大柱山隧道地熱段綜合降溫施工技術

陳志強

中鐵一局集團第四工程有限公司 陜西 咸陽 712000

正文：

1、大柱山隧道概況

大柱山隧道位于云南省保山市，穿越著名的橫斷山南段，全長14484m，其中單線正洞13803m；預留Ⅱ線209.4m，大跨段區域471.6m，隧道最大埋深為1010m。隧道洞內縱坡設計為“人”字坡，最大縱坡23.5‰。其整體地勢北高南低，所在區域地質環境復雜，斷裂構造發育，穿越6條斷裂帶，局部地段可能出現圍巖失穩、突然涌水、巖爆、巖溶、放射性、地熱等不良地質，施工難度極大。

2、隧道設計勘查地熱情況

大柱山隧道地熱地段的巖性主要為砂巖、泥巖、砂巖夾灰巖等。根據設計提供資料顯示，隧道埋深超過890m地段地溫可能超過28℃，最大埋深955m地溫約為29℃，預測地溫可能超過我國礦山勞動保護條例（28℃）的保護工人的身心健康和工作效率的上限溫度值，屬于低高溫帶。在探孔D1Z-大柱山-04、D1Z-大柱山-05鉆孔測試分析，孔底溫度已超過28℃，推算DK117+000～DK119+000段洞身溫度將超過28℃，最高可達到33.6℃，因此在施工過程中應進行測試地溫，加強地溫監測及時采取降溫措施，防止造成人身傷害。

3、 開挖揭示情況

2014年8月開始，大柱山隧道出口平導掌子面施工環境溫度逐步升高，且隨著開挖施工的進行，洞內環境溫度升高和潮濕現象逐漸加劇，作業環境極其惡劣，現場采用測溫儀對隧道內巖溫及空氣溫度進行檢測，檢測結果：洞內空氣溫度值為非作業施工環境下34℃，巖溫值31℃。2015年9月份以來，隨著平導開挖逐漸加深，隧道埋深超過910米，洞內溫度越來越高，實測洞內空氣溫度值在施工作業環境下為41℃。

4、大柱山隧道地熱段綜合降溫施工技術

4.1 總體施工方案

根據大柱山隧道設計勘查地熱情況，結合現場技術條件、技術裝備及施工組織安排、合同工期要求等，在工作人員可忍受的條件下保證隧道正常施工，大柱山隧道主要采用加強通風降溫、冰制冷降溫等降溫方法相結合的降溫措施，同時合理調整隧道施工工序作業時間的綜合施工技術。

4.2 地熱施工技術措施

4.2.1 巖溫和洞內空氣溫度、濕度量測

為預防洞內地熱災害的發生，進入地熱段施工后，立即安排專職人員開始對洞內空氣溫度、濕度及掌子面巖石溫度進行測量，分析地熱情況及隧道環境溫度、濕度對人工、機械的影響情況，及時采取措施降溫除濕措施，保證施工人員的滲透健康和機械效率。

⑴洞內作業溫度測量

a、測量儀器與方法

采用干球溫度計、自然濕球溫度計、黑球溫度計在同一地點分別測量計算,自然濕球溫度計的感應部分應為圓柱體，測量范圍在5℃～40℃；精度為±0.5℃。黑球溫度計的黑球直徑為150mm或50mm，為無光澤黑球，平均輻射系數為0.95，銅球壁越薄越好。測量范圍為20℃～120℃，精度為±1℃。干球溫度計測量范圍為10℃～60℃；精度為±0.5℃，測量時注意防止輻射熱的影響。

b、干球、濕球和黑球溫度測量時應采用三角支架將三個溫度計懸掛起來，以便使環境空氣不受限制流經球體感溫部。

c、在測量濕球溫度時，要在濕球溫度計的感溫部分裹上一層濕紗布條，紗布條要覆蓋濕球溫度計的整個感溫球體。測量時由其自然蒸發（不能人為強迫通風），每10min讀記測量數值。應注意保持紗布條清潔、濕潤，再次使用前要清洗干凈。

