高地温隧道施工及防护技术浅谈

杨文斌

中铁十二局集团第二工程有限公司 山西太原 030000

1 工程概况

线路概况。新建川藏铁路拉萨至林芝段（简称“拉林铁路”）位于西藏自治区东南部，线路从既有拉日铁路协荣站引出，向南穿过冈底斯山余脉进入雅鲁藏布江河谷，于贡嘎跨过雅鲁藏布江后向东经扎囊、乃东、桑日、加查、朗县、米林至林芝，新建正线长度402．405km，运营长度 434．905km。

2 隧道地热地质特征

2.1 地热地质特征

（1）水热活动特征。

①沿线地表水热显示类型及特征：

拉林铁路沿线的水热显示有温泉、温热泉、热泉、泉华、盐化、冒汽地面等类型。

根据国家技术监督局颁布的《地热资源地质勘查规范》（GB11615-2010）的相关规定，地热资源按温度分为高温、中温、低温三类（见表1）[1]。

表1 地热资源温度分级

②水热活动的影响因素。水热活动的形成受诸多因素影响，其中起主要作用的是构造活动、岩浆活动、气候条件（大气降水和地表水）及地貌等，现结合拉林线的地勘资料将其分述如下：

a．新生代岩浆岩和水热活动的关系。拉林线雅鲁藏布江峡谷区，在雅鲁藏布江的南北两岸以及线路附近分布的主要岩性就是燕山—喜山期闪长岩、花岗闪长岩，其温泉、温热泉、热泉的分布也主要集中在此段。

b．地表水与水热活动的关系。拉林线雅鲁藏布江峡谷区段主要的地表水为雅鲁藏布江江水及其支流，从对江水、江边出露的热泉水水质试验结果来看：江水的水化学类型为HCO3-Ca（Na+K）型，而热泉水的水化学类型为Cl·SO4-（Na+K）型，从以上类型可以看出，地表水在补给给地下热水后，在热储构造的加热和运移过程中，Ca离子沉淀富集，钙华现象就是明显的佐证，CO2析出，H2O留于热水中，从而形成了热泉的水化学类型。由此可见，雅鲁藏布江江水及其支流与其旁侧的水热系统之间有一个局部的水循环过程。

c．地貌与水热活动的关系。拉林线雅鲁藏布江峡谷区的泉水均位于负地形地区，即：深切的沟谷、河谷两侧。由于泉水出露的地方没有或很少有第四系松散砾石层堆积，因而难于形成空隙型热储层，热储多由兼具通道性质的基岩断裂和裂隙构成。

（2）隧道热害分级。通过调研规范发现，目前我国隧道行业关于施工温度的规定非常粗略，在遇到施工、运营热害问题时不便于操作。为便于使用，从隧道勘察设计和施工两个阶段分别提出热害分级。隧道勘察设计阶段的热害根据原始岩温（干球温度）进行预测分级，如表2所示，共分为四级。隧道勘察设计阶段热害预测分级也可采用钻孔封闭且热交换平衡后的孔内空气干球温度或孔内水的温度。施工阶段的热害分级考虑两个因素，即隧道内干球温度（ta）和相对湿度，并考虑高温的适应人群和非适应人群，共分为四级，如表3所示[3]。

表2 隧道勘察设计阶段热害预测分级表

表3 隧道施工阶段热害分级表

2.2 地热对铁路工程（特别是隧道工程）的影响

根据以往的调查和综合勘探工作，并结合区域地热地质资料，拉林线雅鲁藏布江峡谷区段的地热传导方式主要为：热传导（岩温）、热对流（汽、液相地热流体）和热辐射。因此，地热对铁路工程（特别是隧道工程）的影响主要表现为以下几方面：

（1）地热的存在将恶化施工环境，增加工程的施工难度。如在隧道的施工过程中，突然的热水、热气的喷出，会造成人员的伤亡。

（2）地热的存在影响围岩的稳定性。地热流体（气、液相）多沿节理密集带赋存、运移，由于其长期的活动，势必会增加基岩的节理或者加宽节理宽度，造成岩石的再次分解变形，从而影响隧道围岩的稳定性[2]。

（3）地热的存在对施工材料的影响。由于地热流体（气、液相）中含有大量的腐蚀性矿物成分，对施工材料特别是铁质材料具有强烈的腐蚀作用，因此，在设计、施工中对施工材料的要求会更高。

