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(qū)水的沸點，而國內(nèi)暫無高原缺氧耦合超高地溫隧道施工的經(jīng)驗，因此對高原缺氧環(huán)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(qū)，線路沿雅魯藏布江傍山而行，隧址區(qū)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(qū)，氣候極端惡劣。隧道穿越巖層以閃長巖、花崗巖為主，區(qū)域板塊構(gòu)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(huán)境溫度達60℃。

2 高地溫段爆破技術(shù)措施

2.1 高溫爆破

現(xiàn)行GB 6722-2014《爆破安全規(guī)程》[1]只對超過60 ℃的高溫高硫礦井爆破做了專項規(guī)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(jié)物解體爆破做出相應規(guī)定，兩者均未對高溫隧道爆破做明確規(guī)定。根據(jù)多座高溫隧道的施工經(jīng)驗，本文將隧道炮孔底溫度高于60 ℃情況下的爆破作業(yè)，稱為高溫爆破。

2.2 爆破方案

現(xiàn)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(xiàn)各孔間隔起爆。當環(huán)境溫度達到60℃時，普通導爆管出現(xiàn)軟化，性能不穩(wěn)定(現(xiàn)場多次出現(xiàn)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(jié)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(nèi)溫度≤70℃、70℃<炮孔內(nèi)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(shù)f=8～12，采用光面爆破，炮孔直徑42 mm，深度3.0 m，循環(huán)進尺達2.8 m。本文主要以炮孔溫度大于70℃進行說明(參數(shù)不做詳細計算)。

2.2.1 50℃<炮孔內(nèi)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(nèi)起爆。因高溫對爆破器材性能的影響，在施工現(xiàn)場經(jīng)常出現(xiàn)掏槽效果不理想、瞎炮等現(xiàn)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(fā)，同時加大輔助眼裝藥量(增加10%左右)。裝藥結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 70℃<炮孔內(nèi)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(nèi)裝藥至起爆的相隔時間不應超過1 h。

炮孔數(shù)目及炸藥單耗量：隧道開挖斷面約71 m2，根據(jù)理論計算，并結(jié)合施工經(jīng)驗，炮孔數(shù)目約150個，炸藥單耗約1.5 kg/m3。周邊孔采用孔內(nèi)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(shù)D取1.31，線裝藥密度q取0.15 kg/m。周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 70℃<炮孔溫度≤120℃時周邊眼裝藥結(jié)構(gòu)示意圖

掏槽孔、底板眼、輔助眼的爆破參數(shù)，除孔內(nèi)起爆材料與常溫爆破不同外，其他參數(shù)無大差別。掏槽眼、底板眼及輔助眼裝藥結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)示意圖

2.2.3 起爆網(wǎng)絡

采用并簇連法。連接順序為：孔內(nèi)耐高溫導爆索(捆扎藥包)→孔外同段(需同時起爆孔)簇連雙發(fā)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(fā))→接導爆管激發(fā)器起爆。起爆網(wǎng)絡連接示意如圖4所示。

圖4 起爆網(wǎng)絡連接示意圖

3 高原、高地溫隧道降溫措施

隧道洞內(nèi)環(huán)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(jié)合以往高溫隧道施工經(jīng)驗，根據(jù)熱交換原理，以減少熱量傳遞進入洞內(nèi)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(jù)蒙河鐵路毛坡良隧道高地溫施工經(jīng)驗，通風是降低高溫隧道施工環(huán)境溫度的主要措施。結(jié)合高原缺氧環(huán)境，洞內(nèi)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(nèi)送風量和新、舊風的循環(huán)。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(qū)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(qū)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(nèi)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(wěn)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(jù)經(jīng)驗，隨著開挖深度的增加，隧道洞內(nèi)施工條件明顯惡化，參考《高地溫隧道綜合施工技術(shù)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(wěn)定換熱系數(shù)，kW/(m2·℃)；可由巖石的導熱、導溫系數(shù)、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(xiàn)場實測23℃；

tr——圍巖溫度，現(xiàn)場實測；

t——距工作面L1處的平均風溫，可視為洞內(nèi)環(huán)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(xiàn)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(huán)境溫度，t=42.6℃。

連續(xù)求解方程，得出洞內(nèi)環(huán)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(huán)境溫度變化曲線

由圖6得知，隨著通風時間的延長，環(huán)境降溫效率急速衰減，總體向出風口溫度接近。山南地區(qū)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(qū)洞外低溫環(huán)境，通風降溫效果較好，但風經(jīng)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(nèi)溫度。

3.2 冰塊降溫

現(xiàn)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(yè)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(huán)境溫度，同時顯著改善作業(yè)人員體感舒適度，改善作業(yè)條件。

一般工業(yè)制冰機制作的冰塊溫度為-10 ℃，根據(jù)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(tài)下，1 m3冰塊融化成水可以使234 m隧道溫度降低1 ℃。

現(xiàn)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(guān)，30塊冰融化僅需3 h)。經(jīng)實測，距冰架1 m處，環(huán)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(yè)。噴頭每隔20 m設置1處，靠近掌子面地段和襯砌作業(yè)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(nèi)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(nèi)漫流。

3.4 高溫熱水抽排

為減少熱水在隧道內(nèi)流動散熱，影響環(huán)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(nèi)臨時排水溝須采用混凝土構(gòu)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(nèi)作業(yè)效率較低，為保證施工進度，同時減少作業(yè)人員暴露在高溫、缺氧環(huán)境下的時間，現(xiàn)場采取增加人員輪流作業(yè)、減少每班作業(yè)時間等措施。

(2)加強對作業(yè)人員的健康檢查，做好現(xiàn)場醫(yī)療保障工作；制定高溫施工應急預案，設置工地醫(yī)院，配備足夠防暑藥品、設備及醫(yī)務人員，并與地方三甲醫(yī)院建立應急聯(lián)系；洞內(nèi)設置移動休息室，安裝空調(diào)，配置防暑降溫應急救援箱；保證作業(yè)人員在高溫環(huán)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(fā)放勞保用品。給施工人員穿戴內(nèi)置冰塊的冰凍衣服；對高溫作業(yè)人員發(fā)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(yè)效率低，現(xiàn)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(jié)束語

高溫隧道施工作業(yè)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(qū)發(fā)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(yī)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(nèi)溫度場的影響、隧道內(nèi)“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(jié)構(gòu)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。