周菊蘭,鄭道明
(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司,四川成都 610072)
在云南黑白水三級(jí)電站及四川娘擁水電站、鄉(xiāng)城水電站、新疆布侖口-公格爾水電站引水隧洞開(kāi)挖過(guò)程中,受復(fù)雜的水文地質(zhì)條件及隧洞斷面小等因素的影響,在隧洞開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)高地溫、高溫?zé)崴罅坑砍龅那闆r。當(dāng)隧洞內(nèi)出現(xiàn)高地溫、高溫?zé)崴葠毫拥刭|(zhì)條件時(shí),造成隧洞內(nèi)熱氣騰騰,能見(jiàn)度僅為3~5 m,施工人員進(jìn)入工作面后在較短時(shí)間內(nèi)就會(huì)使人感覺(jué)胸悶,時(shí)間稍長(zhǎng)即眩暈嘔吐。由于洞內(nèi)高溫?zé)崴砍龊螽a(chǎn)生大量的熱蒸汽,裹去了一部分氧氣,使有高溫?zé)崴乃矶磧?nèi)氧氣含量下降而導(dǎo)致機(jī)械油料燃燒不完全,造成機(jī)械出力下降30%左右,使施工機(jī)具故障頻率增高,隧洞內(nèi)進(jìn)行排水的水泵由于長(zhǎng)期抽排高溫?zé)崴斐伤玫膿p壞率增高,洞內(nèi)施工無(wú)法正常進(jìn)行。如云南黑白水三級(jí)水電站施工到樁號(hào)0+180~1+000段時(shí),隧洞埋深80~140 m,表層30~60 m為冰磧層。該段洞內(nèi)熱水溫度達(dá)到58℃ ~60℃,熱水流量穩(wěn)定并達(dá)到300 m3/h以上。在四川鄉(xiāng)城娘擁水電站引水隧洞1號(hào)支洞下游樁號(hào)K0+972~K1+017.4處,隧洞開(kāi)挖穿過(guò)高溫?zé)崴當(dāng)鄬?,該段隧洞出現(xiàn)高溫?zé)崴砍觯?jīng)實(shí)測(cè)最大水溫達(dá)78℃,熱水流量達(dá)到30 mL/s。爆破后巖石表面溫度達(dá)到60℃ ~72℃,炮孔內(nèi)溫度達(dá)到62℃~75℃,隧洞爆破后洞內(nèi)環(huán)境溫度達(dá)到50℃。通風(fēng)30 min后,巖石表面溫度下降4℃ ~6℃,洞內(nèi)環(huán)境溫度下降6℃ ~8℃。由于隧洞內(nèi)高地溫、高溫?zé)崴異夯怂矶词┕きh(huán)境,使隧洞的施工難度增大,在高溫?zé)崴h(huán)境下施工造成作業(yè)人員傷病多,施工效率降低。同時(shí),因不良地質(zhì)條件造成施工工序多,處理不良地質(zhì)洞段作業(yè)循環(huán)時(shí)間長(zhǎng),施工進(jìn)度緩慢,施工成本增高,當(dāng)有較大的熱水集中涌出時(shí),往往造成作業(yè)面停工處理。黑白水三級(jí)水電站引水隧洞全長(zhǎng)2 311.7 m,隧洞斷面為4 m×3.6 m城門(mén)型,隧洞施工歷時(shí)58個(gè)月,力盡艱辛,克服各種困難,其中800 m高溫?zé)崴嗡矶词┕v時(shí)37個(gè)月才完成。
該工程引水線路沿線河谷狹窄,山體雄厚,谷坡陡峻,引水隧洞穿越的地層巖性為印支期斑狀黑云母花崗巖,三疊系拉納山組下段(T311)灰色厚~中厚層砂巖夾板巖,三疊系上統(tǒng)拉納山組上段(T312)板巖、砂巖互層。