（4）地热的存在对施工工艺的影响。由于地热流体（气、液相）或者高岩温，均为高温性，因此在设计、施工中对施工工艺中高温环境作业会有特殊的要求。

（5）高地温产生的附加温度应力可能引起衬砌开裂，对结构的安全及耐久性不利。

（6）高地温的存在对铁路运营的影响。在隧道工程中，由于热辐射或者岩温传导引起的地热问题，在运营过程中会长期存在，对通行旅客及养护人员均会造成不利影响，所以，在设计、施工中对隧道通风的要求会更高。

3 拉林铁路巴玉隧道温度施工监测

3.1 高温地段检测方法

（1）便携式检测设备。

①温度测量激光枪：用于测量岩石表面温度。

②干湿温度计、玻璃温度计：主要用于测定环境温度、水温。

③便携式智能测温仪（SH612型）：用于测定孔内温度。

④热力指数计（黑球测温仪8778型）：用于环境温度测量。

（2）检测项目及频率。

①炮孔温度：

a．检测项目：炮眼钻孔后孔内3m处温度、装药前孔内温度。

b．频率：每次开挖打钻，掌子面分部位检测15～25个炮眼。

②超前探孔温度。掌子面连续施工50m超前探孔，每环搭接5m，每次3个探孔。

a．检测项目：超前探孔内孔深10m，1次测温。

b．频率：每次超前探孔施工。

③后方岩温、环境温度：

a．检测项目：离掌子面一定距离后的岩体温度、环境温度。

b．频率：每50m在两侧边墙钻3m深孔（每100m加深至5m），测定孔口、孔内1．5m、3．0m、5m处的温度。相应里程的环境温度。

④工作面温度：

a．检查项目：放炮前岩面温度，环境温度，放炮后岩面温度，环境温度，出碴后岩面温度，环境温度。

b．频率：每循环测定。

⑤水温测定：

a．检测项目：每处出水点的水温。

b．频率：水温一周测定一次

⑥气体记录：

a．检测项目：水蒸气等气体记录

b．检测频率：单独记录描述气体出现的时间，里程，部位等相关信息。

3.2 高地温施工监测

（1）隧道施工过程中的超前地质预报。参考以往对高地温隧道的处理经验，结合拉林线具体隧道的高地温情况，在设计、施工中主要从以下几个方面采取针对性的措施：

①研究区域地质资料。

②地质素描，随开挖及时进行，地层岩性变化点、构造发育部位、地下水发育带附近每开挖循环进行一次素描，其他地段每10-20m进行一次素描，以便随时掌握开挖地质情况。

③红外探测，原则上可以定性预报掌子面前方30m范围内有无地下水，围岩温度的变化趋势。

④根据地质素描、红外探测结合区域地质资料初步综合分析，若掌子面前方未发现地质异常现象，可以不进行超前钻探；若肯定有或把握不准，则要进行超前钻探。

⑤地质综合判析。地质综合判析是综合地质预报方法的中枢，它对以上所采用的各种预报手段获得的资料进行归纳、分析、对比，提出最终预报结论和工程措施建议，指导施工，并确定下一步预报的方案和工作计划。

4 高地温隧道施工过程降温、防护技术

4.1 巴玉隧道施工降温

高地温隧道施工应以非人工制冷降温技术为主，降温措施的技术图见图1所示。

包括以下几个方面：①通风降温：通过增加风量，提高风速，吹送冷风。可采用制冷设备将进风空气制冷；②喷雾洒水降温：可采用喷雾、喷淋、洒水等方法进行降温；③低温冷水降温：可利用施工所在地的低温河水（或江水）通过水泵循环降温；④冰块冷却降温：在掌子面附近或在施工人员较集中地点局部放置冰块进行物理降温；⑤热水处理：隧道的热水温度较高，可用超前疏排热水，或用有隔热盖板的水沟或隔热管道排放。⑥个体防护：工人穿冷却服是个体防护的主要办法。

针对本隧道的其它降温措施：①根据隧道内的高温程度、劳动强度和劳动效率，缩短每班作业人员的作业时间，增加休息时间，合理安排高温作业时间；②增设洞内休息室：在提供班组人员临时休息的低温室内布设风扇、空调及各种防暑用品等；③加强健康管理，做好劳动保护：禁止疲劳、空腹、睡眠不足、酒醉等作业人员参加劳动；④尽量采用机械化作业，最大限度降低人工作业：⑤加强超前地质预报和动态监测，用监测数据指导施工[3]。

