高鵬興GAO Peng-xing；段曉彬DUAN Xiao-bin；何佳銀HE Jia-yin；鄭勇ZHENG Yong；陳俊武CHEN Jun-wu；沈劍卿SHEN Jian-qing

（①云南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明 650011；②云南交投集團(tuán)投資有限公司，昆明 650103）

0 引言

我國(guó)西南橫斷山脈地區(qū)高地溫問題較為突出，高地溫處治已成為該地區(qū)隧道施工面臨的重難點(diǎn)。橫斷山脈地區(qū)的高地溫主要表現(xiàn)為地?zé)崴?，地?zé)崴財(cái)嗔褞аh(huán)運(yùn)動(dòng)形成導(dǎo)熱斷裂，因此高地溫?zé)岷Χ温渫ǔＥc斷層破碎帶重合，給隧道的設(shè)計(jì)與施工帶來了巨大挑戰(zhàn)。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)高地溫隧道的研究主要可分為施工階段熱害防治措施與結(jié)構(gòu)熱害處治措施兩方面。魏豪杰等[1]通過實(shí)驗(yàn)研究了高地溫環(huán)境下噴射混凝土的碳化性能，發(fā)現(xiàn)高溫養(yǎng)護(hù)會(huì)加深噴射混凝土的碳化深度，其抗碳化性能明顯降低；黃麟堯等[2]提出了長(zhǎng)大隧道施工階段圍巖散熱量計(jì)算公式，并據(jù)此指導(dǎo)施工方案調(diào)整；李建高等[3]基于典型的高地溫隧道案例—大瑞鐵路高黎貢山隧道，針對(duì)不同熱害等級(jí)提出了多種熱害處治方案。于健[4]詳細(xì)闡述了制冷站作冷源的施工降溫措施以及使用冰塊作為冷源的降溫系統(tǒng)的處理方法。趙文龍[5]基于引水隧洞施工實(shí)例，分析了高溫地?zé)崴矶幢剖┕るy點(diǎn)及對(duì)應(yīng)的解決方案。

本文基于國(guó)道G219 線瀘水至騰沖段高黎貢山騰越隧道施工案例，針對(duì)地?zé)崴畬?dǎo)致的熱害問題分析不同熱害等級(jí)下長(zhǎng)大隧道施工降溫措施的效果，探討長(zhǎng)大隧道熱害施工處治以及結(jié)構(gòu)防治技術(shù)方案，以期為高地溫隧道設(shè)計(jì)、施工提供參考。

1 工程背景

國(guó)道G219 線云南瀘水至騰沖段位于我國(guó)西南橫斷山脈，以隧道形式橫穿高黎貢山，騰越隧道全長(zhǎng)10.49km，為一座設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h 的兩車道隧道。由于地表保護(hù)區(qū)用地限制，該隧道設(shè)置了一座平行導(dǎo)洞以輔助通風(fēng)與施工，如圖1 所示。

圖1 高黎貢山騰越隧道鳥瞰圖（效果圖）

隧址區(qū)地質(zhì)勘查資料顯示該隧道熱害主要源于地?zé)崴碇穮^(qū)內(nèi)分布有三個(gè)構(gòu)造水熱活動(dòng)帶，斷裂構(gòu)造與密集節(jié)理帶是地?zé)崴闹饕\(yùn)移通道，地質(zhì)勘探已查明8 條導(dǎo)熱斷裂與3 條密集節(jié)理帶，并在地表觀測(cè)到對(duì)應(yīng)溫泉，導(dǎo)熱斷裂特征列于表1。

表1 導(dǎo)熱斷裂特征一覽表

通過與相鄰的大瑞鐵路高黎貢山隧道相關(guān)資料對(duì)比，分析得出該地區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)屬于典型的中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)，其熱儲(chǔ)溫度低于150℃，地下深處無附加熱源（無巖漿囊或正在冷卻的大型巖基），深部基巖自身透水性很弱，主要靠裂隙和構(gòu)造破碎帶導(dǎo)水。根據(jù)勘察報(bào)告的圍巖熱水預(yù)測(cè)溫度對(duì)隧道段落進(jìn)行熱害分級(jí)，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)段落長(zhǎng)度見表2 與圖2。

