地下工程施工中高地溫、高溫熱水治理技術研究

周菊蘭，鄭道明

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川成都 610072)

1 概述

在云南黑白水三級電站及四川娘擁水電站、鄉城水電站、新疆布侖口-公格爾水電站引水隧洞開挖過程中，受復雜的水文地質條件及隧洞斷面小等因素的影響，在隧洞開挖過程中出現高地溫、高溫熱水大量涌出的情況。當隧洞內出現高地溫、高溫熱水等惡劣地質條件時，造成隧洞內熱氣騰騰，能見度僅為3～5 m，施工人員進入工作面后在較短時間內就會使人感覺胸悶，時間稍長即眩暈嘔吐。由于洞內高溫熱水涌出后產生大量的熱蒸汽，裹去了一部分氧氣，使有高溫熱水的隧洞內氧氣含量下降而導致機械油料燃燒不完全，造成機械出力下降30%左右，使施工機具故障頻率增高，隧洞內進行排水的水泵由于長期抽排高溫熱水而造成水泵的損壞率增高，洞內施工無法正常進行。如云南黑白水三級水電站施工到樁號0+180～1+000段時，隧洞埋深80～140 m，表層30～60 m為冰磧層。該段洞內熱水溫度達到58℃ ～60℃，熱水流量穩定并達到300 m3/h以上。在四川鄉城娘擁水電站引水隧洞1號支洞下游樁號K0+972～K1+017.4處，隧洞開挖穿過高溫熱水斷層，該段隧洞出現高溫熱水涌出，經實測最大水溫達78℃，熱水流量達到30 mL/s。爆破后巖石表面溫度達到60℃ ～72℃，炮孔內溫度達到62℃～75℃，隧洞爆破后洞內環境溫度達到50℃。通風30 min后，巖石表面溫度下降4℃ ～6℃，洞內環境溫度下降6℃ ～8℃。由于隧洞內高地溫、高溫熱水惡化了隧洞施工環境，使隧洞的施工難度增大，在高溫熱水環境下施工造成作業人員傷病多，施工效率降低。同時，因不良地質條件造成施工工序多，處理不良地質洞段作業循環時間長，施工進度緩慢，施工成本增高，當有較大的熱水集中涌出時，往往造成作業面停工處理。黑白水三級水電站引水隧洞全長2 311.7 m，隧洞斷面為4 m×3.6 m城門型，隧洞施工歷時58個月，力盡艱辛，克服各種困難，其中800 m高溫熱水段隧洞施工歷時37個月才完成。

2 幾座較為典型水電站的基本地質條件

2.1 娘擁水電站

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，三疊系上統拉納山組上段(T312)板巖、砂巖互層。

(1)1號支洞初次出現地熱異常部位是在樁號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，花崗巖中長石風化局部嚴重，風化帶呈不規則分布。在樁號0+100 ～0+230 洞段的地溫值為25.8℃ ～38.8℃，地溫值趨勢為每10 m增長1℃。在樁號0+240處右側下部有一股熱泉涌出，水量約10 mL/s，導致該部位地溫值為49.8℃，在樁號0+290處爆破后巖面溫度達到48℃ ～50℃。

(2)下游隧洞開挖至K1+017.4時，花崗巖銹染嚴重，局部風化，洞壁潮濕。隨著開挖的推進，溫度呈逐漸升高的趨勢。在樁號K0+986處分布一條左旋逆沖斷層，即熱水斷層，產狀N20°ENW∠85°，該處為花崗巖與拉納山組下段分界線，上盤為拉納山組下段的砂板巖，下盤為花崗巖。樁號1+017.4處掌子面中下部分布一出水點，流量約30 mL/s，水質透明，無味，泉眼周圍有較多鈣質沉積，水溫高達78℃。

(3)該工程熱水斷層的空間展布特征為:斷層走向為近SN～N20°E之間，傾向W或NW，傾角60°～80°，斷層帶寬 20 ～40 m，斷裂帶由強烈構造作用形成的構造巖(片狀巖、破裂巖、碎裂巖)及少量的斷層泥構成，總體擠壓緊密，斷層面平直，可見明顯的擦痕及階步，顯示左旋走滑斷層特征，擦痕側伏角約25°，水平錯距約300 m，長度大于20 km。