（1）洒水、喷雾降温。洞内铺设Φ100mm钢管作为专用降温水管，采用特制喷头做喷雾器，24小时喷雾洒水作业。喷头每隔20m设置一处，靠近掌子面地段和衬砌作业面10m/处加密设置，见图2。

利用高压洒水车对爆破后裸露的岩面、炮碴进行洒水降温，减少热源。

另外在隧道拱顶处设置洒水管道，铺设Φ50mm水管作为专用降温水管，采用特制喷头做洒水器，24小时进行喷淋状洒水作业。不仅可以起到降温作用，还可以减少洞内灰尘，明显改善洞内环境，对作业人员职业健康起到了积极作用，见图3。

高地温隧道采用洒水车进行洒水降温，在隧道作业期间对爆破后裸露的岩面、路面、初支面、二衬面进行洒水，每天进行2次洒水，每次洒水量约为15m3，见图4。

（2）制冰、冰块降温。为改善人员在隧洞内的施工环境，把冰块放置在掌子面附近，通过冰的溶解、水的吸热蒸发进行物理降温。每天在施工现场制冰，通过卡车输送到施工工作面，用于降低环境温度，改善作业环境。通过对现场环境温度的实测，隧道内的环境温度有3-5℃的降低。

现场制冰机房（80m2）、储冰室（24m2）距离洞口2km，由6人专职24小时制冰存储，每天安排4人搬运冰块至洞内，一天4次，保证洞内冰源的充足，见图5。

4.2 个体、设备防护技术

防护主要从个体防护、设备防护方面展开，主要的技术图如6所示。

（1）个体防护。从现场温度实测可知隧道内温度高达35-49℃，同时巴玉隧道位于高原地带，在高温环境和高原缺氧的双重作用下对施工人员是个极大的挑战。工人穿冷却服是个体防护的主要措施，个体防护还要做好以下几点：

①合理安排劳动和休息时间。根据隧道内的高地温程度、工人劳动强度和工作的劳动效率，尽量减少用工量，以保证施工过程中施工人员的健康和安全。

②设置洞内休息室。在洞内设置移动休息室，保证作业人员在高温环境下，能得到相应的休息、保护以及体力的恢复，以确保正常工作效率。

移动休息室采用保温防火材料制作，面积约6m2。休息室内配置防暑降温物品、应急救援箱，安装空调（2匹，5．1kw），见图7、8。

③提供保健药品及科学救护。购买防暑降温食品，加倍发放劳保用品，及时发放防暑药品比如风油精、清凉油、藿香正气水等，同时保证高地温作业区域内人员的饮食。对在高温地点作业的人员统一进行安全意识培训，能较熟练掌握预防中暑及在中暑后的应对方法，同时能做到自救和互救。定期对高地温地区作业的人员进行体检；对于人体中容易丢失的水分、维生素及其盐类等，要随时及时补充。

（2）设备防护。

①设备保养维护，缩短作业时间。机械设备出现停滞熄火、工作效率降低是高温隧道施工中常见的施工难题。在机械闲置时要及时的维修和保养，尽量保证设备的工作效率。在维修养护方面需要做到以下几点：a．检查各个部件性能是否可靠，必要时进行保养、维修或更换。b．处于高地温工作区域的机械的机油黏度等级应适当提高，检查机械的冷却系统和燃油系统是否通畅，同时已经老化的电线、插头、螺丝、油管等要及时更换，防止泄露燃油。对于发动机上的油污、尘土要及时清理，保证散热良好[4]。

5 结语

结合国内外高地温铁路、公路、煤矿隧道常用施工及降温措施，考虑拉林铁路地处高海拔地区、气压低、高寒缺氧、深埋等特殊条件的热害问题，以巴玉隧道为例，提出具体高地温监测方法、频率及要求，根据监测结果划分热害等级，采取相对应的高原高地温隧道施工及降温措施。隧道高地温应以通风降温、洒水喷雾降温、低温冷水降温、冰块冷却降温等非人工降温技术为主，辅以个体及设备防护技术，在高地温隧道内设置移动式吸氧室、低温空调室等措施后，降温提效效果明显。