李建高，劉亞飛

(中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

高地溫現(xiàn)象在我國比較常見，尤其在西南部的云貴地區(qū)比較突出[1]。巖體的地溫值與地層巖性、埋深、地質(zhì)構(gòu)造、近期巖漿活動(dòng)以及地下水的活動(dòng)等密切相關(guān)，因此高地溫現(xiàn)象主要在深埋長大隧道內(nèi)出現(xiàn)。隨著我國深埋長大隧道工程越來越多，高地溫現(xiàn)象給施工帶來的危害和挑戰(zhàn)越來越大。

高地溫引發(fā)的熱害突出：1)高溫高濕環(huán)境中人體電解質(zhì)失衡，引發(fā)眩暈、惡心等癥狀,嚴(yán)重影響工作效率，且易造成情緒不穩(wěn)定，誘發(fā)許多事故[2]；2)易造成機(jī)械設(shè)備故障，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度；3)產(chǎn)生的附加溫度應(yīng)力可能引起襯砌開裂，破壞隧道的穩(wěn)定性[3]。經(jīng)過多年勘察，我國已掌握國內(nèi)地溫分布規(guī)律與特征[4]。在此背景下，高地溫降溫處理技術(shù)逐漸成為地下工程和巖土工程界一個(gè)新興的研究熱點(diǎn)。

目前，國內(nèi)外對隧道高地?zé)岬难芯總?cè)重于對原巖溫度的預(yù)測[5]。宿輝等[6]利用FLUENT計(jì)算軟件對隧洞的溫度變化情況進(jìn)行預(yù)測。馮濤等[7]采用"熱水地溫梯度反算法"、"隧底平面等溫線擬合法"繪制了川藏鐵路某段隧底平面等溫線圖。胡兆峰等[8]通過市場調(diào)研分析后，引進(jìn)波蘭TS-300B制冷機(jī)和清華同方水源熱泵，采用單一的制冷方式-局部機(jī)械制冷，進(jìn)行降溫。潘啟俊[9]通過現(xiàn)場實(shí)踐分析高地溫對隧洞開挖工序造成的影響，同時(shí)針對性地制定相應(yīng)的降溫措施，但對隧道整體降溫并未給出具體措施。嚴(yán)健等[10]通過分析干熱巖高地溫隧道的特征及其對工程的影響，現(xiàn)場采用以通風(fēng)為主并結(jié)合噴灑冷水、設(shè)置冰墻的措施進(jìn)行降溫。酈亞軍等[11]僅僅介紹了高地溫隧道在設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營中需注意的幾個(gè)問題，并沒有提出如何解決。楊長順[12]僅僅探討高地溫隧道通風(fēng)降溫的計(jì)算方法，且降溫措施較為單一，無法系統(tǒng)降溫。王建平[13]針對高原高地隧道熱害，提出通風(fēng)、冰塊、灑水等相對系統(tǒng)完善的防護(hù)措施和降溫方法，具有一定的參考價(jià)值。

國外基礎(chǔ)建設(shè)較早，也開展過此類研究。瑞士辛普倫隧道全長19 km，穿越阿爾卑斯山，施工時(shí)采用噴灑冷水降溫，并利用平行導(dǎo)坑通風(fēng)、降溫、排水和疏干地層，解決高地溫問題。日本于1995年貫通的安房公路隧道平均埋深700 m，其部分區(qū)域采用注漿截水法，"平湯低速帶"則采用排水措施[14]?？傮w來講，目前高熱隧道的降溫研究大多數(shù)局限于預(yù)測原巖溫度變化或僅僅研究單一制冷措施對工程的影響，缺乏從設(shè)計(jì)、系統(tǒng)降溫、工程運(yùn)營等方面出發(fā)的整體性研究。