(1)1號(hào)支洞初次出現(xiàn)地?zé)岙惓2课皇窃跇短?hào)K0+120前后,爆破后巖石溫度為40℃,巖性為花崗巖且局部潮濕,并拌有滲水,花崗巖中長(zhǎng)石風(fēng)化局部嚴(yán)重,風(fēng)化帶呈不規(guī)則分布。在樁號(hào)0+100 ~0+230 洞段的地溫值為25.8℃ ~38.8℃,地溫值趨勢(shì)為每10 m增長(zhǎng)1℃。在樁號(hào)0+240處右側(cè)下部有一股熱泉涌出,水量約10 mL/s,導(dǎo)致該部位地溫值為49.8℃,在樁號(hào)0+290處爆破后巖面溫度達(dá)到48℃ ~50℃。
(2)下游隧洞開(kāi)挖至K1+017.4時(shí),花崗巖銹染嚴(yán)重,局部風(fēng)化,洞壁潮濕。隨著開(kāi)挖的推進(jìn),溫度呈逐漸升高的趨勢(shì)。在樁號(hào)K0+986處分布一條左旋逆沖斷層,即熱水?dāng)鄬樱a(chǎn)狀N20°ENW∠85°,該處為花崗巖與拉納山組下段分界線,上盤(pán)為拉納山組下段的砂板巖,下盤(pán)為花崗巖。樁號(hào)1+017.4處掌子面中下部分布一出水點(diǎn),流量約30 mL/s,水質(zhì)透明,無(wú)味,泉眼周?chē)休^多鈣質(zhì)沉積,水溫高達(dá)78℃。
(3)該工程熱水?dāng)鄬拥目臻g展布特征為:斷層走向?yàn)榻黃N~N20°E之間,傾向W或NW,傾角60°~80°,斷層帶寬 20 ~40 m,斷裂帶由強(qiáng)烈構(gòu)造作用形成的構(gòu)造巖(片狀巖、破裂巖、碎裂巖)及少量的斷層泥構(gòu)成,總體擠壓緊密,斷層面平直,可見(jiàn)明顯的擦痕及階步,顯示左旋走滑斷層特征,擦痕側(cè)伏角約25°,水平錯(cuò)距約300 m,長(zhǎng)度大于20 km。
該工程高溫?zé)崴炊伍L(zhǎng)800 m,地表5~60 m為冰磧層,隧洞通過(guò)洞段巖性為深灰~灰黑色頁(yè)巖,間夾砂質(zhì)頁(yè)巖及薄層砂巖,巖石由強(qiáng)風(fēng)化至弱風(fēng)化,巖石軟弱,節(jié)理發(fā)育,局部地段有少量裂隙。特別是在熱水塘背斜軸(樁號(hào)0+420)前后,巖層傾角小,掉塊較多,還經(jīng)常出現(xiàn)裂隙水集中突涌現(xiàn)象。
樁號(hào)0+636~0+657段為F2斷層破碎帶,圍巖受高地溫、高溫?zé)崴绊?,膠結(jié)極差,部分角礫填充物泥化,在與熱水相互作用后,填充物呈流體狀。
該工程施工區(qū)位于高程2 600~3 400 m的高原山區(qū),隧洞最大埋深約1 600 m,引水隧洞全長(zhǎng)約18 km,隧洞穿越的地層巖性主要為Q1半膠結(jié)含碎石土、黑色石墨片巖、長(zhǎng)石石英片巖、絹云母石英片巖、二云母石英片巖、綠泥石石英片巖、黑云母花崗巖。在隧洞施工過(guò)程中,2、3、4號(hào)施工支洞都出現(xiàn)了高地溫現(xiàn)象,隧洞掌子面最高溫度為67℃,掌子面巖體鉆孔孔內(nèi)最高溫度達(dá)82℃。經(jīng)設(shè)計(jì)分析認(rèn)為引水隧洞主洞樁號(hào)K2+680~K6+779段存在高地溫。該段隧洞圍巖巖性為云母石英片巖夾石墨片巖,隧洞內(nèi)干燥,未見(jiàn)地下水出露。產(chǎn)生高地溫的原因主要是高原區(qū)域熱流值背景下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不均勻性導(dǎo)致熱傳導(dǎo)條件的空間變化和不均勻性引起的,并由熱傳導(dǎo)條件較好的石墨片巖的局部區(qū)域相對(duì)集中所引起。
