地热对地下铁路隧道的影响及降温处理措施

孙海防

(中铁十八局集团建筑安装工程有限公司，天津 300308)

在进行地下铁路隧道施工中经常会遇到地热危害，这是因为很多地下铁路隧道都需要穿越坚硬的岩石，如灰岩、板岩等，这些岩石中存在地热梯度，再加上热导率低，传热性能差，容易聚集热能。地下铁路隧道的埋深越大，地热温度也越大，存在的危害也越大。一旦地热的温度超过38 ℃，机械设备、施工人员就基本无法正常工作，需要采取有效的降温措施。早期多采用机械降温和通风降温结合的方法，效果一般，而且成本比较高，亟须探寻一种更加高效、更加安全、更加低成本的降温处理方法。基于此，开展地热对地下铁路隧道的影响及降温处理要点的分析研究就显得尤为必要。

1 工程概述

高黎贡山隧道1#斜井，设计线路总长度为5.6 km，地质条件复杂，影响施工质量和安全的因素比较多，尤其是地热的影响非常大，其中平导施工的长度为4.48 km，主井的长度为0.38 km，坡度为7.48%，副井的长度为0.74 km，坡度为7.44%，斜井与线路大里程方向夹角为78°38′30＂。根据D1K209+571高黎贡山隧道1#斜井变更设计图，1#斜井于XJZK0+000～XJ1ZK1+280段预测存在轻微热害，岩温超过28 ℃。

2 地热对隧道施工造成的不良影响

地热是影响地下工程施工质量的主要因素之一。地热的来源是多方面的。在案例工程施工中，地热主要由工程地质和水文地质引起。

2.1 围岩散热

在地下铁路隧道施工中围岩的温度会随着埋设的增加而提高，升温主要来源是地心径向外的热量。原始的围岩温度上升速度主要和岩石的导热系数以及大地热流值有关。围岩向施工隧道中散热有两个途径，其一是借助热传导从岩体深处向隧道内部进行传热，其二是通过裂隙水借助对流进行传热[1]，而围岩和风流向之间的传热是一个非常复杂的过程。隧道完成之后，传热就随之开展，随着施工时间的增加，围岩的冷却面积也随之加大，向风传递的热量则会减少。围岩和风流向的传热量计算公式为

Qr=KτUL(trm-t)

(1)

式(1)中：Qr为隧道围岩传热量,kW；Kτ为围岩和风流间之间的不稳定换热系数,W/(m2·℃)；U为隧道施工的周长,m；L为隧道的长度,m；trm为平均原始岩温度,℃；t为隧道施工中平均的风温,℃。

2.2 隧道内部热水散热

高黎贡山隧道1号斜井正好处于温泉活跃区，正常情况下，涌水的温度可达到50 ℃。地热除围岩放热之外，涌水温度也是导致隧道内部温度升高的主要原因之一。热水和风流之间的热交换量，远远大于风流和岩体之间的热交换量。热水和风流换热之间存在两种形式，一种是显热交换，另一种是潜热交换。其中前者会引起风流温度发生变化，而后者则会提升隧道内部空气的湿度，热水散热量的计算公式为

Qw=αF(tb-tB) +βFkB(pw-pB)

(2)

式(2)中：Qw为热水散热量,kW；α为水面的放热系数,W/(m2·℃)；F为水的散热面积,；tb为水温，℃；tB为空气气温，℃；β为潜热交换系数,J/(s·N)；kB为气压修正系数；pw为水面温度的空气气压,Pa；pB表示空气中水蒸气分气压,Pa。

2.3 机械设备放热

机械设备在运转中也会释放出一定的热量，从而引起隧道内部温度上升[2]。机械设备放热量的计算公式为

Qe= (1-ηt)ηmN

(3)