2.2 黑白水水電站

該工程高溫熱水洞段長800 m，地表5～60 m為冰磧層，隧洞通過洞段巖性為深灰～灰黑色頁巖，間夾砂質頁巖及薄層砂巖，巖石由強風化至弱風化，巖石軟弱，節理發育，局部地段有少量裂隙。特別是在熱水塘背斜軸(樁號0+420)前后，巖層傾角小，掉塊較多，還經常出現裂隙水集中突涌現象。

樁號0+636～0+657段為F2斷層破碎帶，圍巖受高地溫、高溫熱水影響，膠結極差，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。

2.3 布侖口-公格爾水電站

該工程施工區位于高程2 600～3 400 m的高原山區，隧洞最大埋深約1 600 m，引水隧洞全長約18 km，隧洞穿越的地層巖性主要為Q1半膠結含碎石土、黑色石墨片巖、長石石英片巖、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。在隧洞施工過程中，2、3、4號施工支洞都出現了高地溫現象，隧洞掌子面最高溫度為67℃，掌子面巖體鉆孔孔內最高溫度達82℃。經設計分析認為引水隧洞主洞樁號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，隧洞內干燥，未見地下水出露。產生高地溫的原因主要是高原區域熱流值背景下地質結構的不均勻性導致熱傳導條件的空間變化和不均勻性引起的，并由熱傳導條件較好的石墨片巖的局部區域相對集中所引起。

3 高地溫的規定與高溫對施工人員的影響

3.1 高地溫的規定

在地下工程隧洞施工過程中，隧洞中出現高地溫、高溫熱水涌出時，使施工環境和隧洞內條件變得惡劣，隧洞內的高地溫、高溫熱水實質上是勞動保護問題，也是生產安全問題。為改善施工條件，確保施工人員的勞動安全，國家有關部門對隧洞施工作業環境的衛生標準均作了有關規定。

(1)鐵道部在隧洞施工中作了明確規定:隧洞施工過程中，隧洞內氣溫不得超過28℃。

(2)交通部也對隧洞施工中的溫度作了明確規定:在隧洞施工過程中，隧洞內氣溫不宜高于30℃。

(3)水利部在水工建筑物地下開挖工程施工規范中也有明確規定:洞內平均溫度不應高于28℃和作業區的噪聲值不應大于90 dB。

(4)根據國外一些資料介紹:在隧洞施工過程中，日本規定隧洞內溫度應低于37℃。

3.2 高溫對施工人員的影響

在高地溫條件下施工與常規氣溫條件下的施工環境存在很大差異。當在高地溫隧洞施工中，掌子面氣溫達到43℃時，洞內蒸氣騰騰，能見度僅為3～5 m，施工人員進入工作面在很短時間內即感覺胸悶，時間稍長就會出現眩暈嘔吐，施工人員無法正常作業。由于隧洞內惡劣的工作環境造成施工人員傷病多，工效低。在高地溫、高溫熱水條件下施工時，對施工人員主要應防止中暑癥的發生。中暑癥又分為熱痙攣癥、熱虛脫癥、熱射癥三種類型。

(1)熱痙攣癥:由于洞內溫度較高，施工人員出汗過多，體內的水分、鹽份損失過多而引起的病癥。其癥狀是施工人員在作業時和作業后產生陣發性肌肉痙攣和疼痛。施工人員應充分補充鹽水予以緩解癥狀，嚴重者應到醫院輸液治療。

(2)熱虛脫癥:施工人員在高地溫、高溫熱水的影響下，體內水分由于出汗而大量流失，同時又沒得到及時的補充，使施工人員出現熱虛脫癥。該癥的主要狀況為血壓降低、脈搏加快，頭暈、頭痛、嘔吐、全身無力、臉色蒼白，體溫也產生變化。應及時把熱虛脫人員送到陰涼、通風處靜臥休息，并增加補充葡萄糖鹽水，嚴重者應及時送醫院處理。

(3)熱射癥:由于施工人員較長時間在高溫環境中工作，雖然補充了鹽水，但環境溫度遠高于人體體溫，使人體體溫調節中樞失調，體溫上升:其特征為:體溫高、興奮、乏力和皮膚干燥等。應在溫度、濕度、通風較好的地方休息靜養，結合藥物治療，嚴重患者應及時送醫院治療。

