齐热哈嗒尔高地温引水发电隧洞施工影响分析及降温措施研究

宿 辉，张 宏，耿新春，唐 阳，汪 健

（1.河北工程大学水电学院，河北邯郸 056038；2.新华喀什齐热哈塔尔水电开发有限公司，新疆喀什 844000；3.新疆新华水电投资股份有限公司，新疆喀什 830000）

齐热哈嗒尔高地温引水发电隧洞施工影响分析及降温措施研究

宿 辉1，张 宏2，耿新春3，唐 阳1，汪 健1

（1.河北工程大学水电学院，河北邯郸 056038；2.新华喀什齐热哈塔尔水电开发有限公司，新疆喀什 844000；3.新疆新华水电投资股份有限公司，新疆喀什 830000）

齐热哈塔尔水电站工程发电引水隧洞实测掌子面温度达到110℃，对工程的建设产生严重的影响。为保证工程施工的顺利进行，对隧洞高地温的成因及对隧洞施工的影响进行分析，研究高温环境的降温措施。研究结果表明：1）本区域具有高热流值，高地温是热流密度沿断层等地质构造传导至地表的结果；2）通过采用隧洞通风与局部通风相结合，低温冷水与人工制冰相结合的降温技术，较好地解决了隧洞的高温施工问题。

高地温；引水发电隧洞；通风；降温措施；齐热哈塔尔水电站

0 引言

随着我国西部大开发战略的实施，西部基础设施建设日新月异。由于水利和交通建设的需要，经常需要进行深埋隧洞的施工。西部许多地区蕴藏丰富的地热资源，在深埋隧洞的施工中可能会遇到高地温问题，如云南的黑白水水电站引水隧洞内局部温度达到60℃［1］；新疆布仑口—公格尔水电站引水发电洞3＃支洞内岩壁最高温度达到105℃，空气温度达到72℃［2］；西藏的拉萨—日喀则铁路隧洞钻孔最高温度达到76.3℃［3］。这些在深埋隧洞中遇到的高地温问题，给正常施工带来了诸多不便。对于高地温问题，国内外许多学者已经展开了大量的研究。郤保平等［4］通过对高温状态下的花岗岩冷却试验研究发现，花岗岩岩体的力学性能出现劣化；陈尚桥等［5］针对地下工程出现的高地温现象，分析归纳出4种地温评价方法，即钻孔实测法、类比法、水文地球化学法及地温梯度预测法；Oda.M［6］考察了岩石的一些基本力学性能和微破裂过程，得到了岩体力学特性在高温条件下的变化规律和破坏机制。虽然目前国内外的学者在高温环境下对岩石的特性机制和理论研究方面做出了新的探索，但是对于高地温深埋隧洞的施工技术研究现阶段仍颇为少见，尤其是在高地温隧洞的关键施工技术方面鲜有研究。本文结合齐热哈塔尔水电站Ⅱ标段出现的高地温问题，对高地温深埋隧洞的关键施工降温技术进行探讨。

1 工程概况

齐热哈塔尔水电站位于新疆维吾尔自治区喀什市塔什库尔干塔吉克自治县境内的塔什库尔干河上，电站总装机容量为210 MW，设计最大水头为373.68 m，引水发电隧洞长15.64 km，洞径为4.7 m，引水流量为78.6 m3/s。水电站工程地处西昆仑褶皱系中部的公格尔—桑株塔格隆起西南部，昆仑古生代变质岩区的西昆仑华力西中期变质带内，主要分布在康西瓦断裂和卡拉克断裂之间，岩浆活动强烈，侵入岩发育，属高寒地区。空气稀薄，气候寒冷，多年平均气温为3.4℃，极端最高气温为32.5℃，最低气温为－39.1℃，多年平均降水量为68.9 mm，多年平均蒸发量为2 272 mm。

引水发电隧洞在桩号Y7＋010～Y10＋355存在高地温现象，高地温洞段总长3 345 m，最大埋深为1 025 m，位于3＃和4＃2个支洞之间。围岩岩性为片麻状花岗岩，岩石坚硬，主要结构面与洞线交角大，岩体主要呈次块状结构，完整性较好，部分区域岩体呈镶嵌、层状结构，完整性差。在塔什库尔干河岸，距洞线垂直距离约2 km处，有温泉沿一组裂隙出露，高程为2 587 m，水温为62℃。

2 高地温现象及成因分析

2.1 隧洞高温表现

3＃支洞下游作业面Y7＋010为高温起始段，4＃支洞上游Y10＋355为高温终止段。随着开挖的深入，爆破后掌子面岩石表面实测温度最高达到110℃，空气温度已超过60℃，并伴随着高压喷出147℃气体。由于主洞内的高温，在冬季施工时支洞口形成了水蒸汽外涌的壮观景象。3＃支洞口的水蒸汽见图1。