圖2 騰越隧道熱害段落長(zhǎng)度

表2 熱害分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2 高地溫對(duì)隧道的危害

目前國(guó)內(nèi)山嶺隧道施工仍以鉆爆法為主，大量工人在隧道高溫高濕的環(huán)境中進(jìn)行高強(qiáng)度作業(yè)，不僅勞動(dòng)效率會(huì)顯著降低，而且身體健康也會(huì)受到極大的威脅，此外，機(jī)械設(shè)備與電氣設(shè)備的工作效率與安全性也會(huì)受影響，參照《鐵路隧道工程施工安全技術(shù)規(guī)程》（TB 10304-2020）[6]，隧道施工環(huán)境溫度宜不高于28℃，高溫條件下的施工作業(yè)應(yīng)采取防暑降溫措施。

圖3 隧道高地溫危害

隧道襯砌結(jié)構(gòu)也會(huì)受高溫環(huán)境的影響。在高溫變溫的養(yǎng)護(hù)環(huán)境下初支和二襯混凝土的水化反應(yīng)過早結(jié)束，會(huì)導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低，且微觀裂隙較多，碳化速率加快，出現(xiàn)開裂、鋼筋銹蝕等現(xiàn)象，耐久性得不到保證。山嶺隧道施工常采用鋼花管注漿作為輔助施工和堵水措施，圍巖的高地溫環(huán)境會(huì)縮短漿液凝固時(shí)間、增大漿液黏度、降低析水率等，嚴(yán)重影響注漿的擴(kuò)散范圍和加固效果。

3 熱害處治措施

基于調(diào)研相關(guān)高地溫隧道案例，結(jié)合高黎貢山騰越隧道地?zé)崆闆r，本文整理了對(duì)應(yīng)不同熱害等級(jí)的熱害處治措施。

3.1 施工降溫措施

3.1.1 無熱害段落

無熱害段落指圍巖熱水溫度小于40℃的段落，其施工環(huán)境溫度主要與掌子面出水量和水溫相關(guān)，采用變頻節(jié)能軸流風(fēng)機(jī)+長(zhǎng)風(fēng)筒加強(qiáng)掌子面通風(fēng)，同時(shí)從洞外河流引入低溫水，利用霧炮、噴淋等輔助降溫手段，基本可將無熱害段落的施工環(huán)境溫度控制在28℃以內(nèi)。

3.1.2 Ⅰ級(jí)熱害段落

若隧道掌子面滲水量較大且水溫超過40℃，僅靠通風(fēng)與灑水很難將施工環(huán)境溫度控制在28℃以下，需對(duì)圍巖熱水進(jìn)行注漿封堵，根據(jù)出熱水位置可選擇采用Φ42小導(dǎo)管徑向注漿或掌子面帷幕注漿（圖4），對(duì)于集中股狀出水采用水管引排，保證施工作業(yè)點(diǎn)出熱水量小于5m3/h，同時(shí)防止熱水在隧道內(nèi)漫流，盡快歸槽排出。

圖4 注漿堵水措施示意

3.1.3 Ⅱ級(jí)熱害段落

當(dāng)圍巖熱水溫度達(dá)到50～60℃時(shí)，除注漿堵水措施外，可在洞外利用河水制冰，將冰塊運(yùn)輸?shù)蕉磧?nèi)后通過射流風(fēng)機(jī)擴(kuò)散冷空氣，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)功率與冰塊數(shù)量可在一定程度上控制掌子面施工環(huán)境溫度。

3.1.4 Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)熱害段落

當(dāng)圍巖熱水溫度達(dá)到60℃以上時(shí)，采用冰塊制冷效率降低，可采用機(jī)械制冷方式降低作業(yè)面施工環(huán)境溫度，騰越隧道的熱害主要是圍巖熱水引起的，高溫環(huán)境主要集中在掌子作業(yè)面附近，采用局部移動(dòng)式制冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)適用，配合通風(fēng)灑水、注漿堵水、冰塊降溫等措施可將施工環(huán)境溫度控制在28℃以內(nèi)。