在地下工程隧洞施工過(guò)程中,隧洞中出現(xiàn)高地溫、高溫?zé)崴砍鰰r(shí),使施工環(huán)境和隧洞內(nèi)條件變得惡劣,隧洞內(nèi)的高地溫、高溫?zé)崴畬?shí)質(zhì)上是勞動(dòng)保護(hù)問(wèn)題,也是生產(chǎn)安全問(wèn)題。為改善施工條件,確保施工人員的勞動(dòng)安全,國(guó)家有關(guān)部門(mén)對(duì)隧洞施工作業(yè)環(huán)境的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)均作了有關(guān)規(guī)定。
(1)鐵道部在隧洞施工中作了明確規(guī)定:隧洞施工過(guò)程中,隧洞內(nèi)氣溫不得超過(guò)28℃。
(2)交通部也對(duì)隧洞施工中的溫度作了明確規(guī)定:在隧洞施工過(guò)程中,隧洞內(nèi)氣溫不宜高于30℃。
(3)水利部在水工建筑物地下開(kāi)挖工程施工規(guī)范中也有明確規(guī)定:洞內(nèi)平均溫度不應(yīng)高于28℃和作業(yè)區(qū)的噪聲值不應(yīng)大于90 dB。
(4)根據(jù)國(guó)外一些資料介紹:在隧洞施工過(guò)程中,日本規(guī)定隧洞內(nèi)溫度應(yīng)低于37℃。
在高地溫條件下施工與常規(guī)氣溫條件下的施工環(huán)境存在很大差異。當(dāng)在高地溫隧洞施工中,掌子面氣溫達(dá)到43℃時(shí),洞內(nèi)蒸氣騰騰,能見(jiàn)度僅為3~5 m,施工人員進(jìn)入工作面在很短時(shí)間內(nèi)即感覺(jué)胸悶,時(shí)間稍長(zhǎng)就會(huì)出現(xiàn)眩暈嘔吐,施工人員無(wú)法正常作業(yè)。由于隧洞內(nèi)惡劣的工作環(huán)境造成施工人員傷病多,工效低。在高地溫、高溫?zé)崴畻l件下施工時(shí),對(duì)施工人員主要應(yīng)防止中暑癥的發(fā)生。中暑癥又分為熱痙攣癥、熱虛脫癥、熱射癥三種類(lèi)型。
(1)熱痙攣癥:由于洞內(nèi)溫度較高,施工人員出汗過(guò)多,體內(nèi)的水分、鹽份損失過(guò)多而引起的病癥。其癥狀是施工人員在作業(yè)時(shí)和作業(yè)后產(chǎn)生陣發(fā)性肌肉痙攣和疼痛。施工人員應(yīng)充分補(bǔ)充鹽水予以緩解癥狀,嚴(yán)重者應(yīng)到醫(yī)院輸液治療。
(2)熱虛脫癥:施工人員在高地溫、高溫?zé)崴挠绊懴?,體內(nèi)水分由于出汗而大量流失,同時(shí)又沒(méi)得到及時(shí)的補(bǔ)充,使施工人員出現(xiàn)熱虛脫癥。該癥的主要狀況為血壓降低、脈搏加快,頭暈、頭痛、嘔吐、全身無(wú)力、臉色蒼白,體溫也產(chǎn)生變化。應(yīng)及時(shí)把熱虛脫人員送到陰涼、通風(fēng)處?kù)o臥休息,并增加補(bǔ)充葡萄糖鹽水,嚴(yán)重者應(yīng)及時(shí)送醫(yī)院處理。
(3)熱射癥:由于施工人員較長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境中工作,雖然補(bǔ)充了鹽水,但環(huán)境溫度遠(yuǎn)高于人體體溫,使人體體溫調(diào)節(jié)中樞失調(diào),體溫上升:其特征為:體溫高、興奮、乏力和皮膚干燥等。應(yīng)在溫度、濕度、通風(fēng)較好的地方休息靜養(yǎng),結(jié)合藥物治療,嚴(yán)重患者應(yīng)及時(shí)送醫(yī)院治療。
施工單位應(yīng)根據(jù)隧洞內(nèi)高溫程度,增加班次,縮短每個(gè)班的作業(yè)時(shí)間,隧洞內(nèi)應(yīng)保證供水,經(jīng)常送綠豆湯到現(xiàn)場(chǎng)供施工人員飲用,并提供舒適的休息場(chǎng)所。為確保施工正常進(jìn)行,必須保證施工人員的健康和安全,加強(qiáng)健康管理,對(duì)患有高血壓、心臟病、肝炎、身體欠健康、歲數(shù)偏大者均不適宜到高溫的隧洞內(nèi)工作。