图1 3＃支洞口的水蒸汽Fig.1 Steam coming out of the portal of No.3 adit

2.2 高地温成因分析

齐热哈塔尔水电站引水隧洞高地温洞段属于浅部地壳地温场，高地温主要受地球内热的热流影响。根据中国科学院地质研究所的研究结果，地壳浅部地温场主要受区域热流值、地质构造产生的热传导条件以及局部附加热源的影响。

齐热哈塔尔水电站所处区域位于帕米尔高原东南部，在西天山构造带、塔里木盆地和西昆仑构造带的结合部，地壳板块运动长期受印度板块推挤。帕米尔高原属于年轻区域地质构造单元，活动性强，区域热流值很高，达到150～350 mW/m2，我国只有台湾地区和西藏南部的区域大地热流背景与之相当，非常有利于地热系统的形成。

水电站所在区域内存在喀喇昆仑断裂带，形成于新生代，目前仍活动强烈，极大地改变了地壳浅部的热传导条件，使来自地壳深部的均匀热流密度在地壳浅部重新分配［7］，并沿断裂带积聚，使地温场发生复杂的变化。如区域内发现的温泉出露点附近发育有F3断裂及f17次一级断层，其中F3断裂延伸长度达12 km，破碎带宽5～20 m，影响带宽30～50 m，破碎带岩体破碎，夹有黑云母片岩及糜棱岩。庞忠和等［8］通过对位于同一区域内、地质条件相似的塔合曼温泉（泉口温度61℃）进行勘查和分析，认为塔合曼温泉沿断层直接出露，没有与浅部地下水发生温和，采用SiO2－焓混合模型估算的热储温度为119℃，这与隧洞开挖后揭示的掌子面岩石温度110℃基本一致。

引水隧洞所处工程区新构造运动活跃，围岩主要为较完整的片麻状花岗岩，地下水贫乏，易于热量积聚而不利于散失，隧洞通过地段镭、钍、钾元素放射性活度平均值分别为44.93，77.89，1 106.13 Bq/m3，铀含量平均值为5.78×10－6。综合考虑隧洞通过地段平均2.27%极低的铀浸出率指标，可以判定评价区铀元素不会对人体造成损害，也不会对输水工程的水质造成影响。其衰变过程中产生的热量还不足以引起高地温现象，因此对于放射性元素生热以及地下水活动热效应可能性可以排除。

通过以上分析，可以初步确定齐热哈塔尔水电站引水隧洞的高地温主要是帕米尔高原的高热流值背景，由于受到F3断裂的影响，使岩层的导热条件发生变化，从而使热流密度沿热阻小的F3断裂上升引起。

3 高地温危害及对施工影响分析

引水隧洞高地温洞段的施工采取3＃施工支洞和4＃施工支洞对进的开挖方式，随着开挖的深入，洞内岩壁温度和气温不断升高，在桩号8＋440～＋780间岩壁温度达到最高，基本在96～110℃。洞室挖掘完成部分，洞内温度会随时间的增加逐渐降低，但岩壁温度的平均值仍保持在65℃以上。在隧洞开挖过程中，多次遇到围岩破碎区高温高压气体喷射情况，气体温度高达160～170℃，喷射距离可达1～5 m，喷射时间可达数天。

3.1 高地温对施工人员的影响

为保护施工作业人员的身体健康，我国不同行业均对地下洞室作业区的温度进行了严格要求。《中华人民共和国矿山安全法实施条例》规定井下作业地点的空气温度不得超过28℃；《水利水电工程施工组织设计规范》规定洞室内平均温度不应超过28℃；《公路隧道施工技术规范》规定坑道内气温不宜高于30℃。

国内外的大量研究表明地下工作面的空气温度对人体健康和安全有重要影响，当隧洞或矿井内的温度超过28℃时，就会危及施工人员的健康、安全，超过30℃就可能导致人员出现热痉挛、热虚脱和热射症等中暑症状。

3.2 高地温对机械设备的影响

隧洞的高地温使环境温度升高，会对工程机械的发动机、冷却系统、液压系统、电路和轮胎等造成直接影响［9］。在齐热哈塔尔引水隧洞的施工中，洞内掌子面附近的空气温度达到60℃，使施工机械的发动机冷却系统散热温差减小，散热能力差，发动机容易过热等情况频发，受隧洞所处高海拔的影响，隧洞内的空气密度降低，发动机的实际进气量减少、工作循环温度提高、散热效率降低，发动机经常处于过热状态，致使发动机的功率下降。由于隧洞内的空气温度较高，造成施工机械的机油温度增高、黏度下降、润滑效果降低，致使机械零部件的磨损加重；高温容易造成爆管、接头漏油、电磁阀线圈烧毁，加速密封件老化，使冷却系统效率下降，严重影响机械的使用寿命，使故障率大大增加。