式(3)中：Qe为机械设备运行的放热量,kW；ηt为机械设备的机械效率,%；ηm为电动机的综合效率,%；N为电动机的额定功率,kW。

地热对隧道施工造成的不良影响主要为以下几个方面：

1) 地热会影响施工环境，致使地下铁路隧道施工环境逐步恶化，降低施工效率，而且不利于保证施工人员的身心健康。

2) 地热不利于地下铁路隧道施工工序的开展及止水带、耐高温施工材料的选取。

3) 地热会引起混凝土衬砌开裂，形成裂缝，不利于保证衬砌的稳定性和安全性。

4) 地热会对地下铁路隧道施工中机械设备运行质量和效率造成影响，增加零部件磨损速度，增大故障发生的概率[3]。

5) 地热还会导致地下铁路隧道的施工用水、裂隙水快速蒸发，增加隧道内部的空气湿度，影响施工效率，也不利于保证施工人员的身心健康。

3 地下铁路隧道施工中地热降温处理技术

3.1 降温设计原则

在高黎贡山隧道1#斜井施工中受到地热的影响比较大，为保证施工任务能够按时完成，采取了如下降温设计：

1) 在高黎贡山隧道1#斜井施工降温设计中采用了干球温度为评价指标，以28 ℃作为降温的设计分界线。

2) 当地下铁路隧道施工中空气干球温度低于28 ℃时，不需进行降温处理。

3) 当干球温度为28～30 ℃时，在地下铁路隧道施工人员密集的区域，如掌子面、二次衬砌等位置，需要增加局扇，加速空气流动的速度带走热量，为施工人员营造一个舒适的施工环节，且每位施工人员，每次最长的工作时间不能超过6 h[3]。

4) 当干球温度超过30 ℃时，必须采取强制性的降温冷却措施，以保证地下铁路隧道施工中空气的温度不超过28 ℃。

3.2 通风降温处理技术

通风降温降低地热是高黎贡山隧道1#斜井施工中的主要技术措施之一，具体的做法为适当提升压入式通风量，或者增加射流风机和局扇的数量。在案例工程施工中，现场通风降温设备配置情况见表1。

表1 高黎贡山隧道1#斜井施工通风降温设备配置表

为提升降温速度，要采取大功率风机代替原有小功率风机，并用大直径风筒来代替小直径风筒，高低温段每隔150 m布设一台射流风机。通过这三种方法，可为隧道内部提供足够的新鲜空气，在降低隧洞内部温度的同时，隧道内的污浊空气也会随着一起排出。沿途还能带走隧道内的粉尘和其他有害气体，既能降低地热对隧道施工造成的不良影响，又能为施工人员营造一个良好的工作环境，保证施工人员身心健康。

3.3 热水封堵降温处理技术

高黎贡山隧道1号斜井位于温泉附近，地热量比较大，仅凭通风降温处理技术，无法将铁路隧道内部的温度降低到28 ℃以下，还需及时对出水段采用注浆封堵处理，对热水流动散发出的热量进行控制[4]。封堵注浆方法采取了径向注浆法和局部注浆法结合的方法，取得了良好效果，径向注浆法具体的工艺流程图见图1。

图1 径向注浆法施工示意图

径向注浆时封堵加固的范围宜为开挖轮廓线之前约4 m内，钻孔时可采取手持式风钻进行钻孔，注浆管要选择直径为42 mm的无缝钢管，呈现梅花布置，每个注浆孔之间的距离要控制在2.5 m，注浆压力要控制在1.0～1.5 MPa，浆液由普通硅酸盐水泥加水按比例配制而成。针对出水量比较大的地段，仅凭单液注浆可能无法完成堵水操作，此时可采取“水泥+水玻璃”的双浆液进行封堵[5]。

局部注浆也是本工程热水封堵降温的主要处理技术，在地下铁路隧道施工中，如果只是个别的位置出现涌热水的问题，为控制成本，提升降温处理效率，可采取局部注浆技术。如果涌热水的量比较小，以单水泥浆液为主[6]。如果涌热水的量比较大，采用“水泥+水玻璃”联合注浆，但注浆压力需要严格控制，最低不应低于1.0 MPa，最高不应超过1.5 MPa，具体局部裂隙出水注浆示意图见图2，面状出水局部注浆示意图见图3。如果涌热水的压力比较大，需要采取顶水注浆技术，先在涌热水的施工区域布设足够排水能力的排水设备，用直径为108 mm的无缝钢管，将涌出的热水引到临时集水坑中，再通过潜水泵抽出隧道。当引水管安装完成之后，及时对涌水点进行压浆固结处理，待强度符合要求后，进入关水测压试验，以确定静水压力是否符合设计要求[7]。此外，还要密切关注支护体系以及围岩是否存在漏水问题，如有必要需及时封堵，以保证降温处理效果，为地下铁路隧道施工营造一个舒适、无水的施工环境。

