大柱山隧道地热段综合降温施工技术

陈志强

中铁一局集团第四工程有限公司 陕西 咸阳 712000

正文：

1、大柱山隧道概况

大柱山隧道位于云南省保山市，穿越著名的横断山南段，全长14484m，其中单线正洞13803m；预留Ⅱ线209.4m，大跨段区域471.6m，隧道最大埋深为1010m。隧道洞内纵坡设计为“人”字坡，最大纵坡23.5‰。其整体地势北高南低，所在区域地质环境复杂，断裂构造发育，穿越6条断裂带，局部地段可能出现围岩失稳、突然涌水、岩爆、岩溶、放射性、地热等不良地质，施工难度极大。

2、隧道设计勘查地热情况

大柱山隧道地热地段的岩性主要为砂岩、泥岩、砂岩夹灰岩等。根据设计提供资料显示，隧道埋深超过890m地段地温可能超过28℃，最大埋深955m地温约为29℃，预测地温可能超过我国矿山劳动保护条例（28℃）的保护工人的身心健康和工作效率的上限温度值，属于低高温带。在探孔D1Z-大柱山-04、D1Z-大柱山-05钻孔测试分析，孔底温度已超过28℃，推算DK117+000～DK119+000段洞身温度将超过28℃，最高可达到33.6℃，因此在施工过程中应进行测试地温，加强地温监测及时采取降温措施，防止造成人身伤害。

3、 开挖揭示情况

2014年8月开始，大柱山隧道出口平导掌子面施工环境温度逐步升高，且随着开挖施工的进行，洞内环境温度升高和潮湿现象逐渐加剧，作业环境极其恶劣，现场采用测温仪对隧道内岩温及空气温度进行检测，检测结果：洞内空气温度值为非作业施工环境下34℃，岩温值31℃。2015年9月份以来，随着平导开挖逐渐加深，隧道埋深超过910米，洞内温度越来越高，实测洞内空气温度值在施工作业环境下为41℃。

4、大柱山隧道地热段综合降温施工技术

4.1 总体施工方案

根据大柱山隧道设计勘查地热情况，结合现场技术条件、技术装备及施工组织安排、合同工期要求等，在工作人员可忍受的条件下保证隧道正常施工，大柱山隧道主要采用加强通风降温、冰制冷降温等降温方法相结合的降温措施，同时合理调整隧道施工工序作业时间的综合施工技术。

4.2 地热施工技术措施

4.2.1 岩温和洞内空气温度、湿度量测

为预防洞内地热灾害的发生，进入地热段施工后，立即安排专职人员开始对洞内空气温度、湿度及掌子面岩石温度进行测量，分析地热情况及隧道环境温度、湿度对人工、机械的影响情况，及时采取措施降温除湿措施，保证施工人员的渗透健康和机械效率。

⑴洞内作业温度测量

a、测量仪器与方法

采用干球温度计、自然湿球温度计、黑球温度计在同一地点分别测量计算,自然湿球温度计的感应部分应为圆柱体，测量范围在5℃～40℃；精度为±0.5℃。黑球温度计的黑球直径为150mm或50mm，为无光泽黑球，平均辐射系数为0.95，铜球壁越薄越好。测量范围为20℃～120℃，精度为±1℃。干球温度计测量范围为10℃～60℃；精度为±0.5℃，测量时注意防止辐射热的影响。

b、干球、湿球和黑球温度测量时应采用三角支架将三个温度计悬挂起来，以便使环境空气不受限制流经球体感温部。

c、在测量湿球温度时，要在湿球温度计的感温部分裹上一层湿纱布条，纱布条要覆盖湿球温度计的整个感温球体。测量时由其自然蒸发（不能人为强迫通风），每10min读记测量数值。应注意保持纱布条清洁、湿润，再次使用前要清洗干净。