高黎貢山隧道穿越橫斷山脈，涌水量大，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，高溫地下水最高可達(dá)105 ℃，其高地?zé)帷⒏叩貞?yīng)力、高地震烈度的特點(diǎn)在世界范圍內(nèi)也是罕見的。其斜井主井長3 850 m，副井長3 870 m，為目前國內(nèi)最長斜井，主要用于解決高溫下隧道通風(fēng)、用電、排水問題，對隧道建設(shè)和使用具有重要意義。本文依托大瑞鐵路高黎貢山隧道1#斜井，通過綜合通風(fēng)降溫、冰塊降溫、注漿封堵熱水降溫、機(jī)械制冷降溫、優(yōu)化設(shè)備、人員配置等處理技術(shù)和方法，系統(tǒng)解決高地溫給施工帶來的諸多難題，以期為高地溫隧道設(shè)計(jì)、施工提供參考，形成類似工程環(huán)境下的施工標(biāo)準(zhǔn)。

1 工程概況

大瑞鐵路高黎貢山位于我國著名的藏滇地?zé)岙惓У哪涎硬糠?，根?jù)地表出露熱泉的溫度，水溫最高達(dá)102 ℃?？裳须A段共研究6個(gè)方案穿越高黎貢山，最終選取34.538 km的隧道方案。該方案線路位于相對低溫的走廊帶內(nèi)，其余方案受高溫危害影響更大。

高黎貢山隧道為設(shè)計(jì)時(shí)速140 km的單線電氣化鐵路隧道，全隧設(shè)置的輔助坑道為"1座貫通平導(dǎo)+1座主副斜井+2座主副豎井"。1#斜井按主、副井形式設(shè)置，主井為雙車道，長度為3 850 m，坡度為7.48%，凈空尺寸寬為7.7 m，高為6.4 m，用于進(jìn)料、出碴、排污風(fēng)，正洞建設(shè)過程主井采用皮帶運(yùn)輸機(jī)出碴；副井為單車道，長度為3 870 m，坡度為7.44%，凈空尺寸寬為5.0 m，高為6.0 m，用于通風(fēng)、施工排水并兼作施工期間的服務(wù)通道及人員進(jìn)出通道，如圖1所示。

圖1 高黎貢山隧道線路平面布置圖(單位：m)Fig.1 Plan of Gaoligongshan Tunnel route (unit:m)

高黎貢山隧道共分布17套地層巖性，1#斜井工區(qū)主要穿越寒武系上統(tǒng)保山組(∈3b1)板巖、砂巖夾泥質(zhì)條帶灰?guī)r、寒武系上統(tǒng)沙河廠組(∈3s2)板巖、粉砂巖夾灰?guī)r、泥灰?guī)r，巖層軟硬不均，變化頻繁。地震動(dòng)加速度為0.2g。

地下水分為淺表地下水循環(huán)系統(tǒng)(冷水)和深部地下水循環(huán)系統(tǒng)(地下熱水)。其中，淺表地下水循環(huán)系統(tǒng)主要為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水以及碳酸鹽巖類巖溶水3種類型；因?yàn)閰^(qū)域內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，深部地下水循環(huán)系統(tǒng)主要經(jīng)深循環(huán)獲熱增溫后，沿?cái)嗔哑扑閹Щ蚧鸪蓭r與圍巖接觸帶上升，在地貌有利部位呈溫泉、熱泉形式溢出地表。

2 高黎貢山隧道1#斜井熱源分析

高黎貢山隧道1#斜井熱源主要為碴石氧化放熱、碴石冷卻運(yùn)輸放熱、風(fēng)筒氣流壓縮放熱、機(jī)械設(shè)備放熱、爆破放熱、人員放熱等。

高黎貢山隧道1#斜井地?zé)岢梢蝾愋椭饕獮閿嗔焉钛h(huán)型。大氣降水沿補(bǔ)給區(qū)基巖裂隙網(wǎng)絡(luò)下滲，匯集于規(guī)模較大的導(dǎo)水?dāng)嗔褞е羞M(jìn)入深部水循環(huán)系統(tǒng)，地下水和巖體接受巖漿冷凝釋放的余熱和深部對流的輻射。在循環(huán)過程中，深部熱水與炙熱巖體不斷地進(jìn)行水熱交換，并順著巖石的原生裂隙、構(gòu)造裂隙和侵入面上升和釋放，使巖體溫度更高，形成高水溫和高巖溫的狀態(tài)[15]，深孔鉆探巖溫情況如表1所示。