d、測量時間及頻率

在生產正常和工作地點熱源穩定時，同一工作地點，在一個工作日內應測量三次，即工作開始后及結束前0.5h分別測一次，工作中測一次，取平均值。

e、測量地點及位置

選擇作業人員經常操作、停留或臨時休息處,洞內應在拱腳、邊墻及墻角分別測一次。

⑵巖溫測定方法：采用隧道邊墻淺孔測溫法進行巖溫測量，見下圖1。

圖1 巖溫測孔布置圖

a.測溫儀器的選擇：高地溫工點洞內巖溫測量采用智能數字顯示報警儀WP-C80測量巖溫。

b.鉆孔的位置：選擇在距開挖面3-5m的邊墻距離隧道底板1.0～1.2m高的圍巖較完整、干燥巖體處鉆孔。

c.鉆孔方式：用風鉆進行鉆孔，采用高壓風吹孔，不得用水沖洗鉆孔。為了保證測溫的精度，鉆孔一般要求向上傾斜5～10℃，現場可根據具體情況調整；鉆孔深度3-4m，孔徑不小于42mm。

d.測溫方法：將鉆好的孔位立即封閉，在采用智能數字顯示報警儀WP-C80測量巖溫。

4.2.2 優化通風方案，加強通風措施

高溫隧道內的溫度多半是由地熱、施工機械散熱、洞內爆破散熱、襯砌混凝土水化熱等引起的，導致洞內溫度高于洞外的環境溫度。要想降低洞內溫度，方法之一就是加強隧道內通風，加大和加快洞內外空氣的流通速度，以此降低洞內施工環境的溫度。此外，增大供風量還有助于排除洞內有害氣體、降低粉塵濃度。

大柱山隧道出口施工通風主要采用分階段管道壓入式及混合巷道式通風，通風管選用正洞φ1400mm（平導φ1500mm）滌綸軟式通風管，風管出風口至掌子面距離L=60m。鑒于目前隧道高溫施工情況，待正洞相互兩橫通道貫通后需及時風機向前移動，使掌子面有效風量達到最大，以確保隧道達到降溫目的。其中為正洞進風通道，平導為排煙通道。

⑴第一階段通風

軸流風機安裝在24#輔助正洞大里程端，正洞施工作業面為24#、23#輔助正洞，22#輔助正洞為調劑作業面。正洞為新鮮空氣進入通道，平導為污濁空氣排出通道，為確保洞外氣壓能順利通往風機進風側，滿足進風側空氣質量要求，需在正洞洞口安裝射流風機，洞身每400～500m安裝一臺射流風機,平導于洞內通風死角處安裝射流風機輔助排出污濁空氣。平導風機采用SDF(B)-NO.13，功率132×2KW，單獨供應平導通風，同時在平導PDK120+720處安裝第二臺風機進行接力通風。正洞風機采用SDF(B)-4-NO.16，功率110×2KW，共兩臺風機供應正洞兩個掌子面施工。

圖2 大柱山隧道出口工區第一階段通風布置示意圖

第一階段通風設備配置見下表1

表1 大柱山隧道出口風機配備表

⑵第二階段通風

軸流風機安裝在22#輔助正洞大里程端，正洞施工作業面為22#、21#輔助正洞,20#輔助正洞為調劑作業面。平導風機采用SDF(B)-NO.13，功率132×2KW，單獨供應平導通風，同時在平導PDK119+850處安裝第二臺風機進行接力通風。正洞風機采用SDF(B)-4-NO.16，功率110×2KW，共兩臺風機供應正洞兩個掌子面施工。

圖3 大柱山隧道出口工區第二階段通風布置示意圖

第二階段通風設備配置見下表2

表2 大柱山隧道出口風機配備表

⑶第三階段通風

軸流風機安裝在20#輔助正洞大里程端，正洞施工作業面為20#、19#輔助正洞,18#輔助正洞為調劑作業面。正洞為新鮮空氣進入通道，平導為污濁空氣排出通道，為確保洞外氣壓能順利通往風機進風側，滿足進風側空氣質量要求，需在正洞洞口安裝射流風機，洞身每400～500m安裝一臺射流風機,平導于洞內通風死角處安裝射流風機輔助排出污濁空氣。平導風機采用SDF(B)-NO.13，功率132×2KW，單獨供應平導通風，同時在平導PDK118+920處安裝第二臺風機進行接力通風。正洞風機采用SDF(B)-4-NO.16，功率110×2KW，共兩臺風機供應正洞兩個掌子面施工。