由炸藥的性能可知:炸藥的熱分解是一種緩慢的化學(xué)變化,其特點(diǎn)是化學(xué)變化的反應(yīng)速度與環(huán)境溫度有關(guān),當(dāng)通風(fēng)散熱條件不好時(shí),分解熱不易散失,很容易使炸藥溫度自動(dòng)升高,進(jìn)而促成炸藥熱分解加劇而導(dǎo)致炸藥熱分解反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿紵虮?。值得注意的?炸藥在不同的反應(yīng)形式下,其能量的釋放速度和釋放形式不同,一旦炸藥由熱分解意外地轉(zhuǎn)化為燃燒甚至爆炸,極易造成重大事故。
所以,在高地溫洞段進(jìn)行爆破施工時(shí),為確保隧洞內(nèi)施工人員的安全,炮孔裝藥時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵守下列規(guī)定:
(1)高地溫洞段的爆破是危險(xiǎn)作業(yè),要制定特殊的管理制度、操作規(guī)程和事故應(yīng)急救援預(yù)案等制度,并對(duì)爆破人員進(jìn)行嚴(yán)格培訓(xùn)。在裝藥前,要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況制定完善的爆破方案和事故應(yīng)急救援預(yù)案,指定專人現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)指揮。
(2)裝藥前應(yīng)及時(shí)清場(chǎng),把場(chǎng)內(nèi)與裝藥和放炮無(wú)關(guān)的其他施工人員清理離場(chǎng)后再進(jìn)行裝藥作業(yè)。
(3)炸藥、雷管、起爆體應(yīng)在清場(chǎng)完成后及時(shí)送到裝藥現(xiàn)場(chǎng),以減少高溫對(duì)炸藥、雷管、起爆體的影響。
(4)裝藥前應(yīng)測(cè)定工作面與炮孔內(nèi)的溫度,炮孔內(nèi)的溫度不應(yīng)高于炸藥安全使用溫度,裝藥前應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng),用低溫水沖洗炮孔,采取齊頭噴霧水降溫。
(5)裝藥時(shí),應(yīng)多派熟練的炮工進(jìn)行裝藥,根據(jù)掌子面大小、炮孔的多少安排4~7人同時(shí)裝藥,每位炮工應(yīng)分片裝藥,應(yīng)從易裝炮孔到難裝炮孔的順序進(jìn)行,按先裝低溫孔,再到高溫孔的裝藥順序?qū)嵤?/p>
(6)全部炮孔裝藥完成后,應(yīng)用最短的時(shí)間堵塞炮孔,堵塞材料用泥土加沙做成泥條堵塞炮孔,嚴(yán)禁使用含硫化物的巖粉作炮孔堵塞材料。
(7)當(dāng)炮孔內(nèi)溫度為60℃ ~80℃時(shí),應(yīng)對(duì)炸藥進(jìn)行保護(hù),用石棉織物將炸藥包裹完好,使炸藥不與炮孔巖壁接觸,從向炮孔內(nèi)裝藥至起爆的相隔時(shí)間不應(yīng)超過(guò)1 h。
(8)在裝藥過(guò)程中,應(yīng)安排專人全程監(jiān)護(hù),發(fā)現(xiàn)炮孔內(nèi)逸出棕色濃煙等異?,F(xiàn)象時(shí),應(yīng)立即報(bào)告爆破現(xiàn)場(chǎng)指揮人員,并迅速組織現(xiàn)場(chǎng)施工人員撤離。
