超高地熱條件下特長引水隧洞鉆爆開挖關鍵技術

臧洪敏

(山東省路橋集團有限公司，山東濟南 250021)

1 工程概況

娘擁水電站的引水隧洞全長15 406.313 m，穿過熱水斷層，受熱水斷層的影響，1號施工支洞及引水隧洞的施工期間洞室內溫度異常，爆破后巖體表面溫度達75℃，炮孔涌水溫度高達86℃，洞內環境溫度高達53℃，其地溫之高、長度之大在國內外隧洞施工中實屬罕見。

2 超高地熱對鉆爆開挖施工的影響

1)安全效果。

炸藥在高溫及熱水浸泡環境下產生膨脹、溶化現象;溶化后產生刺激性硝銨氣味，對人體傷害非常大;毫秒雷管在高溫及熱水作用下產生軟化，發生啞炮甚至自爆。

2)進度控制。

由于鉆爆作業時間長，爆破作業工人疲勞程度大，爆破作業安全無法得到完全保證。洞挖實際進度保持在30 m/月～45 m/月。

3)洞挖質量。

基本滿足質量要求，但受地熱影響，光爆效果的改善難度大。

4)主要材料消耗量變化情況。

受地熱的影響炸藥威力下降明顯，爆破消耗量增大。

5)工人輪換作業、專人負責掌子面的噴水降溫，人工費增加明顯;掌子面噴灑冷水時常有巖塊脫落，需邊工作邊排險，給鉆爆作業增加了困難，并進一步加大了成本。

3 超高地熱段鉆爆開挖施工設計

據SD 267-88水利水電建筑安裝安全技術工作規程第6.1.13條規定:“孔內溫度超過35℃時禁止裝炮。”引水隧洞地熱段開挖必須降低鉆孔溫度，同時縮短從鉆孔、裝藥到爆破時間，保證炸藥在限制溫度下使用及爆炸效果，調整開挖方案以及管理制度，保證工人勞動安全，并提高掘進速度，形成快速鉆爆技術。

1)必須滿足的必要條件。

須通過集中快速裝藥和孔內裝藥、孔外起爆的方法，經過反復試驗，建立炮孔冷卻循環系統，使炮孔內溫度可降低至25℃，爆破前孔內溫度回升至不超過35℃。

2)一次開挖斷面的選擇。

為縮短裝藥時間，分為上、下兩個臺階進行開挖。上臺階和下臺階先后鉆爆施工，每個爆破工在半小時內掌子面裝藥數量不超過5個炮孔，上臺階炮孔數量50個，鉆爆工數量10個人可滿足在半個小時內完成裝藥爆破的工作。在裝藥過程中要明確每個炮工裝藥的具體孔位和數量。

3)爆破參數的選擇。

由于地熱段處于熱水斷層內，本身圍巖就比較破碎，加之地熱對巖石的物理化學性能產生一定影響，更加降低了巖石的強度。在爆破時應采用“短進尺、弱爆破、早封閉、強支護、勤量測”的方法，控制一次裝藥量，減少對圍巖的擾動，縮短裝藥時間，保障作業安全。爆破參數的選擇要根據圍巖類別及時調整。

4)裝藥結構的選擇。

采用孔內裝藥、孔外起爆的方法。孔內裝藥采用將炸藥裝入硬塑料管內的辦法，硬塑料管直徑為40 mm，先將φ32 mm的炸藥綁在導爆索上，將綁好的導爆索和炸藥預先裝入硬塑料管，再將硬塑料管插入炮孔內，硬塑料管裝入炮孔后保證導爆索在孔外的長度不小于50 cm，以便于孔外聯線。采用硬塑料管裝藥不僅可以縮短裝藥時間，還可以防止巖石熱傳導，起到隔熱的作用。

盡量避免導爆管雷管在炮孔內直接接觸巖石，防止雷管因高溫產生自爆，或導爆管腳線遇高溫軟化變形產生拒爆。

孔外聯線的方法:將炮孔外露出的導爆索和導爆管雷管用膠帶捆綁在一起，再按照正常情況下聯線方式起爆即可。

5)裝藥爆破安全措施。

防止熱痙攣癥、熱虛脫癥、熱射癥。為加強對施工人員的保護，保證正常施工，采用輪班制進行開挖爆破，即每個開挖工序由兩班爆破人員輪換施工，一班人員施工2 h～3 h后，然后由另一班人員接替施工。

4 炮孔冷卻循環系統的建立

依靠通風風流很難降低孔內溫度，必須建立炮孔冷卻循環系統，即向每個炮孔內注入冷水，降低炮孔內溫度，并通過集中快速裝藥，在溫度回升到臨界溫度前完成爆破作業。隧道管線布置剖面圖見圖1。炮孔冷卻循環系統建立如圖2，圖3所示。

圖1 隧道管線布置剖面圖

炮孔冷卻循環系統由抽水輸送系統，分散制冷系統，抽水輸出系統三部分組成。

1)抽水輸送系統。

由抽水裝置和輸送管道組成。根據現場實際情況，在支洞口靠近河右岸處建造一個泵房，抽取河內的冷水進行制冷，泵房內安裝兩臺20 kW的離心水泵，并備用2臺，從泵房到主洞下游掌子面鋪設φ150 mm(δ=4.5 mm)的無縫鋼管，鋼管長度依據地熱段長度不斷向前延伸，距離掌子面不超過30 m，在輸水管端部焊接出4個分水閘閥，通過橡膠軟管分別連接到鉆孔臺車上，分水閘閥采用φ50鋼管，橡膠軟管采用φ60的噴漿膠管。

