高地溫隧道施工及防護技術(shù)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(qū)東南部，線路從既有拉日鐵路協(xié)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(jīng)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(zhì)特征

2.1 地熱地質(zhì)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(jù)國家技術(shù)監(jiān)督局頒布的《地熱資源地質(zhì)勘查規(guī)范》（GB11615-2010）的相關(guān)規(guī)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(gòu)造活動、巖漿活動、氣候條件（大氣降水和地表水）及地貌等，現(xiàn)結(jié)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(guān)系。拉林線雅魯藏布江峽谷區(qū)，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(guān)系。拉林線雅魯藏布江峽谷區(qū)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(zhì)試驗結(jié)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(gòu)造的加熱和運移過程中，Ca離子沉淀富集，鈣華現(xiàn)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(cè)的水熱系統(tǒng)之間有一個局部的水循環(huán)過程。

c．地貌與水熱活動的關(guān)系。拉林線雅魯藏布江峽谷區(qū)的泉水均位于負地形地區(qū)，即：深切的溝谷、河谷兩側(cè)。由于泉水出露的地方?jīng)]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(zhì)的基巖斷裂和裂隙構(gòu)成。

（2）隧道熱害分級。通過調(diào)研規(guī)范發(fā)現(xiàn)，目前我國隧道行業(yè)關(guān)于施工溫度的規(guī)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(shè)計和施工兩個階段分別提出熱害分級。隧道勘察設(shè)計階段的熱害根據(jù)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(shè)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(nèi)空氣干球溫度或孔內(nèi)水的溫度。施工階段的熱害分級考慮兩個因素，即隧道內(nèi)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(shè)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(jù)以往的調(diào)查和綜合勘探工作，并結(jié)合區(qū)域地熱地質(zhì)資料，拉林線雅魯藏布江峽谷區(qū)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(xiàn)為以下幾方面：

（1）地熱的存在將惡化施工環(huán)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(wěn)定性。地熱流體（氣、液相）多沿節(jié)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(jié)理或者加寬節(jié)理寬度，造成巖石的再次分解變形，從而影響隧道圍巖的穩(wěn)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(zhì)材料具有強烈的腐蝕作用，因此，在設(shè)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(shè)計、施工中對施工工藝中高溫環(huán)境作業(yè)會有特殊的要求。

（5）高地溫產(chǎn)生的附加溫度應力可能引起襯砌開裂，對結(jié)構(gòu)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(yǎng)護人員均會造成不利影響，所以，在設(shè)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(jiān)測

3.1 高溫地段檢測方法

（1）便攜式檢測設(shè)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(huán)境溫度、水溫。

③便攜式智能測溫儀（SH612型）：用于測定孔內(nèi)溫度。

④熱力指數(shù)計（黑球測溫儀8778型）：用于環(huán)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(nèi)3m處溫度、裝藥前孔內(nèi)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(xù)施工50m超前探孔，每環(huán)搭接5m，每次3個探孔。

a．檢測項目：超前探孔內(nèi)孔深10m，1次測溫。

b．頻率：每次超前探孔施工。

③后方巖溫、環(huán)境溫度：

a．檢測項目：離掌子面一定距離后的巖體溫度、環(huán)境溫度。

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

④工作面溫度：

a．檢查項目：放炮前巖面溫度，環(huán)境溫度，放炮后巖面溫度，環(huán)境溫度，出碴后巖面溫度，環(huán)境溫度。

b．頻率：每循環(huán)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(xiàn)的時間，里程，部位等相關(guān)信息。

3.2 高地溫施工監(jiān)測

（1）隧道施工過程中的超前地質(zhì)預報。參考以往對高地溫隧道的處理經(jīng)驗，結(jié)合拉林線具體隧道的高地溫情況，在設(shè)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(qū)域地質(zhì)資料。