d、测量时间及频率

在生产正常和工作地点热源稳定时，同一工作地点，在一个工作日内应测量三次，即工作开始后及结束前0.5h分别测一次，工作中测一次，取平均值。

e、测量地点及位置

选择作业人员经常操作、停留或临时休息处,洞内应在拱脚、边墙及墙角分别测一次。

⑵岩温测定方法：采用隧道边墙浅孔测温法进行岩温测量，见下图1。

图1 岩温测孔布置图

a.测温仪器的选择：高地温工点洞内岩温测量采用智能数字显示报警仪WP-C80测量岩温。

b.钻孔的位置：选择在距开挖面3-5m的边墙距离隧道底板1.0～1.2m高的围岩较完整、干燥岩体处钻孔。

c.钻孔方式：用风钻进行钻孔，采用高压风吹孔，不得用水冲洗钻孔。为了保证测温的精度，钻孔一般要求向上倾斜5～10℃，现场可根据具体情况调整；钻孔深度3-4m，孔径不小于42mm。

d.测温方法：将钻好的孔位立即封闭，在采用智能数字显示报警仪WP-C80测量岩温。

4.2.2 优化通风方案，加强通风措施

高温隧道内的温度多半是由地热、施工机械散热、洞内爆破散热、衬砌混凝土水化热等引起的，导致洞内温度高于洞外的环境温度。要想降低洞内温度，方法之一就是加强隧道内通风，加大和加快洞内外空气的流通速度，以此降低洞内施工环境的温度。此外，增大供风量还有助于排除洞内有害气体、降低粉尘浓度。

大柱山隧道出口施工通风主要采用分阶段管道压入式及混合巷道式通风，通风管选用正洞φ1400mm（平导φ1500mm）涤纶软式通风管，风管出风口至掌子面距离L=60m。鉴于目前隧道高温施工情况，待正洞相互两横通道贯通后需及时风机向前移动，使掌子面有效风量达到最大，以确保隧道达到降温目的。其中为正洞进风通道，平导为排烟通道。

⑴第一阶段通风

轴流风机安装在24#辅助正洞大里程端，正洞施工作业面为24#、23#辅助正洞，22#辅助正洞为调剂作业面。正洞为新鲜空气进入通道，平导为污浊空气排出通道，为确保洞外气压能顺利通往风机进风侧，满足进风侧空气质量要求，需在正洞洞口安装射流风机，洞身每400～500m安装一台射流风机,平导于洞内通风死角处安装射流风机辅助排出污浊空气。平导风机采用SDF(B)-NO.13，功率132×2KW，单独供应平导通风，同时在平导PDK120+720处安装第二台风机进行接力通风。正洞风机采用SDF(B)-4-NO.16，功率110×2KW，共两台风机供应正洞两个掌子面施工。

图2 大柱山隧道出口工区第一阶段通风布置示意图

第一阶段通风设备配置见下表1

表1 大柱山隧道出口风机配备表

⑵第二阶段通风

轴流风机安装在22#辅助正洞大里程端，正洞施工作业面为22#、21#辅助正洞,20#辅助正洞为调剂作业面。平导风机采用SDF(B)-NO.13，功率132×2KW，单独供应平导通风，同时在平导PDK119+850处安装第二台风机进行接力通风。正洞风机采用SDF(B)-4-NO.16，功率110×2KW，共两台风机供应正洞两个掌子面施工。

图3 大柱山隧道出口工区第二阶段通风布置示意图

第二阶段通风设备配置见下表2

表2 大柱山隧道出口风机配备表

⑶第三阶段通风

轴流风机安装在20#辅助正洞大里程端，正洞施工作业面为20#、19#辅助正洞,18#辅助正洞为调剂作业面。正洞为新鲜空气进入通道，平导为污浊空气排出通道，为确保洞外气压能顺利通往风机进风侧，满足进风侧空气质量要求，需在正洞洞口安装射流风机，洞身每400～500m安装一台射流风机,平导于洞内通风死角处安装射流风机辅助排出污浊空气。平导风机采用SDF(B)-NO.13，功率132×2KW，单独供应平导通风，同时在平导PDK118+920处安装第二台风机进行接力通风。正洞风机采用SDF(B)-4-NO.16，功率110×2KW，共两台风机供应正洞两个掌子面施工。