表1 高黎貢山隧道深孔鉆探巖溫Table 1 Rock temperature analysis of Gaoligongshan Tunnel by deep hole drilling

通過深孔鉆探巖溫得出:

1)隧道區(qū)域范圍內(nèi)，整體巖溫隨著隧道的掘進(jìn)，高程每下降100 m時(shí)，巖溫升高范圍為1.37～6.38 ℃，平均升高3.54 ℃，但受斷層的影響，局部區(qū)域巖溫會(huì)出現(xiàn)與以上結(jié)論不一致現(xiàn)象。

2)高黎貢山隧道仰拱填充面平均巖溫為34.43 ℃。

3 隧道高地溫監(jiān)測

高黎貢山隧道1#斜井采用干球溫度作為洞內(nèi)微氣候環(huán)境的評價(jià)指標(biāo)，隧道內(nèi)溫度不得高于28 ℃[16]。以干球溫度28 ℃為分界線，當(dāng)掌子面空氣溫度低于28 ℃時(shí)，隧道施工不考慮溫度影響；當(dāng)掌子面溫度大于28 ℃時(shí)，則根據(jù)所處溫度的高低采取相應(yīng)的降溫措施。為更好地掌握地?zé)豳Y料，施工中對隧道地?zé)岫蔚默F(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容如下。

3.1 洞外環(huán)境溫度監(jiān)測

在洞外風(fēng)機(jī)周圍安裝氣象站(建大仁科RS-QXZN型)進(jìn)行環(huán)境溫度監(jiān)測，測試頻率采用國際通行氣象測定的時(shí)間約定，以格林尼治零點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)(對應(yīng)于北京時(shí)間8：00)，每天8：00、14：00、20：00、2:00各測試1次收集氣象資料，并通過GPRS方式直接將數(shù)據(jù)上傳環(huán)境監(jiān)控云平臺(tái)，再下載至電腦。分析總結(jié)當(dāng)月氣象參數(shù)得出平均值，如表2所示。

表2 2019年9-12月洞外環(huán)境溫度監(jiān)測Table 2 Monitoring of ambient temperature outside tunnel from September to December in 2019

3.2 洞內(nèi)巖溫監(jiān)測

洞內(nèi)巖溫采用隧道邊墻淺孔測溫法進(jìn)行監(jiān)測，如圖2所示。巖溫測試孔布置在距開挖面50 m、距底板1.0～1.2 m高的邊墻上。在圍巖較完整、干燥的巖體處鉆孔，鉆孔深度不小于3 m，孔徑不小于42 mm，鉆孔方向向上傾斜5°～10°。巖溫每7 d測試記錄1次，測試巖溫儀器采用熱敏電阻傳感器。高黎貢山隧道1#斜井巖溫監(jiān)測情況如表3所示。

表3 高黎貢山隧道1#斜井洞內(nèi)巖溫、水溫監(jiān)測Table 3 Rock temperature and water temperature in #1 inclined shaft of Gaoligongshan Tunnel

圖2 洞巖測溫孔布置示意圖Fig.2 Diagram of temperature measuring hole arrangement in cave

3.3 洞內(nèi)水溫監(jiān)測

地下水溫的測試分為超前地下水溫探測和已開挖面地下水溫測試。測試儀器選用高精度測溫儀1310型K型熱電偶電子溫度計(jì)。通過超前水溫探測結(jié)合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)測，在超前鉆孔中發(fā)現(xiàn)地下水并及時(shí)進(jìn)行水溫測試。已開挖的地段，若初期支護(hù)表面存在大面積漫流滲水，則需對漫流水進(jìn)行溫度測試，每7 d測試記錄1次。溫度記錄后，根據(jù)隧道高程變化對應(yīng)的水溫變化進(jìn)行分析。

3.4 洞內(nèi)環(huán)境溫度監(jiān)測

洞內(nèi)環(huán)境溫度主要以干球溫度為評價(jià)指標(biāo)。環(huán)境溫度測試點(diǎn)主要為出風(fēng)筒出口及掌子面附近，掌子面100 m范圍內(nèi)測試間距為20 m，共5個(gè)測試斷面；100～200 m的測試間距為50 m，共2個(gè)測試斷面；超過掌子面200 m,對現(xiàn)場施工影響較小，可不監(jiān)測。環(huán)境溫度監(jiān)測分工序(開挖、出渣、立拱、噴漿)測試，每7 d測試1次。

