高地溫隧道施工及防護技術淺談

楊文斌

中鐵十二局集團第二工程有限公司 山西太原 030000

1 工程概況

線路概況。新建川藏鐵路拉薩至林芝段（簡稱“拉林鐵路”）位于西藏自治區東南部，線路從既有拉日鐵路協榮站引出，向南穿過岡底斯山余脈進入雅魯藏布江河谷，于貢嘎跨過雅魯藏布江后向東經扎囊、乃東、桑日、加查、朗縣、米林至林芝，新建正線長度402．405km，運營長度 434．905km。

2 隧道地熱地質特征

2.1 地熱地質特征

（1）水熱活動特征。

①沿線地表水熱顯示類型及特征：

拉林鐵路沿線的水熱顯示有溫泉、溫熱泉、熱泉、泉華、鹽化、冒汽地面等類型。

根據國家技術監督局頒布的《地熱資源地質勘查規范》（GB11615-2010）的相關規定，地熱資源按溫度分為高溫、中溫、低溫三類（見表1）[1]。

表1 地熱資源溫度分級

②水熱活動的影響因素。水熱活動的形成受諸多因素影響，其中起主要作用的是構造活動、巖漿活動、氣候條件（大氣降水和地表水）及地貌等，現結合拉林線的地勘資料將其分述如下：

a．新生代巖漿巖和水熱活動的關系。拉林線雅魯藏布江峽谷區，在雅魯藏布江的南北兩岸以及線路附近分布的主要巖性就是燕山—喜山期閃長巖、花崗閃長巖，其溫泉、溫熱泉、熱泉的分布也主要集中在此段。

b．地表水與水熱活動的關系。拉林線雅魯藏布江峽谷區段主要的地表水為雅魯藏布江江水及其支流，從對江水、江邊出露的熱泉水水質試驗結果來看：江水的水化學類型為HCO3-Ca（Na+K）型，而熱泉水的水化學類型為Cl·SO4-（Na+K）型，從以上類型可以看出，地表水在補給給地下熱水后，在熱儲構造的加熱和運移過程中，Ca離子沉淀富集，鈣華現象就是明顯的佐證，CO2析出，H2O留于熱水中，從而形成了熱泉的水化學類型。由此可見，雅魯藏布江江水及其支流與其旁側的水熱系統之間有一個局部的水循環過程。

c．地貌與水熱活動的關系。拉林線雅魯藏布江峽谷區的泉水均位于負地形地區，即：深切的溝谷、河谷兩側。由于泉水出露的地方沒有或很少有第四系松散礫石層堆積，因而難于形成空隙型熱儲層，熱儲多由兼具通道性質的基巖斷裂和裂隙構成。

（2）隧道熱害分級。通過調研規范發現，目前我國隧道行業關于施工溫度的規定非常粗略，在遇到施工、運營熱害問題時不便于操作。為便于使用，從隧道勘察設計和施工兩個階段分別提出熱害分級。隧道勘察設計階段的熱害根據原始巖溫（干球溫度）進行預測分級，如表2所示，共分為四級。隧道勘察設計階段熱害預測分級也可采用鉆孔封閉且熱交換平衡后的孔內空氣干球溫度或孔內水的溫度。施工階段的熱害分級考慮兩個因素，即隧道內干球溫度（ta）和相對濕度，并考慮高溫的適應人群和非適應人群，共分為四級，如表3所示[3]。

表2 隧道勘察設計階段熱害預測分級表

表3 隧道施工階段熱害分級表

2.2 地熱對鐵路工程（特別是隧道工程）的影響

根據以往的調查和綜合勘探工作，并結合區域地熱地質資料，拉林線雅魯藏布江峽谷區段的地熱傳導方式主要為：熱傳導（巖溫）、熱對流（汽、液相地熱流體）和熱輻射。因此，地熱對鐵路工程（特別是隧道工程）的影響主要表現為以下幾方面：

（1）地熱的存在將惡化施工環境，增加工程的施工難度。如在隧道的施工過程中，突然的熱水、熱氣的噴出，會造成人員的傷亡。

（2）地熱的存在影響圍巖的穩定性。地熱流體（氣、液相）多沿節理密集帶賦存、運移，由于其長期的活動，勢必會增加基巖的節理或者加寬節理寬度，造成巖石的再次分解變形，從而影響隧道圍巖的穩定性[2]。

（3）地熱的存在對施工材料的影響。由于地熱流體（氣、液相）中含有大量的腐蝕性礦物成分，對施工材料特別是鐵質材料具有強烈的腐蝕作用，因此，在設計、施工中對施工材料的要求會更高。