圖4 大柱山隧道出口工區第三階段通風布置示意圖

第三階段通風設備配置見下表3

表3 大柱山隧道出口風機配備表

⑷第四階段通風

軸流風機安裝在18#輔助正洞大里程端，正洞施工作業面為18#、17#輔助正洞，16#輔助正洞為調劑作業面。正洞為新鮮空氣進入通道，平導為污濁空氣排出通道，為確保洞外氣壓能順利通往風機進風側，滿足進風側空氣質量要求，需在正洞洞口安裝射流風機，洞身每400～500m安裝一臺射流風機,平導于洞內通風死角處安裝射流風機輔助排出污濁空氣。平導風機采用SDF(B)-NO.13，功率132×2KW，單獨供應平導通風，同時在平導PDK118+093處安裝第二臺風機進行接力通風。正洞風機采用SDF(B)-4-NO.16，功率110×2KW，共兩臺風機供應正洞兩個掌子面施工。

圖5 大柱山隧道出口工區第四階段通風布置示意圖

第四階段通風設備配置見下表4

表4 大柱山隧道出口風機配備表

⑸ 第五階段通風

軸流風機安裝在16#輔助正洞大里程端，正洞施工作業面為16#、15#輔助正洞，14#輔助正洞為調劑作業面。正洞為新鮮空氣進入通道，平導為污濁空氣排出通道，為確保洞外氣壓能順利通往風機進風側，滿足進風側空氣質量要求，需在正洞洞口安裝射流風機，洞身每400～500m安裝一臺射流風機,平導于洞內通風死角處安裝射流風機輔助排出污濁空氣。平導風機采用SDF(B)-NO.13，功率132×2KW，單獨供應平導通風，同時在平導PDK118+018處安裝第二臺風機進行接力通風。正洞風機采用SDF(B)-4-NO.16，功率110×2KW，共兩臺風機供應正洞兩個掌子面施工。

圖6 大柱山隧道出口工區第五階段通風布置示意圖

第五階段通風設備配置見下表5

表5 大柱山隧道出口風機配備表

為了進一步加快通風排煙速度，增加掌子面空氣流動性，在出碴、噴漿工序作業結束后，將高壓風開啟，人員暫時撤離，采用高壓風配合通風30-60分鐘，再關閉高壓風。

通過對隧道通風前后洞內溫度的測量，原通風方案在通風60分鐘后，溫度降低0.5～1°C,降溫不明顯，且作業面溫度經常高于40°C，超出了作業規定，優化通風方案后，隧道降溫效果明顯，作業面溫度能位置在33～39°C，偶爾超過40°C。由此可見高溫隧道洞內施工人員及設備比常溫要多，洞內新鮮空氣需求量大，通過加強通風，洞內通風量得到了保障，但是對降溫效果不明顯。

在開挖臺車、襯砌臺車、防水板鋪設臺架處，在地面及每層平臺各安裝2臺5.5KW的大功率風扇，每個臺車（架）安裝6臺，正洞每個工作面18臺，平導工作面6臺。增設風扇后，雖然溫度沒有降低，但大大增加了空氣的流動性，通過加快吃散人體表面汗液和濕氣，達到人體降溫效果。

4.2.3 冰塊降溫

采用冰制冷降溫主要適用在掌子面 30m 范圍內，施工人員較為集中的區域。一般掌子面每次放置冰體積約 3～4立方米較為合適，在冰塊位置安裝風扇，加速空氣流通與冰塊融化速度，加快與洞內熱空氣進行交換，從而達到降溫目的。

4.2.4 設置空調降溫屋

GB/T4200-2008《高溫作業分級》中規定，達到允許持續接觸熱時間后，必要休息的時間不得少于15min，休息時應脫離高溫作業環境。凡高溫作業工作地點空氣濕度大于 75% 時，空氣濕度每增加1000，允許持續接觸熱時間相應降低一個檔次，即采用高于工作地點溫度 2℃的時間限值，如表6所示。