2019年9-12月份對洞內(nèi)掌子面100 m范圍內(nèi)環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)測，每天按照8：00、14：00、20：00、2:00各測試1次，最終取平均值，形成當(dāng)日洞內(nèi)環(huán)境平均溫度。具體統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 2019年9-12月份洞內(nèi)環(huán)境溫度監(jiān)測表Table 4 Ambient temperature in tunnel from September to December in 2019

4 高地溫隧道綜合降溫技術(shù)研究

4.1 加強(qiáng)通風(fēng)降溫

通風(fēng)降溫是通過增加隧道的供風(fēng)量，使隧道內(nèi)工作面的氣溫降低，從而達(dá)到降溫的一種措施。大量研究表明,適當(dāng)增加供風(fēng)量可以降溫和改善人體在熱環(huán)境中的舒適程度，但是受新鮮風(fēng)溫度、圍巖溫度、巖體導(dǎo)溫系數(shù)等影響，通風(fēng)降溫的幅度是有限的[17]。

高黎貢山隧道1#斜井主井在洞口布置1臺(tái)2×AVH140的軸流風(fēng)機(jī)(功率2×160 kW)，匹配φ1.8 m的加強(qiáng)耐壓風(fēng)管送風(fēng)。設(shè)計(jì)圖紙要求掌子面通風(fēng)量不小于1 200 m3/min，本軸流風(fēng)機(jī)最大供風(fēng)量為2 700 m3/min，符合設(shè)計(jì)要求。

為研究通風(fēng)量對施工環(huán)境溫度的影響，于2019年5月14日、7月13日、12月16日分別采用不同的供風(fēng)量，監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境溫度的變化情況，具體如表5和圖3所示。

表5 不同供風(fēng)量與洞內(nèi)環(huán)境溫度值對比Table 5 Comparison between temperature values and different air supply volumes in tunnel

圖3 供風(fēng)量與洞內(nèi)環(huán)境溫度值對比Fig.3 Relationship between ambient temperature value and different air supply volumes

通過現(xiàn)場試驗(yàn)，可以看出：

1)通風(fēng)機(jī)供風(fēng)不小于設(shè)計(jì)風(fēng)量1 200 m3/min時(shí)，加大供風(fēng)量，現(xiàn)場環(huán)境溫度降低0.7～1.6 ℃；

2)通風(fēng)降溫時(shí)，當(dāng)洞內(nèi)總散熱量一定，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度對現(xiàn)場環(huán)境溫度影響較大，進(jìn)風(fēng)溫度越低，降溫效果也越明顯；

3)根據(jù)現(xiàn)場測試及體驗(yàn)，加大供風(fēng)量對環(huán)境溫度降溫效果不明顯，但是增加了人體皮膚表面汗液的蒸發(fā)速度，提高了作業(yè)人員的舒適度。

4.2 冰塊降溫

冰塊降溫措施主要對局部范圍內(nèi)環(huán)境溫度降溫。為擴(kuò)大冰塊降溫范圍，將1臺(tái)SSF-No1.0型射流風(fēng)機(jī)(功率30 kW)與冰塊配合使用。冰塊放置在射流風(fēng)機(jī)出風(fēng)口處，冰塊融化過程吸收熱量，降低環(huán)境空氣溫度，風(fēng)機(jī)將降溫后的空氣吹向前方，從而達(dá)到降溫效果，如圖4所示。

圖4 自制移動(dòng)冰站降溫Fig.4 Cooling by self-made mobile ice station

2019年8月13日，主井現(xiàn)場環(huán)境溫度為32.6 ℃，分別采用2、4、6、8 t冰量對現(xiàn)場掌子面進(jìn)行降溫，降溫效果記錄見表6。

表6 射流風(fēng)機(jī)前方20 m處冰塊降溫效果對比Table 6 Cooling effect by laying ice at 20 m in front of jet fan ℃