（4）地熱的存在對施工工藝的影響。由于地熱流體（氣、液相）或者高巖溫，均為高溫性，因此在設計、施工中對施工工藝中高溫環境作業會有特殊的要求。

（5）高地溫產生的附加溫度應力可能引起襯砌開裂，對結構的安全及耐久性不利。

（6）高地溫的存在對鐵路運營的影響。在隧道工程中，由于熱輻射或者巖溫傳導引起的地熱問題，在運營過程中會長期存在，對通行旅客及養護人員均會造成不利影響，所以，在設計、施工中對隧道通風的要求會更高。

3 拉林鐵路巴玉隧道溫度施工監測

3.1 高溫地段檢測方法

（1）便攜式檢測設備。

①溫度測量激光槍：用于測量巖石表面溫度。

②干濕溫度計、玻璃溫度計：主要用于測定環境溫度、水溫。

③便攜式智能測溫儀（SH612型）：用于測定孔內溫度。

④熱力指數計（黑球測溫儀8778型）：用于環境溫度測量。

（2）檢測項目及頻率。

①炮孔溫度：

a．檢測項目：炮眼鉆孔后孔內3m處溫度、裝藥前孔內溫度。

b．頻率：每次開挖打鉆，掌子面分部位檢測15～25個炮眼。

②超前探孔溫度。掌子面連續施工50m超前探孔，每環搭接5m，每次3個探孔。

a．檢測項目：超前探孔內孔深10m，1次測溫。

b．頻率：每次超前探孔施工。

③后方巖溫、環境溫度：

a．檢測項目：離掌子面一定距離后的巖體溫度、環境溫度。

b．頻率：每50m在兩側邊墻鉆3m深孔（每100m加深至5m），測定孔口、孔內1．5m、3．0m、5m處的溫度。相應里程的環境溫度。

④工作面溫度：

a．檢查項目：放炮前巖面溫度，環境溫度，放炮后巖面溫度，環境溫度，出碴后巖面溫度，環境溫度。

b．頻率：每循環測定。

⑤水溫測定：

a．檢測項目：每處出水點的水溫。

b．頻率：水溫一周測定一次

⑥氣體記錄：

a．檢測項目：水蒸氣等氣體記錄

b．檢測頻率：單獨記錄描述氣體出現的時間，里程，部位等相關信息。

3.2 高地溫施工監測

（1）隧道施工過程中的超前地質預報。參考以往對高地溫隧道的處理經驗，結合拉林線具體隧道的高地溫情況，在設計、施工中主要從以下幾個方面采取針對性的措施：

①研究區域地質資料。

②地質素描，隨開挖及時進行，地層巖性變化點、構造發育部位、地下水發育帶附近每開挖循環進行一次素描，其他地段每10-20m進行一次素描，以便隨時掌握開挖地質情況。

③紅外探測，原則上可以定性預報掌子面前方30m范圍內有無地下水，圍巖溫度的變化趨勢。

④根據地質素描、紅外探測結合區域地質資料初步綜合分析，若掌子面前方未發現地質異常現象，可以不進行超前鉆探；若肯定有或把握不準，則要進行超前鉆探。

⑤地質綜合判析。地質綜合判析是綜合地質預報方法的中樞，它對以上所采用的各種預報手段獲得的資料進行歸納、分析、對比，提出最終預報結論和工程措施建議，指導施工，并確定下一步預報的方案和工作計劃。

4 高地溫隧道施工過程降溫、防護技術

4.1 巴玉隧道施工降溫

高地溫隧道施工應以非人工制冷降溫技術為主，降溫措施的技術圖見圖1所示。

包括以下幾個方面：①通風降溫：通過增加風量，提高風速，吹送冷風。可采用制冷設備將進風空氣制冷；②噴霧灑水降溫：可采用噴霧、噴淋、灑水等方法進行降溫；③低溫冷水降溫：可利用施工所在地的低溫河水（或江水）通過水泵循環降溫；④冰塊冷卻降溫：在掌子面附近或在施工人員較集中地點局部放置冰塊進行物理降溫；⑤熱水處理：隧道的熱水溫度較高，可用超前疏排熱水，或用有隔熱蓋板的水溝或隔熱管道排放。⑥個體防護：工人穿冷卻服是個體防護的主要辦法。

針對本隧道的其它降溫措施：①根據隧道內的高溫程度、勞動強度和勞動效率，縮短每班作業人員的作業時間，增加休息時間，合理安排高溫作業時間；②增設洞內休息室：在提供班組人員臨時休息的低溫室內布設風扇、空調及各種防暑用品等；③加強健康管理，做好勞動保護：禁止疲勞、空腹、睡眠不足、酒醉等作業人員參加勞動；④盡量采用機械化作業，最大限度降低人工作業：⑤加強超前地質預報和動態監測，用監測數據指導施工[3]。