隧洞内的高气温对测量仪器的测量误差增大，在地下水丰富地段产生水雾使红外线无法正常穿透。当环境温度高于60℃时，全站仪工作几分钟就会自动关机，对测量放线作业产生极大的影响。

3.3 高地温对爆破施工的影响

齐热哈塔尔引水隧洞在挖掘中采用了2＃岩石乳化炸药，根据陈蕾等［10］的研究结果，在120℃的高温环境下，2＃岩石乳化炸药不会发生自燃或自爆等现象，使用相对安全。但在施工中发现，当岩体温度超过55℃时，乳化炸药会产生变质及硫化现象，从而出现炸药失效的情况。在高温作用下导爆管容易软化失去弹性，挤压后无法恢复原状，容易形成哑炮，造成施工成本大幅提高、开挖进度减慢，带来很大的安全隐患。高温对爆破器材的影响见图2。

图2 高温对爆破器材的影响Fig.2 Influence of high ground temperature on blasting agents

3.4 高地温对混凝土支护的影响

隧洞内的高温环境会对混凝土衬砌、支护的施工及运用产生严重影响。较高的环境温度会使混凝土内水灰比改变，影响水泥的水化，使混凝土强度降低；较高的环境温度会影响混凝土水化热的散失，使混凝土的温度大幅升高，从而在混凝土内部产生更大的温度应力；岩壁的高温直接使接触面处的混凝土水分蒸发，在混凝土内部形成大量气泡，容易在混凝土初凝前硬化，影响混凝土的黏结强度，使支护结构容易成块脱落。

隧洞高地温段的岩壁温度经过长时间的通风降温后最高仍可达到70℃，而河水主要是雪山融水，水温最低接近0℃。当隧洞竣工后引水发电时，低温水流会在极短时间内引起混凝土支护的温度骤降，在混凝土内形成极大的温度梯度产生温度应力，极可能在混凝土结构中形成温度裂缝，极大地影响隧洞的安全运用。

4 高地温引水隧洞施工措施

要保证高地温引水隧洞的顺利施工，就必须做到保护人员的身心健康，改善施工的工作环境，提高工作效率，保障机械设备的正常作业。

4.1 加强人员健康管理

缩短施工人员在高温隧洞内的停留时间，增加施工人员数量，增加施工班次，每班作业时间控制在2 h以内，同时改装专用人员运输车辆，进一步减少人员的有效作业时间，提升作业效率。加强施工人员的劳动保护，准备防暑降温饮品，增加劳保用品的发放，增加高温施工补贴，充分调动工人的劳动积极性。同时建立地热监控、风力检测组织系统，测定地温、风速、风量等参数，配置有害气体检测仪和有害气体自动检测报警装置，最大程度保障施工人员的身体健康。

4.2 通风降温

按照齐热哈塔尔水电站正常情况的通风布置，采用2×75 kW的风机，随着隧洞不断地深入，地温不断升高，高温现象越来越明显，原有配置的通风机已远远不能满足现场正常生产的条件。经计算对比分析：用2×37/110 kW通风机代替原来的通风机，采用送排混合通风方式，充分利用本地区较低环境气温，全天不间断地向洞内送入新鲜空气，改善洞内空气质量，同时在洞内增设1台抽风机置于工作面100 m处，将废尘、废气等有害物质吸出并排到洞外，加快气体的流动速度，尽可能降低作业区温度。隧洞通风平面布置见图3。

图3 隧洞通风平面布置图Fig.3 Plan layout of ventilation of the tunnel

4.3 炮孔冷却系统

炮孔冷却循环系统主要由抽水输送系统、分散制冷系统及抽水输出系统组成。抽水输送系统由抽水装置和输送管道组成，在河道旁建造一个泵房，通过φ150 mm的钢管输送冷水至掌子面30 m，然后在输水管道上解出4个分水闸阀，通过橡胶软管分别连接到钻爆台车上。分散制冷系统主要是通过分流，将冷水分成多股，直接插入到炮孔中，直至冷却至合理的爆破温度。抽水输出系统是为了避免冷却水到处乱流影响洞内的施工环境，在距离掌子面40 m处设置集水坑，通过污水泵将集水坑中的循环水经排水管排出洞外。

4.4 制冰降温系统

采用BD/BC－1288BA型冰柜生产制备冰块，将冰块放置于隧洞通风口，利用冰块液化吸热的原理使产生的冷空气循环流动，使隧洞内部的温度有效地降低，最终达到降温效果。