從試驗(yàn)結(jié)果得出：

1)融化時(shí)間?，F(xiàn)場使用2 t冰融化時(shí)間約2 h，使用4 t冰融化時(shí)間約4 h，使用6 t冰融化時(shí)間約6.5 h，使用8 t冰融化時(shí)間約9 h。

2)本射流風(fēng)機(jī)有效送風(fēng)距離約為30 m。因此采用冰塊+射流風(fēng)機(jī)在30 m內(nèi)降溫效果明顯；超出30 m，降溫效果不明顯。

4.3 注漿封堵熱水降溫

當(dāng)圍巖流出熱水量較大、通風(fēng)降溫+冰塊降溫不足以將環(huán)境溫度降至28 ℃以下時(shí)，采取對出熱水段進(jìn)行注漿堵水，減少熱水流出及散發(fā)熱量，如圖5所示。注漿堵水按照"以堵為主，限量排放"的原則，注漿后控制出熱水量小于或等于5 m3/h為宜。

圖5 堵水注漿示意圖Fig.5 Schematic diagram of water sealing by grouting

由于高溫圍巖和高溫裂隙水，常規(guī)混凝土材料在工作中會(huì)出現(xiàn)性能劣化、物理力學(xué)和耐久性衰退等情況，且溫度越高，劣化趨勢越明顯，因此有必要按比例摻和一定的高溫穩(wěn)定劑[18]。注漿材料采用普通水泥-水玻璃雙液漿，配合比為1∶0.8，注漿壓力為1.0～1.5 MPa，注漿順序由少水處向多水處呈梅花形逐步、反復(fù)注漿施工。當(dāng)水壓高于1.5 MPa時(shí)，采用φ108 mm無縫鋼管作為導(dǎo)水管將水引至臨時(shí)集水坑，導(dǎo)水管上安裝閥門，然后對突水點(diǎn)周圍進(jìn)行壓漿固結(jié)處理，注漿強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)的90%。最后，進(jìn)行關(guān)水測壓試驗(yàn)，測定靜水壓力，確定注漿終壓。同時(shí)觀察整個(gè)支護(hù)體系及圍巖是否漏水。

高黎貢山隧道1#斜井主井XJ1ZK1+215～+185段出水量較大，平均水溫為35.1 ℃。對本段進(jìn)行注漿堵水后，施工現(xiàn)場注漿前后環(huán)境溫度對比如表7所示。

表7 對出熱水段注漿前后環(huán)境溫度對比表Table 7 Ambient temperature before and after grouting in hot water section

通過對高溫出水點(diǎn)進(jìn)行堵水注漿，可以有效減少熱源散出，注漿后環(huán)境溫度比注漿前環(huán)境溫度降低約1.5 ℃，提高了作業(yè)人員的舒適感。

4.4 機(jī)械制冷降溫

機(jī)械制冷降溫就是采用制冷設(shè)備來降低風(fēng)流溫度，制冷降溫系統(tǒng)是由制冷站(冷源)、輸冷系統(tǒng)、傳冷系統(tǒng)和排熱系統(tǒng)4個(gè)基本要素組成的。制冷降溫系統(tǒng)的功能是通過制冷劑、載冷劑(冷水)和冷卻水3個(gè)獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng)的聯(lián)合工作來實(shí)現(xiàn)。

機(jī)械制冷根據(jù)制冷方式不同，分為局部制冷和集中制冷。局部制冷適用于隧道熱源單一、空間簡單區(qū)域；集中制冷適用于復(fù)雜、需冷量多的施工環(huán)境。2種制冷模式性能對比如表8所示。

表8 集中制冷與局部制冷降溫系統(tǒng)性能對比Table 8 Performance comparison between central and local refrigeration cooling system

4.5 優(yōu)化資源配置，增加作業(yè)人員、設(shè)備數(shù)量

在高地溫環(huán)境下作業(yè)時(shí)，作業(yè)人員易發(fā)生脫水，維生素、鹽分流失，甚至中暑暈倒和中暑死亡事故。因此在高地溫環(huán)境下施工，需要合理調(diào)整作業(yè)人員作業(yè)時(shí)長，增加勞動(dòng)人數(shù)和作業(yè)工班，每班作業(yè)時(shí)長由原來的8 h，縮短4～6 h，實(shí)行4～6班倒作業(yè)，以保證施工人員的健康和安全。

