雷管，为解决高地温隧道爆破施工中炮孔内温度高于120 ℃的问题，利用已有的耐高温特种爆破器材，将耐200 ℃高温的导爆索置于孔内，在孔外采用导爆管雷管延时起爆。药卷采用绝热材料包装隔热，加工成条形药包，并绑扎在木杆或竹片上，便于每孔一次推送装药(见图9)。

图9 高于120 ℃时药包及装药结构Fig.9 The explosive package and charge structure when the temperature is over 120 ℃

炮孔底部温度高于200 ℃条件下(可能性极小)，应将药包进行隔热成型处理，采用耐高温级别更高的导爆索孔内起爆，在孔外采用耐高强度导爆管雷管延时起爆。

3 起爆网路

在高地温隧道的开挖中，高温的环境导致施工人员的工作效率较低以及施工机械的故障率较高，会间接导致掏槽孔的掏槽效果往往不太理想，同时由于高地温环境对炸药的不良影响，易出现盲炮的现象。因此，桑珠岭隧道爆破开挖的起爆网路采用并簇连法，有效解决了掏槽效果不理想、盲炮的问题，保障了进尺效果以及施工进度。

并簇连法施工时，孔内耐高温导爆索→孔外同段簇连双发非电雷管起爆(或直接非电雷管连接，再同段非电雷管簇连)→同段非电雷管双发簇连→双发导爆管激发器起爆。

图10 起爆网路连接Fig.10 Detonating network connection

4 结语

通过采取综合降温措施降低施工环境温度和炮孔温度，有效解决了高温环境对施工人员及爆破器材不良影响的问题；针对不同的温度等级设置对应的器材和装药结构，保证了爆破器材在高温环境下的稳定性；采取水压爆破和选用并簇联法的起爆网路，保证了爆破施工安全。对于高地温隧道爆破施工技术的研究，较好地解决了桑珠岭隧道穿越高地温洞段的钻爆施工安全控制难题，确保了桑珠岭隧道的全线贯通，积累了较为翔实的经验数据，为类似工程的实施提供了借鉴。