圖2 炮孔冷卻系統正面布置圖

圖3 炮孔冷卻系統側面布置圖

2)分散制冷系統。

在鉆孔臺車上安裝4個分水器，分水器長度為0.8 m，采用φ150 mm鋼管加工而成，兩端用鋼板密封。在每個分水器上焊接22個分水閘閥，閘閥采用φ20 mm球閥。然后通過φ30 mm的橡膠軟管連接，φ20 mm的鍍鋅鋼管通入每個炮孔內，每根橡膠軟管長度為10 m，每根鍍鋅鋼管長度為3 m。在通水冷卻過程中，隨時對孔內溫度進行檢測，當溫度降到25℃以下時進行裝藥，在孔內溫度回升至35℃以下時完成爆破作業。

3)抽水輸出系統。

在距離掌子面25 m～40 m處開挖一集水坑，用2臺～3臺15 kW的污水水泵(備用多臺)通過專用污水輸出管道將集水坑中的循環水通過排水管道排出洞外。排水管采用φ150 mm鋼管，連接到主洞與支洞三岔口位置，通過支洞內水溝自然流出。

5 炮孔冷卻循環系統效果測試

1)巖體溫度測試情況。

1號洞地熱段下游K1+066～K1+080樁號，通過現場實測炮孔口流水溫度86℃。

2)炮孔內巖體溫控測試情況。

在K1+066靠左邊墻的掌子面，對兩個炮孔進行巖體降溫測試。1號炮孔深度3.5 m以上，2號炮孔深度2.5 m。測試前分別向兩個炮孔內加注冷水，10 min后開始分別對炮孔底部巖體溫度進行測試，每間隔5 min測試一次，連續測試30 min。實測溫度記錄如下:

1號炮孔底部巖體溫度(17:45～17:50)56℃，(17:50～17:55)60℃，(17:55～18:00)76℃;

2號炮孔底部巖體溫度(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℃。

測試結果1號孔升溫速度明顯快于2號孔，分析原因1號炮孔深度大，炮孔底部和地熱泉水連通，冷水降溫后由于孔內不斷有熱水涌出，溫度很快升高。測試結果說明對于沒有和地熱溫泉連通的炮孔，只要采取有效措施，在25 min內完成爆破作業，就能避免爆破作業危險;對于孔內有熱水的炮孔還須采取隔熱、防水措施。

6 超高地熱段鉆爆開挖注意事項

1)鉆爆施工安全控制。

a.炮孔完成后在通風的基礎上，對掌子面噴射冷水降溫，并利用炮孔降溫系統，向每個炮孔內注射冷水20 min～30 min。

b.炮孔直徑從40 cm增大至50 cm以上，對于孔內沒有熱水的，裝藥前將藥包和導爆索捆扎在一起外套PVC管，隔絕炸藥和炮孔壁的直接接觸。禁止雷管入孔，裝藥時增加人員將事先加工好的藥包裝入孔內，縮短爆破作業時間。

c.對于孔內有熱水的，在上述基礎上還要對藥包用石棉進行絕熱處理，并在藥包外套PVC管，嚴禁藥包與孔壁、熱水接觸，所有雷管一律不準入孔。

d.對地熱涌水嚴重的炮孔，先起爆，減少地熱水向掌子面方向的滲流，然后對剩下的炮孔裝藥施爆。保證作業鉆桿的長度，鉆桿入巖時施工人員距離掌子面保持3 m～5 m的安全距離，鉆進時身體不要正對炮孔，防止熱水突然噴出燙傷。

2)施工人員勞動安全。

應根據坑道內的高溫程度、勞動強度和勞動效率，確定勞動工時，合理安排高溫作業時間，加強健康管理，對患有高血壓、心臟病的患者，因高溫作業可能引起癥狀惡化，疲勞、空腹、睡眠不足等容易誘發中暑癥，對此類人員應禁止參加勞動。在高溫作業時，易發生維生素、水分、鹽類的不足，對此需進行充分的補充。為恢復疲勞，應向工人提供適溫適濕的休息環境。

3)有害氣體安全控制。

根據對娘擁水電站有害氣體的檢測表明，高地溫洞段中的有害氣體滿足施工環境，但為了保證現場作業人員的健康和安全，建議采用如下措施:

a.在工作面和洞內安裝固定式傳感器，當洞內氧的濃度在18%以下時，傳感器會報警，以便使洞內人員疏散和禁止人員進入。

b.作業人員攜帶便攜式報警器，爆破人員可進行氣體濃度測定。

c.定期實施疏散訓練。

7 結語

根據地熱段開挖的實際情況，建立炮孔冷卻循環系統，通過控制注冷水量和排熱水量有效控制炮孔溫度，合理調整開挖方案，確保炸藥在限制溫度下使用以及50 m/月～60 m/月的掘進速度，從而保證了高地熱段隧洞的順利施工。

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