4.5 综合降温措施方案

综合以上几种施工降温措施，通过实践分析，在洞段Y7＋800处，开挖后的掌子面岩壁表面的温度高达72℃，测得空气温度为65℃，取以通风技术为主，辅助低温冷水技术，将河流中的冷水采用管道直接输送掘进工作面的冷却器中。隧道下游降温系统示意见图4。这种方法可以降低风流温度，使隧洞环境温度下降，取得了明显效果。同时将人工制备的冰块放于通风口处，将产生的低温冷空气通过通风管道压入到掌子面，最终使掌子面空气温度下降并维持在45℃左右，降温效果较明显。在相关作业区增设专用排风扇，在作业台上固定装设排风扇，在周边增设小风机，以加快周围空气的流动速度，以带动作业人员体表温度的循环，达到改善空气及降温的作用，取得了预期的效果，有效改善了施工的作业条件。同时严格控制作业人员的洞内工作时间不超过2 h，作业面准备充足饮品保证维生素、盐分、水分的补给，实时监测人员的健康状况，做好人员的作业轮换工作。对隧洞内的施工设备，采取加强维护保养，增加备用设备，缩短设备轮换时间等，保证了施工设备能够正常发挥效用。齐热哈塔尔引水隧洞高地温段施工从2010年3月开始，于2013年10月15日成功贯通，目前正在开展混凝土试验段工作。

图4 隧道下游降温系统示意图Fig.4 Cooling system for the lower reach of the tunnel

5 结论与建议

随着我国西部基础建设的加快，将会遇到更多的深埋隧洞的高地温问题，有必要对此开展深入的研究。本文对齐热哈塔尔水电站高地温引水隧洞的高地温段的成因、高温对隧洞施工的影响及降温施工措施进行了分析和总结，主要结论与建议如下。

1）齐热哈塔尔水电站引水隧洞的高地温主要是帕米尔高原的高热流值背景，由于受到F3断裂的影响，使岩层的导热条件发生变化，从而使热流密度沿热阻小的F3断裂上升引起。

2）在高温长隧洞的施工中，必须要加强对施工人员的防护，合理安排作业时间，确定劳动工时，最大限度保证人员的安全健康。

3）采取以通风为主要手段的降温措施，充分利用天然河道的低温冷水作为辅助降温手段，同时采用人工制冰通风降温，能够起到较好的降温效果，有力保障了高温隧洞的施工。

4）高温隧洞的施工是世界性的难题，本工程进行了有益的探索，但仍需进一步加强高温环境下人员防护设备、测量及监测仪器、混凝土性能及施工方法等方面的研究。

（References）：

［1］ 和学伟.高温高压热水条件下的引水隧洞施工［J］.云南水力发电，2003（S1）：59－61.（HE Xuewei.Construction of power tunnels under high temperature，high pressure and heat water conditions［J］.Yunnan Water Power，2003（S1）：59－61.（in Chinese））

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［10］ 陈蕾，袁媛.布仑口—公格尔水电站发电引水隧洞高地温洞段爆破技术研究［J］.黑龙江水利科技，2012（9）：107－108.

Hydropower Tunnel in High Geothermal Condition：Influences of High Ground Temperature and Countermeasures

SU Hui1，ZHANG Hong2，GENG Xinchun3，TANG Yang1，WANG Jian1
（1.School of Water Resources and Hydropower Engineering，Hebei University of Engineering，Handan 056038，Hebei，China；2.Xinhua KashiKashgar Qireha tal Hydropower Development Co.，Ltd.，KashiKashgar 844000，Xinjiang，China；3 Xinjiang Xinhua Hydropower Investment Co.，Ltd.，KashiKashgar 830000，Xinjiang，China）

The highest temperature measured at the working face of Qireha tal hydropower tunnel reaches 110℃，which has serious influence on the tunnel construction.In the paper，the causes for the high ground temperature are analyzed，the influences of the high ground temperature on the tunnel construction are studied，and cooling measures are proposed，so as to guarantee the successful construction of the tunnel.The study result shows that：1）The region possesses very high heat flow value，and the heat flux transfers to the ground surface along the faults，thus forming the high ground temperature section；2）Technologies used，such as tunnel ventilation combined with local ventilation and cold water and artificial ice，can solve the high ground temperature problem.

high ground temperature；hydropower tunnel；ventilation；cooling measure；Qireha tal hydropower station

10.3973/j.issn.1672－741X.2014.04.010

U 45

A

1672－741X（2014）04－0351－05

2014－01－22；

2014－02－09

宿辉（1972—），男，河北保定人，1994年毕业于华北水利水电学院，水工结构专业，博士，教授，主要从事水工隧洞安全领域的研究工作。