图4 大柱山隧道出口工区第三阶段通风布置示意图

第三阶段通风设备配置见下表3

表3 大柱山隧道出口风机配备表

⑷第四阶段通风

轴流风机安装在18#辅助正洞大里程端，正洞施工作业面为18#、17#辅助正洞，16#辅助正洞为调剂作业面。正洞为新鲜空气进入通道，平导为污浊空气排出通道，为确保洞外气压能顺利通往风机进风侧，满足进风侧空气质量要求，需在正洞洞口安装射流风机，洞身每400～500m安装一台射流风机,平导于洞内通风死角处安装射流风机辅助排出污浊空气。平导风机采用SDF(B)-NO.13，功率132×2KW，单独供应平导通风，同时在平导PDK118+093处安装第二台风机进行接力通风。正洞风机采用SDF(B)-4-NO.16，功率110×2KW，共两台风机供应正洞两个掌子面施工。

图5 大柱山隧道出口工区第四阶段通风布置示意图

第四阶段通风设备配置见下表4

表4 大柱山隧道出口风机配备表

⑸ 第五阶段通风

轴流风机安装在16#辅助正洞大里程端，正洞施工作业面为16#、15#辅助正洞，14#辅助正洞为调剂作业面。正洞为新鲜空气进入通道，平导为污浊空气排出通道，为确保洞外气压能顺利通往风机进风侧，满足进风侧空气质量要求，需在正洞洞口安装射流风机，洞身每400～500m安装一台射流风机,平导于洞内通风死角处安装射流风机辅助排出污浊空气。平导风机采用SDF(B)-NO.13，功率132×2KW，单独供应平导通风，同时在平导PDK118+018处安装第二台风机进行接力通风。正洞风机采用SDF(B)-4-NO.16，功率110×2KW，共两台风机供应正洞两个掌子面施工。

图6 大柱山隧道出口工区第五阶段通风布置示意图

第五阶段通风设备配置见下表5

表5 大柱山隧道出口风机配备表

为了进一步加快通风排烟速度，增加掌子面空气流动性，在出碴、喷浆工序作业结束后，将高压风开启，人员暂时撤离，采用高压风配合通风30-60分钟，再关闭高压风。

通过对隧道通风前后洞内温度的测量，原通风方案在通风60分钟后，温度降低0.5～1°C,降温不明显，且作业面温度经常高于40°C，超出了作业规定，优化通风方案后，隧道降温效果明显，作业面温度能位置在33～39°C，偶尔超过40°C。由此可见高温隧道洞内施工人员及设备比常温要多，洞内新鲜空气需求量大，通过加强通风，洞内通风量得到了保障，但是对降温效果不明显。

在开挖台车、衬砌台车、防水板铺设台架处，在地面及每层平台各安装2台5.5KW的大功率风扇，每个台车（架）安装6台，正洞每个工作面18台，平导工作面6台。增设风扇后，虽然温度没有降低，但大大增加了空气的流动性，通过加快吃散人体表面汗液和湿气，达到人体降温效果。

4.2.3 冰块降温

采用冰制冷降温主要适用在掌子面 30m 范围内，施工人员较为集中的区域。一般掌子面每次放置冰体积约 3～4立方米较为合适，在冰块位置安装风扇，加速空气流通与冰块融化速度，加快与洞内热空气进行交换，从而达到降温目的。

4.2.4 设置空调降温屋

GB/T4200-2008《高温作业分级》中规定，达到允许持续接触热时间后，必要休息的时间不得少于15min，休息时应脱离高温作业环境。凡高温作业工作地点空气湿度大于 75% 时，空气湿度每增加1000，允许持续接触热时间相应降低一个档次，即采用高于工作地点温度 2℃的时间限值，如表6所示。