（1）灑水、噴霧降溫。洞內鋪設Φ100mm鋼管作為專用降溫水管，采用特制噴頭做噴霧器，24小時噴霧灑水作業。噴頭每隔20m設置一處，靠近掌子面地段和襯砌作業面10m/處加密設置，見圖2。

利用高壓灑水車對爆破后裸露的巖面、炮碴進行灑水降溫，減少熱源。

另外在隧道拱頂處設置灑水管道，鋪設Φ50mm水管作為專用降溫水管，采用特制噴頭做灑水器，24小時進行噴淋狀灑水作業。不僅可以起到降溫作用，還可以減少洞內灰塵，明顯改善洞內環境，對作業人員職業健康起到了積極作用，見圖3。

高地溫隧道采用灑水車進行灑水降溫，在隧道作業期間對爆破后裸露的巖面、路面、初支面、二襯面進行灑水，每天進行2次灑水，每次灑水量約為15m3，見圖4。

（2）制冰、冰塊降溫。為改善人員在隧洞內的施工環境，把冰塊放置在掌子面附近，通過冰的溶解、水的吸熱蒸發進行物理降溫。每天在施工現場制冰，通過卡車輸送到施工工作面，用于降低環境溫度，改善作業環境。通過對現場環境溫度的實測，隧道內的環境溫度有3-5℃的降低。

現場制冰機房（80m2）、儲冰室（24m2）距離洞口2km，由6人專職24小時制冰存儲，每天安排4人搬運冰塊至洞內，一天4次，保證洞內冰源的充足，見圖5。

4.2 個體、設備防護技術

防護主要從個體防護、設備防護方面展開，主要的技術圖如6所示。

（1）個體防護。從現場溫度實測可知隧道內溫度高達35-49℃，同時巴玉隧道位于高原地帶，在高溫環境和高原缺氧的雙重作用下對施工人員是個極大的挑戰。工人穿冷卻服是個體防護的主要措施，個體防護還要做好以下幾點：

①合理安排勞動和休息時間。根據隧道內的高地溫程度、工人勞動強度和工作的勞動效率，盡量減少用工量，以保證施工過程中施工人員的健康和安全。

②設置洞內休息室。在洞內設置移動休息室，保證作業人員在高溫環境下，能得到相應的休息、保護以及體力的恢復，以確保正常工作效率。

移動休息室采用保溫防火材料制作，面積約6m2。休息室內配置防暑降溫物品、應急救援箱，安裝空調（2匹，5．1kw），見圖7、8。

③提供保健藥品及科學救護。購買防暑降溫食品，加倍發放勞保用品，及時發放防暑藥品比如風油精、清涼油、藿香正氣水等，同時保證高地溫作業區域內人員的飲食。對在高溫地點作業的人員統一進行安全意識培訓，能較熟練掌握預防中暑及在中暑后的應對方法，同時能做到自救和互救。定期對高地溫地區作業的人員進行體檢；對于人體中容易丟失的水分、維生素及其鹽類等，要隨時及時補充。

（2）設備防護。

①設備保養維護，縮短作業時間。機械設備出現停滯熄火、工作效率降低是高溫隧道施工中常見的施工難題。在機械閑置時要及時的維修和保養，盡量保證設備的工作效率。在維修養護方面需要做到以下幾點：a．檢查各個部件性能是否可靠，必要時進行保養、維修或更換。b．處于高地溫工作區域的機械的機油黏度等級應適當提高，檢查機械的冷卻系統和燃油系統是否通暢，同時已經老化的電線、插頭、螺絲、油管等要及時更換，防止泄露燃油。對于發動機上的油污、塵土要及時清理，保證散熱良好[4]。

5 結語

結合國內外高地溫鐵路、公路、煤礦隧道常用施工及降溫措施，考慮拉林鐵路地處高海拔地區、氣壓低、高寒缺氧、深埋等特殊條件的熱害問題，以巴玉隧道為例，提出具體高地溫監測方法、頻率及要求，根據監測結果劃分熱害等級，采取相對應的高原高地溫隧道施工及降溫措施。隧道高地溫應以通風降溫、灑水噴霧降溫、低溫冷水降溫、冰塊冷卻降溫等非人工降溫技術為主，輔以個體及設備防護技術，在高地溫隧道內設置移動式吸氧室、低溫空調室等措施后，降溫提效效果明顯。