施工單位應根據隧洞內高溫程度，增加班次，縮短每個班的作業時間，隧洞內應保證供水，經常送綠豆湯到現場供施工人員飲用，并提供舒適的休息場所。為確保施工正常進行，必須保證施工人員的健康和安全，加強健康管理，對患有高血壓、心臟病、肝炎、身體欠健康、歲數偏大者均不適宜到高溫的隧洞內工作。

4 高溫下的爆破作業要求

由炸藥的性能可知:炸藥的熱分解是一種緩慢的化學變化，其特點是化學變化的反應速度與環境溫度有關，當通風散熱條件不好時，分解熱不易散失，很容易使炸藥溫度自動升高，進而促成炸藥熱分解加劇而導致炸藥熱分解反應轉變為燃燒或爆炸。值得注意的是:炸藥在不同的反應形式下，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，在高地溫洞段進行爆破施工時，為確保隧洞內施工人員的安全，炮孔裝藥時應嚴格遵守下列規定:

(1)高地溫洞段的爆破是危險作業，要制定特殊的管理制度、操作規程和事故應急救援預案等制度，并對爆破人員進行嚴格培訓。在裝藥前，要根據現場情況制定完善的爆破方案和事故應急救援預案，指定專人現場負責指揮。

(2)裝藥前應及時清場，把場內與裝藥和放炮無關的其他施工人員清理離場后再進行裝藥作業。

(3)炸藥、雷管、起爆體應在清場完成后及時送到裝藥現場，以減少高溫對炸藥、雷管、起爆體的影響。

(4)裝藥前應測定工作面與炮孔內的溫度，炮孔內的溫度不應高于炸藥安全使用溫度，裝藥前應加強通風，用低溫水沖洗炮孔，采取齊頭噴霧水降溫。

(5)裝藥時，應多派熟練的炮工進行裝藥，根據掌子面大小、炮孔的多少安排4～7人同時裝藥，每位炮工應分片裝藥，應從易裝炮孔到難裝炮孔的順序進行，按先裝低溫孔，再到高溫孔的裝藥順序實施。

(6)全部炮孔裝藥完成后，應用最短的時間堵塞炮孔，堵塞材料用泥土加沙做成泥條堵塞炮孔，嚴禁使用含硫化物的巖粉作炮孔堵塞材料。

(7)當炮孔內溫度為60℃ ～80℃時，應對炸藥進行保護，用石棉織物將炸藥包裹完好，使炸藥不與炮孔巖壁接觸，從向炮孔內裝藥至起爆的相隔時間不應超過1 h。

(8)在裝藥過程中，應安排專人全程監護，發現炮孔內逸出棕色濃煙等異?，F象時，應立即報告爆破現場指揮人員，并迅速組織現場施工人員撤離。

(9)當炮孔內的溫度為80℃ ～140℃時，應采用石棉織物或其它絕熱材料把炸藥條嚴密包裝好，這時，炮孔內起爆體不準裝雷管，可采用防熱處理的黑索金導爆索起爆，裝藥至起爆的間隔時間應經過模擬試驗確定。

(10)孔內溫度超過140℃時，所有爆破器材應采用耐高溫爆破器材。

5 綜合降溫措施

針對高地溫、高溫熱水洞段(隧洞內出露的溫泉水溫達到78℃、巖石表面溫度為60℃ ～72℃、炮孔溫度為62℃ ～75℃、爆破后環境溫度為50℃)的實際情況，為改善隧洞內惡劣的施工條件、確保施工人員身體健康和勞動安全，隧洞開挖作業面的溫度不宜超過28℃，隧洞內最適于施工人員作業的溫度是15℃ ～20℃。所以，在高地溫、高溫熱水隧洞施工中，必須采用多種綜合技術措施進行降溫，加強通冷風、增加冷水摻入量、加強抽排水、加強齊頭20 m冷水噴霧等綜合措施。

(1)加強洞內抽排水:為減弱熱水蒸發面積、使洞內氣溫和蒸氣飽和度充分的減小，縮短熱水在洞內與空氣中進行熱交換的時間，有利于降低洞內環境溫度。應根據洞內滲水量的大小配備抽水設備，把洞內熱水及時有效的抽到洞外，并應配備備用抽水泵。

