高地温超长超深隧道斜井施工技术研究

廖 郁

(四川路桥盛通建筑工程有限公司，四川 成都 610066)

0 前 言

随着建设的发展,高地温隧道斜井逐渐成为地下工程施工中遇到的热点问题。与常温隧道斜井的施工不同,因特殊的施工环境为高地温隧道斜井带来许多施工难题,造成了人员危害，机器运转效率低下、周围作业环境不能满足人员作业要求。高地温隧道斜井研究与实际工程紧密相关,促进高地温隧道斜井的发展与研究。本文依托乐汉高速金口河隧道斜井工程,通过对高地温段施工进行介绍,提出了有关高地温隧道斜井施工的几点建议,为其他类似高地温隧道斜井工程施工提供科学依据。

1 金口河隧道斜井概况

拟建金口河隧道为乐汉高速的控制性工程之一,地处中高山峡谷之内,金口河隧道长度达到8 km,进口位于四川省峨边彝族自治县宜坪乡群力村岩门子下方官料河左岸陡坡中下部。

全遂设置通风斜井一座，斜井地处高地温段内，设计双斜井二区段分段纵向式通风方式。拟建金口河隧道斜井位于四川省乐山市峨边彝族自治县杨村乡土地堂。斜井左线全长1 700.541 m，桩号范围：ZXK0+010.459～ZXK1+711；右线全长1 630.312 m，桩号范围：XK0+015.688～XK1+646，斜井平均纵坡10.9%。

2 高地温段判断

2.1 判断依据

为了保证斜井施工人员进行正常的施工作业，相关部门对斜井施工作业环境要求都作了具体规定。其中，铁道部规定隧道斜井施工区域内温度应在28 ℃以下；交通部规定隧道斜井施工区域内温度应在30 ℃以下。国外相关资料中也作了规定，其中，日本规定隧道斜井施工区域内温度应在37 ℃以下。

2.2 判断方法

1)在洞内挂温度计进行温度监测。

2)当施工区域地温很高时，在隧道斜井开挖面前方一段长度处，采用平导进行超前钻探，通过取样观察施工区域前方的地质条件，若钻孔过程中出现热水冒出，则通过在平导内安放降排水设施和钻孔将隧道内的水位维持在安全高度范围内。

3 高地温段施工工艺

3.1 超前地质预报

金口河隧道及斜井地质条件极为复杂，隧道斜井施工地处高地温区域内，在隧道施工时应将施工区域洞内探测与洞外地面调查相联系、长距离总体预报和短距离精确预报相联系、地探和物探途径相联系，进行多角度、多手段的综合超前地质预报，利用超前地质预报技术保证金口河隧道及斜井施工的顺利实施。

3.2 高地温段通风

在金口河隧道斜井高地温段施工降温过程中，采用加强通风的技术手段对隧道斜井进行降温处理，如图1所示。在隧道施工时，通过设计合理的通风方案加大隧道内风的流动速率，将热能排出隧道外，将隧道斜井内的温度控制在正常施工范围内。

图1 金口河隧道进口端工区划分示意图

3.2.1 通风方式

1)斜井工区。将金口河隧道左右洞送排风斜井施工划分为斜井工区，该工区包括斜井进口到与主洞联通的施工过程。该工区采用独头压入的通风方式。

2)斜井辅助工区。从斜井与主洞联通处到合同分界点为斜井辅助工区，里程:K64+650～K65+380(合同分界点)，该工区划分为两个区段。

1)第一区段：独头压入式通风，里程：K64+650～K64+880(洞内联系道)，独头压入最大长度1 940 m。

2)第二区段：巷道式通风，里程：K64+880～K65+280(合同分界点)，独头压入最大长度400 m。

3.2.2 需风量计算

开挖面送风量计算按照以下几个因素分别计算，取最大值作为送风标准的控制风量，具体按各因素计算结果如下。

1)按洞内工作面同时工作的最多人数计算送风量：

Q人=q·n·k

(1)

式中，q为洞内工人的用风量，取3 m3/min·人；n为斜井工区和斜井辅助工区作业面最多人数，分别为60人和80人；k为备用系数，取1.6。

金口河隧道用风量在斜井工区为：Q人=288 m3/min

在斜井辅助工区为：Q人=384 m3/min

2)按隧道内最小允许风速计算送风量：

Q风速=S·V

(2)

