高原地熱條件下隧道建設技術的研究

李 哲

摘要 本文結合拉日鐵路達嘎山隧道的建設，針對高地溫引起的問題，從施工技術和安全生產方面提出了相應的措施。為保證在高溫環境下施工的正常運行，采取降溫、支護以及相應的安全爆破方法；另外，提出了一系列保護工人健康的安全措施。

關鍵詞 高原地熱；隧道；施工措施；安全

中圖分類號U45 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2012）67-0050-02

0 引言

高原地熱條件下，隧道施工時洞室內的高溫地熱會對工程產生熱害，產生較大影響。施工環境中高溫高濕現象不僅危害作業人員的健康和安全，同時也將降低勞動生產率，甚至使施工無法進行；同時使機械設備的工作條件惡化，效率降低，故障增多。因此，對高原地熱條件下隧道施工措施的研究就顯得尤為必要。

1 工程概述

1.1 工程概況

達嘎山隧道位于雅江左岸山前沖、洪積臺地后緣一山坡上；洞身通過雅魯藏布江北岸中高山區，地形起伏極大，地勢極為陡峻，洞身穿越的山體高程范圍為3 780m~4 530m，山勢總體東高西低，山體周邊沖溝發育，V型沖溝較多，溝內小型泥石流發育，洞身上方有一條常年流水沖溝；出口位于一泥石流沖溝左岸。

1.2 地熱對施工的影響

隧道施工中，人員和機械都受到地熱較大影響，主要情況有以下幾種：

1）很多施工人員由于作業時間長，會出現頭暈、嘔吐情況；

2）由于施工機械散熱難問題，造成故障率逐漸升高；

3）在部分地段圍巖表面，潮解現象時有出現，遇水變成粉末狀，造成巖面噴射混凝土很難粘結；

4）造成普通的硝銨炸藥膨脹，有的出現包裝紙脹裂的現象；部分導爆管發生軟化失去彈性，在擠壓后無法恢復原狀；

5）大部分砂漿錨桿強度降低；

6）測量儀器精確度大大下降，在測量儀器說明書中正常工作環境溫度范圍為-20℃~40℃。

2 防地熱關鍵技術及措施

在施工過程中應及時做好超前地質預報，確定熱泉的成因、水源、運動、水質、水量等參數，上報設計院進行動態設計，及時增加散熱橫洞。治理洞內熱水按照“以堵為主，以排為輔”的原則。嚴防熱水在隧道內蔓延而威脅施工人員的安全。在溫度較高的地段，可采取噴霧降溫；在有條件的地段，可抽取江水在隧道內形成水循環降溫系統。還應加強合理組織施工，優化工序循環，加大機械施工在總施工時間中的比例，盡量減少人員的操作時間。并做好施工應急預案，在備好搶險物質。

2.1 房地熱關鍵技術

2.1.1 輔助坑道設計

在峽谷區地質的復雜情況下，隧道洞口施工場地困難非常大。此隧道應考慮運營通風、工期等要求結合隧道所處地質、地形條件設置四座輔助坑道。對于地熱隧道施工中，輔助坑道選取應盡量考慮順坡橫洞。

2.1.2 抽排洞內熱水

應采用2臺5.5kW、30m3/h的水泵通過80mm(壁厚5mm)鍍鋅管及時的將集水坑內混合水排出洞外，以達到縮短熱水在洞內與周圍空氣進行熱交換的時間段，有利于降低洞內環境溫度。洞內溫泉熱水的涌出量是水泵的容量進行及時調配的依據，應備用一臺水泵。

2.1.3 加強通風

改善隧道內濕熱條件的最簡便的方法是加強通風，尤其是在熱害程度較小的情況下效果更加突顯，而且也是非常經濟可行的。

1）在采用通風降溫時，通常都是加大風量，讓空氣來吸收由巖體放出的熱量，來降低溫度；再者是把風速提高，來改善自身散熱條件。然而風量和風速的增加是有限制的，由于過高的風速會引起粉塵顆粒對身體健康影響比較大；

2）在設備和施工條件有限的條件下，要確保風管的安裝質量、保證維護管理順利、降低漏風和風壓損失，而利用增加管路和風機來增加通風量不現實時，必要時可以選用風機分散串聯辦法來確保風管的漏風長度，進而做到加大風壓和風量；

3）在布置通風系統時，要達到降溫的目的必須進行合理的安排。設計通風時要保證風速及風量、溫度及濕度等參數的確定合理，為降低進入風流中的水汽和熱量，還要讓濕源、熱源與進風流相互避開；

4）在工作面附近采用局部通風措施，如引射器等也可加大局部通風強度，提高工作面的風速。

加強通風也是降低洞內作業環境溫度、改善作業條件的一種重要手段。洞內處于高溫環境時，選取常規的單管壓入式通風不易達到高效降低洞內環境溫度，尤其是伴隨掌子面的推進，洞內通風效果也越來越差。可以加設一臺通風機，選取規格為117kW×2、1 800m3/min，利用φ1500mm的風管給工作面送風，選用的通風方式為雙管壓入式。在布置洞口外面的通風機時，最好是遠離洞口30m，以防洞內排出的熱空氣循環再次進入通風機中，影響通風降溫的效果。

2.1.4 噴霧降溫

從洞外水池把冷水水管接至洞中，把兩根φ100mm的輸送鋼管順著洞頂分別架設于兩側，還要每隔3m~5m在鋼管上安設噴霧器裝置，做到沿洞線噴霧。利用水霧冷卻洞內巖面，使其與洞內熱空氣混合，達到有效的降低洞內溫度的目的。此時，洞內粉塵還可以通過高壓噴霧吸收，大大降低粉塵濃度，有效改善施工條件。