(9)當(dāng)炮孔內(nèi)的溫度為80℃ ~140℃時(shí),應(yīng)采用石棉織物或其它絕熱材料把炸藥條嚴(yán)密包裝好,這時(shí),炮孔內(nèi)起爆體不準(zhǔn)裝雷管,可采用防熱處理的黑索金導(dǎo)爆索起爆,裝藥至起爆的間隔時(shí)間應(yīng)經(jīng)過(guò)模擬試驗(yàn)確定。
(10)孔內(nèi)溫度超過(guò)140℃時(shí),所有爆破器材應(yīng)采用耐高溫爆破器材。
針對(duì)高地溫、高溫?zé)崴炊?隧洞內(nèi)出露的溫泉水溫達(dá)到78℃、巖石表面溫度為60℃ ~72℃、炮孔溫度為62℃ ~75℃、爆破后環(huán)境溫度為50℃)的實(shí)際情況,為改善隧洞內(nèi)惡劣的施工條件、確保施工人員身體健康和勞動(dòng)安全,隧洞開(kāi)挖作業(yè)面的溫度不宜超過(guò)28℃,隧洞內(nèi)最適于施工人員作業(yè)的溫度是15℃ ~20℃。所以,在高地溫、高溫?zé)崴矶词┕ぶ?,必須采用多種綜合技術(shù)措施進(jìn)行降溫,加強(qiáng)通冷風(fēng)、增加冷水摻入量、加強(qiáng)抽排水、加強(qiáng)齊頭20 m冷水噴霧等綜合措施。
(1)加強(qiáng)洞內(nèi)抽排水:為減弱熱水蒸發(fā)面積、使洞內(nèi)氣溫和蒸氣飽和度充分的減小,縮短熱水在洞內(nèi)與空氣中進(jìn)行熱交換的時(shí)間,有利于降低洞內(nèi)環(huán)境溫度。應(yīng)根據(jù)洞內(nèi)滲水量的大小配備抽水設(shè)備,把洞內(nèi)熱水及時(shí)有效的抽到洞外,并應(yīng)配備備用抽水泵。
(2)加強(qiáng)通風(fēng):通風(fēng)是降低洞內(nèi)環(huán)境溫度、抽出洞內(nèi)有害煙塵、改善洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境最重要的方法。在隧洞高地溫環(huán)境下,采用常規(guī)的壓入式通風(fēng)難以達(dá)到降低洞內(nèi)環(huán)境溫度的作用,采用混合通風(fēng)方式,一臺(tái)風(fēng)機(jī)壓入、一臺(tái)風(fēng)機(jī)抽出,可以有效加強(qiáng)洞內(nèi)空氣對(duì)流,抽出風(fēng)桶的出口應(yīng)離壓入風(fēng)機(jī)入口30 m遠(yuǎn),避免風(fēng)機(jī)把排出的熱空氣再次壓入到洞內(nèi)。采用混合通風(fēng)方式,加快洞內(nèi)空氣循環(huán),減少洞內(nèi)熱氣散發(fā)和蒸氣濃度。如果洞內(nèi)環(huán)境溫度較高,輸入空氣經(jīng)降溫后再壓入到隧洞中才能達(dá)到降溫的目的。
(3)注入冷水降溫:在洞內(nèi)高溫?zé)崴雎饵c(diǎn)開(kāi)挖集水坑,讓高溫?zé)崴性诳觾?nèi)進(jìn)行抽排,同時(shí),從洞外抽冷水摻入到高溫?zé)崴刂羞M(jìn)行降溫,以達(dá)到洞內(nèi)熱水的部分熱量被冷水吸收的目的,減少熱水散發(fā)在洞內(nèi)空氣中的熱量,有利于降低洞內(nèi)環(huán)境溫度,水泵抽水容量應(yīng)根據(jù)洞內(nèi)高溫?zé)崴挠砍隽看笮∵M(jìn)行及時(shí)調(diào)整。
(4)噴霧降溫:把洞外冷水管接入洞內(nèi)后,對(duì)高溫?zé)崴髁枯^集中的洞段,從冷水管上接支管和噴霧噴頭向洞內(nèi)噴射冷水霧幕,通過(guò)水霧冷卻洞內(nèi)巖面,冷水霧和洞內(nèi)熱空氣混合,也同樣可以較好的降低洞內(nèi)溫度,同時(shí)達(dá)到降低粉塵濃度、改善施工作業(yè)環(huán)境的作用。