表6 高溫作業允許持續接觸熱時間限值 min

因此，在距離掌子面后方300m處設置降溫屋，面積約為8平方米。根據隧道斷面凈空情況，平導采用彩鋼板修建，正洞利用避車洞修建，內襯碎料泡沫等密封材料配置空調機和除濕機。降溫屋內溫度應保持在25℃以內，空氣濕度小于70%。

表7 大柱山隧道出口降溫屋設備配備表

4.2.5 襯砌地段噴水

在隧道剛施做二襯地段，從高壓水管開口引入200mm鋼管，鋼管兩端密封，中間間隔20-30cm設置噴頭及開關，當掌子面不再用高壓水打鉆時，開啟噴頭閘閥，朝隧道外噴水，利用水降溫。

4.2.6 優化施工組織

⑴人員作業調整

鑒于本隧溫度高，作業環境惡劣，為盡快恢復體力，需進行充分的休息，增加勞動人數和作業工班，在正常作業條件基礎上增加4～6倍施工人員及現場管理人員，縮短每班勞動工時為4小時，作業1～2小時后進入空調室休息15～30分鐘，實行6～8班倒作業，以保證施工人員的健康和安全。

⑵機械配套調整

進入高溫施工段后，考慮到施工機械設備（挖掘機、裝載機、出碴車等）故障率增加，效率降低，易出現開鍋現像，采用了增加機械設備配置及增加機械維修人員、增加機械易損件儲備等措施。高溫段機械設備均較常溫段多配備一套設備作為備用，配置情況見表8。

表8 大柱山隧道出口常溫段與高溫機械設備對比表

4.2.7 勞動保護措施

⑴在地熱環境中施工時，人易發生維生素、水分及鹽類的缺乏，對此我們采用保溫桶裝冷卻鹽開水和白糖綠豆湯及藿香正氣水等放置在作業面附近供作業人員及時飲用或服用。

⑵施工人員穿戴內置冰塊的冰凍衣服（藍冰系列降溫保護用品），以達到降溫效果，但冰凍衣服降溫部位僅體現在頭部、背部和胸部，且衣服內放置冰塊導致重量增加，穿上降溫服操作不靈便，實施一段時間后取消該措施。

4.3 其他輔助施工措施

4.3.1 加強地熱專題安全培訓

加強對洞內作業人員進行地熱專題安全作業培訓。讓作業人員了解地熱對人體會帶來哪些危險，洞內若出現高溫現象，最易引起現場作業人員的中暑發生。

中暑癥可分為熱痙攣癥、熱虛脫癥和熱射癥三種類型，其癥狀及處置如下：

⑴熱痙攣：由于出汗過多，體內的水分、鹽類喪失而引起。其癥狀為在作業中和作業后，發作性肌肉痙攣和疼痛。對此癥應采取充分地攝取水和鹽類予以緩解癥狀。

⑵熱虛脫：由于循環系統失調而引起。其主要癥狀為血壓降低、速脈、水脈、頭暈、頭痛、嘔吐、皮膚蒼白、體溫輕度上升。采取的措施是，循環器官有異常的人員嚴禁參加施工。對有癥狀者增加補水次數，并在陰涼處靜臥休息。

⑶熱射癥：由于體溫調節中樞失調，體溫上升。癥狀為：體溫高、興奮、乏力和皮膚干燥等。采取的措施，對高溫不適應者應避免在洞內作重體力勞動。在高溫施工地段采用冷水噴霧等方法降溫，必要時對患者可采取醫療急救處置。

4.3.2 加強施工人員的健康管理

如有高血壓、心臟病的患者，高溫作業容易引起癥狀惡化；疲勞、空腹、睡眠不足、酒醉等容易誘發中暑癥，對此類人員應禁止參加勞動。

4.3.3 配備防中暑物資及藥品

⑴施工現場值班室配備冰柜，并存放一定數量的冰塊，以方便對中暑工人降溫使用。

⑵給每個施工作業人員分發一定數量的防治中暑藥物，清涼油、風油精、藿香正氣水等。

4.3.4 加強設備防護

地熱地段，溫度的升高可造成設備性能降低和橡膠部件的提前老化。施工中應加強設備自身的排熱性能，提前配備或更換易老化的部件，防止因高溫造成設備損壞，影響施工的正常進行。