②地質(zhì)素描，隨開挖及時進行，地層巖性變化點、構(gòu)造發(fā)育部位、地下水發(fā)育帶附近每開挖循環(huán)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(zhì)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(nèi)有無地下水，圍巖溫度的變化趨勢。

④根據(jù)地質(zhì)素描、紅外探測結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料初步綜合分析，若掌子面前方未發(fā)現(xiàn)地質(zhì)異常現(xiàn)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(zhì)綜合判析。地質(zhì)綜合判析是綜合地質(zhì)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(jié)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(shù)

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(shù)為主，降溫措施的技術(shù)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(shè)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(huán)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(jù)隧道內(nèi)的高溫程度、勞動強度和勞動效率，縮短每班作業(yè)人員的作業(yè)時間，增加休息時間，合理安排高溫作業(yè)時間；②增設(shè)洞內(nèi)休息室：在提供班組人員臨時休息的低溫室內(nèi)布設(shè)風扇、空調(diào)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(yè)人員參加勞動；④盡量采用機械化作業(yè)，最大限度降低人工作業(yè)：⑤加強超前地質(zhì)預報和動態(tài)監(jiān)測，用監(jiān)測數(shù)據(jù)指導施工[3]。

（1）灑水、噴霧降溫。洞內(nèi)鋪設(shè)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(yè)。噴頭每隔20m設(shè)置一處，靠近掌子面地段和襯砌作業(yè)面10m/處加密設(shè)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(shè)置灑水管道，鋪設(shè)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(yè)。不僅可以起到降溫作用，還可以減少洞內(nèi)灰塵，明顯改善洞內(nèi)環(huán)境，對作業(yè)人員職業(yè)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(yè)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(nèi)的施工環(huán)境，把冰塊放置在掌子面附近，通過冰的溶解、水的吸熱蒸發(fā)進行物理降溫。每天在施工現(xiàn)場制冰，通過卡車輸送到施工工作面，用于降低環(huán)境溫度，改善作業(yè)環(huán)境。通過對現(xiàn)場環(huán)境溫度的實測，隧道內(nèi)的環(huán)境溫度有3-5℃的降低。

現(xiàn)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(nèi)，一天4次，保證洞內(nèi)冰源的充足，見圖5。

4.2 個體、設(shè)備防護技術(shù)

防護主要從個體防護、設(shè)備防護方面展開，主要的技術(shù)圖如6所示。

（1）個體防護。從現(xiàn)場溫度實測可知隧道內(nèi)溫度高達35-49℃，同時巴玉隧道位于高原地帶，在高溫環(huán)境和高原缺氧的雙重作用下對施工人員是個極大的挑戰(zhàn)。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(jù)隧道內(nèi)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(shè)置洞內(nèi)休息室。在洞內(nèi)設(shè)置移動休息室，保證作業(yè)人員在高溫環(huán)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(nèi)配置防暑降溫物品、應急救援箱，安裝空調(diào)（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(fā)放勞保用品，及時發(fā)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(yè)區(qū)域內(nèi)人員的飲食。對在高溫地點作業(yè)的人員統(tǒng)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(qū)作業(yè)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(shè)備防護。

①設(shè)備保養(yǎng)維護，縮短作業(yè)時間。機械設(shè)備出現(xiàn)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(yǎng)，盡量保證設(shè)備的工作效率。在維修養(yǎng)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(yǎng)、維修或更換。b．處于高地溫工作區(qū)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(tǒng)和燃油系統(tǒng)是否通暢，同時已經(jīng)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(fā)動機上的油污、塵土要及時清理，保證散熱良好[4]。

5 結(jié)語

結(jié)合國內(nèi)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(qū)、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(jiān)測方法、頻率及要求，根據(jù)監(jiān)測結(jié)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(shù)為主，輔以個體及設(shè)備防護技術(shù)，在高地溫隧道內(nèi)設(shè)置移動式吸氧室、低溫空調(diào)室等措施后，降溫提效效果明顯。