(5)冷凍設(shè)備降溫:在高溫洞內(nèi)施工,有條件的業(yè)主和施工單位可以采用機(jī)械降溫的方式。冷凍設(shè)備能使水結(jié)冰,溫度降到-10℃以下。使用該設(shè)備將增大投入,加大工程造價(jià),一般情況下不采用。
(6)合理安排高溫作業(yè)時(shí)間:由于高地溫、高溫?zé)崴奶攸c(diǎn)而使施工人員體力消耗大、勞動(dòng)效率低,施工中采取2 h換班1次的工作制度,每天6個(gè)班交替循環(huán)作業(yè),以降低施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
(7)炸藥保護(hù)方法:爆破采用定型隔熱藥卷,把炸藥裝入特制的聚乙烯管內(nèi),藥管孔底用潮濕粘土封堵10 cm,藥包裝置到聚乙烯管后,再用潮濕粘土封堵35 cm,然后在聚乙烯管外包裹一層隔熱層。藥包加工制作應(yīng)由專職熟練的炮工在安全地點(diǎn)進(jìn)行。
(8)當(dāng)隧洞掌子面全部鉆孔成孔后繼續(xù)用水進(jìn)行循環(huán)降溫,并測(cè)試巖體鉆孔孔內(nèi)溫度是否在35℃以內(nèi)。當(dāng)滿足雷管安全存放的溫度條件、裝藥準(zhǔn)備工作就緒后,由熟練的炮工快速進(jìn)行炮孔裝藥,總裝藥時(shí)間原則上不宜太長(zhǎng)。
隧洞在高地溫、高溫?zé)崴畻l件下施工時(shí),從多角度、多方法采用綜合降溫措施是有效的、切實(shí)可行的方法,特別是在斷面較小的隧洞施工中,在采用復(fù)雜的設(shè)備降溫困難的情況下,綜合降溫措施在技術(shù)可靠方面有其優(yōu)越性。但應(yīng)注意以下幾點(diǎn)要求:
(1)在高地溫、高溫?zé)崴矶炊蔚拈_(kāi)挖中,必須制定嚴(yán)格的爆破措施及相應(yīng)的應(yīng)急救援預(yù)案和爆破操作規(guī)程等方面的管理制度。特別是在高地溫洞段的施工環(huán)境及實(shí)施爆破作業(yè)十分危險(xiǎn),須經(jīng)常對(duì)施工人員進(jìn)行安全教育,要求施工人員嚴(yán)格按措施作業(yè),裝藥現(xiàn)場(chǎng)雷管隔熱是關(guān)鍵,其次是炸藥量控制上要嚴(yán)謹(jǐn),爆破人員必須了解和掌握不同炸藥對(duì)溫度的要求,確保施工安全。
(2)高地溫洞段施工的速度緩慢,人工、機(jī)械效率低,施工成本較高,每循環(huán)進(jìn)尺所需時(shí)間增大,在每循環(huán)施工過(guò)程中,采取每隔2 h換班作業(yè)工作制,以降低施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。
(3)在高地溫洞段施工時(shí)需安排專人對(duì)洞內(nèi)的環(huán)境溫度和巖體表面溫度及鉆孔后的孔內(nèi)溫度進(jìn)行測(cè)定,并分析原始的溫度變化情況,而技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)溫度變化及時(shí)采取相應(yīng)的降溫措施。
(4)根據(jù)所收集到的資料看:所出現(xiàn)的高地溫、高溫?zé)崴墓こ潭嫉靥幐咴?。在高原從事施工作業(yè),存在缺氧的氣候條件,再加上地質(zhì)條件上的高地溫、高溫?zé)崴?,使施工作業(yè)環(huán)境異常艱苦。因此,在高原上進(jìn)行高地溫、高溫?zé)崴炊蔚氖┕?,需選用體質(zhì)好的作業(yè)人員從事洞內(nèi)施工作業(yè),對(duì)有高血壓、心臟病、體質(zhì)較弱人員應(yīng)嚴(yán)禁進(jìn)洞作業(yè)。