進(jìn)入高地溫施工段后，考慮到施工機(jī)械設(shè)備(挖掘機(jī)、裝載機(jī)、出碴車、罐車等)故障率增加，效率降低，易出現(xiàn)高溫開鍋現(xiàn)像，采取增加機(jī)械設(shè)備配置數(shù)量、維修人員及易損件儲(chǔ)備等措施，保障正常施工。高地溫段落與常規(guī)段落主要施工設(shè)備對比如表9所示，各道工序人員對比如表10所示。

表9 高地溫段落與常規(guī)段落主要施工設(shè)備對比Table 9 Comparison of main construction equipment between high ground temperature section and regular section

表10 單個(gè)掌子面高地溫段落與常規(guī)段落各道工序人員對比Table 10 Comparison of worker numbers between single tunnel surface in high ground temperature section and regular section

5 綜合降溫效果評價(jià)

采用加強(qiáng)通風(fēng)、冰塊、注漿堵熱水、機(jī)械制冷等多種措施，可有效降低環(huán)境溫度，改善隧道內(nèi)作業(yè)環(huán)境，提高人員的舒適度，降低設(shè)備故障率，保證安全生產(chǎn)，提高人員、設(shè)備工作效率，加快施工進(jìn)度，同時(shí)節(jié)約項(xiàng)目成本。綜合降溫組合措施及效果分析如表11所示。

表11 綜合降溫組合措施及效果分析Table 11 Comprehensive cooling combination measures and effect analysis

6 結(jié)論與建議

6.1 結(jié)論

1)高黎貢山隧道1#斜井洞內(nèi)環(huán)境溫度高，不是由洞外溫度變化引起的，主要受構(gòu)造裂隙熱水影響巖溫，同時(shí)熱水排放增高洞內(nèi)環(huán)境溫度。

2)通風(fēng)降溫時(shí)，若供風(fēng)大于設(shè)計(jì)風(fēng)量1 200 m3/min，加大供風(fēng)量對現(xiàn)場環(huán)境溫度降溫效果較小，可降低0.7～1.6 ℃，但是增加了人體皮膚表面汗液的蒸發(fā)速度，提高了作業(yè)人員的舒適感；現(xiàn)場環(huán)境溫度與風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)溫度有著密切聯(lián)系。

3)冰塊+射流風(fēng)機(jī)組合降溫可有效降低環(huán)境溫度，降溫幅度為2.1～3.1 ℃。

4)通過對高溫出水點(diǎn)進(jìn)行堵水注漿，可以有效減少熱源熱量散出，注漿后環(huán)境溫度比注漿前環(huán)境溫度降低約1.5 ℃，提高了作業(yè)人員的舒適感。

5)從高黎貢山隧道1#斜井機(jī)械制冷的成本、使用、維護(hù)等方面對比分析可知，應(yīng)采取集中固定式降溫系統(tǒng)。

6)在高地溫環(huán)境下作業(yè)時(shí)，需要增加勞動(dòng)人數(shù)和作業(yè)工班數(shù)量，合理調(diào)整作業(yè)人員作業(yè)時(shí)長；需要通過增加機(jī)械設(shè)備配置數(shù)量、機(jī)械維修人員及易損件儲(chǔ)備等措施，保證現(xiàn)場正常施工。

6.2 建議

1)由于冰塊量消耗較大，市場上冰塊單價(jià)及運(yùn)輸費(fèi)用較高，為節(jié)約項(xiàng)目成本，建議自建制冰設(shè)備。

2)由于冰塊占地面積大，因此建議降溫過程采用4 t冰量，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場2.0～2.6 ℃降溫，每4 h左右添加1次冰塊。

3)注漿堵水降溫，建議組織有經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)注漿作業(yè)人員，否則影響注漿工效和注漿效果，最終影響降溫效果。

4)建議根據(jù)不同隧道的高地溫情況，選取不同的降溫組合方案進(jìn)行降溫。