2.1.5 應用隔熱材料

利用熱導率低的隔熱材料來減少冷熱之間的熱交換以達到降溫的目的。此材料大多用于管道、巖面和風筒隔熱單個方面。

1）用于圍巖隔熱：可以在圍巖四周均勻噴涂隔熱材料；再襯砌背后充填隔熱材料；采用使隔熱材料噴涂在內層或中層的復合式襯砌的方法；

2）用于管道隔熱：在管外包裹泡沫塑料，同時噴涂化學發泡劑或直接采用硬質塑料管來達到減少散熱的功能；

3）用于隔熱風筒：為阻止熱量交換采用雙層隔熱風筒或外包隔熱材料的風筒等。

高地熱隧道的施工措施的方式多種多樣，可在施工過程中如何因地制宜的運用相應措施來達到良好的降溫效果，這是一個需要謹慎考慮的問題。

2.2 支護措施

洞內高溫是由于隧洞穿越斷層、地下高溫溫泉涌出造成的。在施工進程中，應當在掌子面推進時使用超前勘探，且超前探孔達到120m。同時，利用超前鉆孔掌握掌子面前的具體地質環境，進而采取有效措施防范隧洞開挖中可能出現的塌方、集中涌水等情況。在地下水富足、洞段集中時可以選取超前灌漿來攔截地下水；遇到圍巖破碎穩定性差時，可以選取超前管棚、導管注漿、超前錨桿等方法，來確保施工中圍巖的自穩能力。

高地熱條件中，在隧洞襯砌支護施工期間首先要確保洞內溫度適宜；其次還要保證運行期間列車的正常運作。因此，在選擇襯砌支護形式時，應綜合考慮施工期和運營期的要求。無論何種形式，模筑混凝土的優先選擇都應考慮以下方面：

1）采用合適的水灰比，還要考慮到混凝土的耐久性，采用分離粉碎型高爐礦渣水泥，通過試驗后優選混凝土配合比和摻合劑，以此來防止高溫時混凝土的強度降低；

2）一般襯砌混凝土的澆筑長度要適當縮短；

3）為了混凝土襯砌的收縮可以不受約束，緩沖材料可選用防水板和無紡布組合而成；

4）一般在兩側拱角延長方向適當設置裂縫誘發縫。

2.3 爆破作業

一定要快速集中裝藥、孔內裝藥并在孔外起爆。在經過重復試驗后，把冷水注入孔內，在1.5h后可降低炮孔中的溫度至25℃左右，需要30min時間來達到規范要求的35℃，所以要達到火工品使用安全，就一定在30min內做好裝藥爆破作業。一次起爆孔的數量和配備爆破工的數量的確定可利用必要條件反向計算得到，進而保證火工品的使用安全性。

4 高溫環境下的安全文明施工

我國有關部門對隧道施工作業環境的衛生標準都有規定，為保證隧道施工人員進行正常的安全生產。比如鐵道部規定，隧道內氣溫不得超過28℃；如交通部規定，隧道內氣溫不宜高于30℃。

4.1 調整施工組織

對施工現場進行實地考察分析，進而調整施工組織：作業形式仍采用原來的三班倒，適當增加每個班組作業人數，將原班組每班10人~15人，增加至每班20人~32人，每班分為兩組，縮短每班組人員的作業時間。每組工作時間控制在1h~2h，采取輪流循環作業方式，前一組進入低溫室休息，下一小組緊接著進行作業。盡量提高機械施工在總施工時間中的比例，進而減少人員的作業時間。同時，施工應急預案工作要到位，搶險物質一定要備齊。

以防進洞施工的機械設備因高溫作業環境經常出現的熄火問題，需增加一套機械設備，使洞內機械設備輪流工作，并做好洞外機械設備的及時維修和保養。

4.2 加強勞動保護

按國家相關的規定：假如施工單位不能有效降低工作場所溫度，溫度高于33℃時必須支付給勞動人員高溫補貼費。為確保現場正常施工，需要增加一倍以上的工人工資，并且及時供應防暑降溫食物，還要加大勞保用品的發放力度，同時，做好所有勞動人員定期身體檢查的工作。作業人員出入隧洞，必須有專門運輸車輛接送，以確保人員的身體健康及施工現場的正常進行。只有真心做到關愛工人，才能調動他們工作的積極性，并保證施工正常進行。

4.3 安全管理措施

對于項目部必須安排安全員24小時跟班作業協助施工、現場指導，還有爆破工作必須聘請專業人員；持續做到短循環、小進尺，統一指揮洞內爆破，裝藥量預先設計；裝藥前必須用高壓風吹干凈爆破孔，并做好爆破孔數量檢查；裝藥時由爆破員區別好毫秒雷管段別，謹遵爆破設計順序進行裝藥；爆破裝藥前布設崗哨，以防非工作人員誤入爆破區。作業分組、分片做到定人定位施工，保證集中快速完工。在工作面和洞內安置固定式傳感器，設置在洞內氧的濃度不足18％時，自動的氣體報警器便發出報警信號，保證洞內人員及時安全疏散。

5 結論

通過對拉日鐵路達嘎山隧道地熱段分析，闡述地熱對施工的影響，并總結有關隧道地熱段建設的施工方法，并對高溫環境下的安全文明施工進行介紹。由于不同的工程地質條件和水文條件，實際隧道中由地熱產生的問題也是不一樣的，需針對實際情況對隧道地熱段選用合理的施工安全措施。

參考文獻

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