表6 高温作业允许持续接触热时间限值 min

因此，在距离掌子面后方300m处设置降温屋，面积约为8平方米。根据隧道断面净空情况，平导采用彩钢板修建，正洞利用避车洞修建，内衬碎料泡沫等密封材料配置空调机和除湿机。降温屋内温度应保持在25℃以内，空气湿度小于70%。

表7 大柱山隧道出口降温屋设备配备表

4.2.5 衬砌地段喷水

在隧道刚施做二衬地段，从高压水管开口引入200mm钢管，钢管两端密封，中间间隔20-30cm设置喷头及开关，当掌子面不再用高压水打钻时，开启喷头闸阀，朝隧道外喷水，利用水降温。

4.2.6 优化施工组织

⑴人员作业调整

鉴于本隧温度高，作业环境恶劣，为尽快恢复体力，需进行充分的休息，增加劳动人数和作业工班，在正常作业条件基础上增加4～6倍施工人员及现场管理人员，缩短每班劳动工时为4小时，作业1～2小时后进入空调室休息15～30分钟，实行6～8班倒作业，以保证施工人员的健康和安全。

⑵机械配套调整

进入高温施工段后，考虑到施工机械设备（挖掘机、装载机、出碴车等）故障率增加，效率降低，易出现开锅现像，采用了增加机械设备配置及增加机械维修人员、增加机械易损件储备等措施。高温段机械设备均较常温段多配备一套设备作为备用，配置情况见表8。

表8 大柱山隧道出口常温段与高温机械设备对比表

4.2.7 劳动保护措施

⑴在地热环境中施工时，人易发生维生素、水分及盐类的缺乏，对此我们采用保温桶装冷却盐开水和白糖绿豆汤及藿香正气水等放置在作业面附近供作业人员及时饮用或服用。

⑵施工人员穿戴内置冰块的冰冻衣服（蓝冰系列降温保护用品），以达到降温效果，但冰冻衣服降温部位仅体现在头部、背部和胸部，且衣服内放置冰块导致重量增加，穿上降温服操作不灵便，实施一段时间后取消该措施。

4.3 其他辅助施工措施

4.3.1 加强地热专题安全培训

加强对洞内作业人员进行地热专题安全作业培训。让作业人员了解地热对人体会带来哪些危险，洞内若出现高温现象，最易引起现场作业人员的中暑发生。

中暑症可分为热痉挛症、热虚脱症和热射症三种类型，其症状及处置如下：

⑴热痉挛：由于出汗过多，体内的水分、盐类丧失而引起。其症状为在作业中和作业后，发作性肌肉痉挛和疼痛。对此症应采取充分地摄取水和盐类予以缓解症状。

⑵热虚脱：由于循环系统失调而引起。其主要症状为血压降低、速脉、水脉、头晕、头痛、呕吐、皮肤苍白、体温轻度上升。采取的措施是，循环器官有异常的人员严禁参加施工。对有症状者增加补水次数，并在阴凉处静卧休息。

⑶热射症：由于体温调节中枢失调，体温上升。症状为：体温高、兴奋、乏力和皮肤干燥等。采取的措施，对高温不适应者应避免在洞内作重体力劳动。在高温施工地段采用冷水喷雾等方法降温，必要时对患者可采取医疗急救处置。

4.3.2 加强施工人员的健康管理

如有高血压、心脏病的患者，高温作业容易引起症状恶化；疲劳、空腹、睡眠不足、酒醉等容易诱发中暑症，对此类人员应禁止参加劳动。

4.3.3 配备防中暑物资及药品

⑴施工现场值班室配备冰柜，并存放一定数量的冰块，以方便对中暑工人降温使用。

⑵给每个施工作业人员分发一定数量的防治中暑药物，清凉油、风油精、藿香正气水等。

4.3.4 加强设备防护

地热地段，温度的升高可造成设备性能降低和橡胶部件的提前老化。施工中应加强设备自身的排热性能，提前配备或更换易老化的部件，防止因高温造成设备损坏，影响施工的正常进行。