對(duì)于Ⅱ級(jí)以上熱害段落，圍巖熱水溫度超過了50℃，即使采取了降溫措施，施工作業(yè)面仍存在局部高溫點(diǎn)，工人流動(dòng)作業(yè)頻繁接觸高溫環(huán)境，易發(fā)生脫水、中暑等事故，每班作業(yè)時(shí)長(zhǎng)需從8h 縮短至4～6h，同時(shí)增加作業(yè)班數(shù)、保證防護(hù)用品供應(yīng)等。

3.2 結(jié)構(gòu)處治措施

為防止熱害造成的混凝土性能劣化和開裂，高地溫段落隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)需采取熱害處治措施。

3.2.1 初期支護(hù)

對(duì)于Ⅱ級(jí)和Ⅲ級(jí)熱害段落，噴射混凝土中需摻入減水劑（1%）及粉煤灰（20%）；對(duì)于Ⅳ級(jí)熱害段落，噴射混凝土中需摻入減水劑（1%）、粉煤灰（20%）和鋼纖維（40kg/m3），以往大量工程實(shí)例證明摻入鋼纖維對(duì)預(yù)防混凝土干裂剝落的效果較好。

3.2.2 二次襯砌

對(duì)于Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)熱害段落，二襯混凝土中需添加減水劑（1%）、礦粉（20%）、粉煤灰（20%）。

3.2.3 隔熱層

對(duì)于Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)熱害段落，高地溫對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響較小，不需要設(shè)置隔熱層；對(duì)于Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)熱害段落，需在初支與二襯之間設(shè)置隔熱層。目前隧道常用的隔熱材料有硅酸鹽復(fù)合隔熱材料和硬質(zhì)聚氨酯隔熱材料（圖5），硬質(zhì)聚氨酯隔熱材料的價(jià)格較高，但隔熱性能相對(duì)更好，基于騰越隧道特點(diǎn)設(shè)計(jì)選用導(dǎo)熱系數(shù)更小的硬質(zhì)聚氨酯泡沫板，厚度為5cm，硬質(zhì)聚氨酯隔熱材料的主要技術(shù)指標(biāo)如表3。

圖5 隔熱材料示意

表3 硬質(zhì)聚氨酯隔熱保溫材料主要技術(shù)指標(biāo)

3.2.4 防水層

對(duì)于Ⅰ級(jí)熱害段落，高地溫對(duì)EVA 防水板基本無影響；對(duì)于Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)熱害段落，隧道常用的EVA、PVC 等材質(zhì)的防水卷材在高溫環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)軟化、變質(zhì)等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響其耐久性，隧道防水層需采用耐熱型復(fù)合防水板。

3.2.5 注漿漿液

對(duì)于Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)和Ⅳ級(jí)熱害段落，通過在注漿漿液中摻入15%-30%的礦粉，可改善漿液的流動(dòng)度，降低漿液黏度，降低水泥水化熱，減少漿液的泌水和離析，使?jié){液擴(kuò)散范圍更遠(yuǎn)，對(duì)巖體注漿固結(jié)的效果更好。

3.2.6 隧道路面

路面層與圍巖無直接接觸，熱害影響相對(duì)較小，對(duì)于Ⅳ級(jí)以下熱害段落隧道路面結(jié)構(gòu)無需處理，對(duì)于Ⅳ級(jí)熱害段落，為防止高溫環(huán)境加速瀝青路面老化，在基質(zhì)瀝青中摻加樹脂聚合物、橡膠聚合物等改善瀝青的高溫穩(wěn)定性，同時(shí)在直接臨空的上面層SMA 瀝青混合料中適當(dāng)添加礦粉以減小孔隙率，增強(qiáng)瀝青層動(dòng)穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文依托沿邊國(guó)道G219 線瀘水至騰沖段高黎貢山騰越隧道工程，根據(jù)地質(zhì)勘查資料分析得出該地區(qū)地?zé)嵯到y(tǒng)屬于典型的中低溫對(duì)流型地?zé)嵯到y(tǒng)，劃分隧道熱害等級(jí)及對(duì)應(yīng)段落，并分析高地溫環(huán)境對(duì)隧道施工與襯砌結(jié)構(gòu)的危害，據(jù)此提出對(duì)應(yīng)的施工降溫措施與結(jié)構(gòu)處治措施，可以為后續(xù)高地溫長(zhǎng)大隧道熱水型熱害處治提供參考。