(2)加強通風:通風是降低洞內環境溫度、抽出洞內有害煙塵、改善洞內作業環境最重要的方法。在隧洞高地溫環境下，采用常規的壓入式通風難以達到降低洞內環境溫度的作用，采用混合通風方式，一臺風機壓入、一臺風機抽出，可以有效加強洞內空氣對流，抽出風桶的出口應離壓入風機入口30 m遠，避免風機把排出的熱空氣再次壓入到洞內。采用混合通風方式，加快洞內空氣循環，減少洞內熱氣散發和蒸氣濃度。如果洞內環境溫度較高，輸入空氣經降溫后再壓入到隧洞中才能達到降溫的目的。

(3)注入冷水降溫:在洞內高溫熱水出露點開挖集水坑，讓高溫熱水集中在坑內進行抽排，同時，從洞外抽冷水摻入到高溫熱水池中進行降溫，以達到洞內熱水的部分熱量被冷水吸收的目的，減少熱水散發在洞內空氣中的熱量，有利于降低洞內環境溫度，水泵抽水容量應根據洞內高溫熱水的涌出量大小進行及時調整。

(4)噴霧降溫:把洞外冷水管接入洞內后，對高溫熱水流量較集中的洞段，從冷水管上接支管和噴霧噴頭向洞內噴射冷水霧幕，通過水霧冷卻洞內巖面，冷水霧和洞內熱空氣混合，也同樣可以較好的降低洞內溫度，同時達到降低粉塵濃度、改善施工作業環境的作用。

(5)冷凍設備降溫:在高溫洞內施工，有條件的業主和施工單位可以采用機械降溫的方式。冷凍設備能使水結冰，溫度降到－10℃以下。使用該設備將增大投入，加大工程造價，一般情況下不采用。

(6)合理安排高溫作業時間:由于高地溫、高溫熱水的特點而使施工人員體力消耗大、勞動效率低，施工中采取2 h換班1次的工作制度，每天6個班交替循環作業，以降低施工人員的勞動強度。

(7)炸藥保護方法:爆破采用定型隔熱藥卷，把炸藥裝入特制的聚乙烯管內，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。藥包加工制作應由專職熟練的炮工在安全地點進行。

(8)當隧洞掌子面全部鉆孔成孔后繼續用水進行循環降溫，并測試巖體鉆孔孔內溫度是否在35℃以內。當滿足雷管安全存放的溫度條件、裝藥準備工作就緒后，由熟練的炮工快速進行炮孔裝藥，總裝藥時間原則上不宜太長。

6 結語

隧洞在高地溫、高溫熱水條件下施工時，從多角度、多方法采用綜合降溫措施是有效的、切實可行的方法，特別是在斷面較小的隧洞施工中，在采用復雜的設備降溫困難的情況下，綜合降溫措施在技術可靠方面有其優越性。但應注意以下幾點要求:

(1)在高地溫、高溫熱水隧洞段的開挖中，必須制定嚴格的爆破措施及相應的應急救援預案和爆破操作規程等方面的管理制度。特別是在高地溫洞段的施工環境及實施爆破作業十分危險，須經常對施工人員進行安全教育，要求施工人員嚴格按措施作業，裝藥現場雷管隔熱是關鍵，其次是炸藥量控制上要嚴謹，爆破人員必須了解和掌握不同炸藥對溫度的要求，確保施工安全。

(2)高地溫洞段施工的速度緩慢，人工、機械效率低，施工成本較高，每循環進尺所需時間增大，在每循環施工過程中，采取每隔2 h換班作業工作制，以降低施工人員的勞動強度。

(3)在高地溫洞段施工時需安排專人對洞內的環境溫度和巖體表面溫度及鉆孔后的孔內溫度進行測定，并分析原始的溫度變化情況，而技術人員應根據溫度變化及時采取相應的降溫措施。

(4)根據所收集到的資料看:所出現的高地溫、高溫熱水的工程都地處高原。在高原從事施工作業，存在缺氧的氣候條件，再加上地質條件上的高地溫、高溫熱水，使施工作業環境異常艱苦。因此，在高原上進行高地溫、高溫熱水洞段的施工，需選用體質好的作業人員從事洞內施工作業，對有高血壓、心臟病、體質較弱人員應嚴禁進洞作業。