式中，S为隧道斜井工区和辅助工区的开挖面积；V为隧道内最小允许风速，通过现场实地勘察，将最小允许风速取为0.5 m/s。

金口河隧道斜井工区和斜井辅助工区最大开挖面积分别为57.4 m2和78.6 m2。因此，斜井隧道按上述条件计算得到：

斜井辅助工区送风量为：Q风速=1722 m3/min

斜井辅助工区送风量为：Q风速=2358 m3/min

(3)

式中，t为送风时间，取30 min；A为爆破炸药量，取200 kg；b为每kg炸药爆炸释放CO量，取40 L/kg；L为排烟安全距离，m；P为风管首尾端送风量之比，取1.2；C为送风要求达到的CO浓度，取0.025%。

排烟安全距离：

(4)

代入可得：

Q炸药=1 333 m3/s

4)按无轨运输洞内计算送风量。通过无轨运输的方法进行洞内送风量计算时，还需考虑对机器设备产生的尾气进行降解处理，供风量应大于尾气降解速率，以满足对尾气的降解要求。

在《公路隧道施工技术规范》(JTGF60-2009)中规定应按4.5 m3/(kW·min-1)对释放出的尾气进行降解处理。在金口河隧道作业面区域内布置液压反铲机1台、装载机1台、掌子面附件自卸汽车2台；其工作功率分别为120、160、210 kW。

Q内=H·q·k

(5)

式中，H为内燃设备总功，kW；q为内燃设备单位功率供风量，4.8 m3/(min·kW-1)；k为功率系数，取为0.6。

经计算可得：

掌子面附近的内燃机作业送风量均为：Q内=2 016 m3/min

综上所述，金口河隧道施工通风斜井送风量应为2 016 m3/min，通风斜井辅助区送风量应为2 358 m3/min。

3.2.3 通风方案

1)斜井工区。在斜井工区采用压入式通风，左线送排风斜井和右线送排风斜井均布置压入式轴流风机1台和局扇通风机1台，其工作功率分别为160 kW和7.5 kW。轴流风机置于距斜井进口30 m处，风管前端距掌子面10 m。局扇置于二衬台车前方20 m处，以防发生局部瓦斯聚集现象。通风布置如图2所示。

图2 斜井工区通风示意图

2)斜井辅助工区。

(1)第一区段。里程：K64+650～K64+880。斜井与主洞联通后开始斜井辅助主洞施工第一区段，采用压入式通风，通风方案如图3所示。隧道左线和右线通风设备布置相同，包括：压入式轴流风机各1台、局扇通风机各1台；功率分别为160 kW和7.5 kW。轴流风机置于斜井口后方30 m处，风管前端与掌子面间距10 m。局扇置于二衬模筑台车前方20 m处，以防发生局部瓦斯聚集现象。

图3 斜井辅助工区第一区段通风示意图

(2)第二区段。里程：K64+880～K65+380。洞内联系道贯通后，采用巷道式通风方案，如图4所示。隧道左线和右线通风设备布置相同，包括：Ф1.6m软风管、压入轴流风机各1台、射流风机4台和局扇风机各1台；功率分别为160、15、7.5 kW。轴流风机置于洞内联系道后方30 m处，风管前端与掌子面间距10 m。射流风机分别于左线斜井1台，左右线主洞和洞内联系道各布置1台。局扇置于二衬模筑台车前方20 m处，防止发生局部瓦斯聚集现象。

图4 斜井辅助工区第二区段通风示意图

4 总 结

通过对乐汉高速金口河隧道斜井高地温段施工进行介绍，从通风降温的角度出发，对高地温区域内的隧道斜井施工技术做了较为全面的总结。通过公式计算通风量并设计合理的通风方案对隧道斜井进行相应的降温措施，有效地降低了施工区域内的环境温度，将隧道斜井施工区域内的环境温度控制在28 ℃左右，环境温度能够满足隧道斜井施工的要求，机械设备与施工人员在高地温区域能正常作业，保证了金口河隧道施工的顺利进行，同时也为其他高地温隧道斜井施工提供了科学依据。

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