图2 局部裂隙出水注浆示意图

图3 局部面状出水局部注浆示意图

3.4 制冰降温处理技术

在高黎贡山隧道1#斜井施工中共有2个掌子面，制冷负荷也需要按照2个面进行计算，降温部门要设置为干球温度30 ℃。制冰降温主要包括三个阶段，其一是冰吸热阶段，其二是冰融化阶段，其三是水的吸热过程。当地下铁路隧道中目标的温度降低到干球30℃时，其隧道1#斜井井身常规降温段加强通风后，冰的制冷吸热包含三个过程：冰的吸热过程、冰的融化过程和水的吸热过程。其表达式分别为

Q冰吸热=C冰Mt1
Q冰融化=β潜M
Q水吸热=C水Mt2

(1)

式(1)中：C冰为冰的比热容,kJ/(kg·℃)；M为冰的质量,kg；t1为冰的温度,℃；β潜为冰的融化潜热,kJ/kg；C水为水的比热容,kJ/(kg·℃)；t2为目标温度,℃。

根据制冷量计算结果，当目标温度为30 ℃时，1#斜井井身常规降温段加强通风后不同围岩温度的用冰质量见表2。

表2 常规降温段不同围岩温度时的用冰质量

根据制冷量计算结果，当目标温度为30 ℃时，1#斜井井身热水涌出段的放热量以涌水温度为主要变量，岩温的变化可忽略不计(取35 ℃)[8]，因此，加强通风后不同涌水温度的用冰质量见表3。在冰块位置安装30 kW射流风机，使空气流通与冰块融化速度加快，尽快交换洞内热空气，以达到降温目的。

表3 高温涌水段不同水温时的用冰质量

4 高温地段监测

为预防洞内地热灾害的发生，确保施工安全和结构安全[9]，施工中当隧道内干球温度大于28℃时需开展高温现场监测。

4.1 洞内岩温量测

岩温测定是高温地段施工的关键工序，只有准确掌握岩温，才能制定更加科学的降温措施，保证施工效率和质量。在案例工程施工中，选择用热敏电阻传感器进行测温，以便实时掌握岩温。具体的量测要点体现在以下几个方面：1) 合理布设岩温量测距离，测温孔相互之间的距离控制在50 m，到隧道底板的距离控制在1.0～1.2 m，测温孔尽量布置在围岩比较完整的地段。用风钻钻孔，高压风机清孔，孔眼要向上倾斜5°～10°，具体情况如图4所示。2) 钻孔的深度要控制在3 m以上，且孔径要大于42 mm，以保证测温的准确性。

图4 岩温测孔布置图

4.2 洞内水温量测

地下水温量测也非常重要，为保证水温量测准确性，需要在超前预报中完成测量。在超前预报中一旦发现地下水，就要开始水温测试。而对那些已经开挖的地段，如果初期就存在渗水问题，需要及时对渗出水的温度进行测试。

4.3 洞内环境温度量测

环境温度测试点主要设在出风筒出口及掌子面附近，掌子面100 m内测试间距为20 m，共设5个测试断面；100～200 m内的测试间距为50 m共2个测试断面；200～500 m范围内的测试间距为100 m，共3个测试断面；500 m以上测试间距为500 m；掌子面100 m范围内分工序测试，7 d测试1次；100～500 m范围内7 d测试1次；500 m以上15 d测试1次。洞内环境温度受不同的工序影响较大，因此掌子面100 m范围内洞内环境温度在各主要工序间进行监测记录。

地温测试元件要求与岩体密接，待测定元件插入后经过24 h以上，方能进行岩温测试。地温测试同时要测量测温断面风流温度、大气压力、湿度以及风量等参数。在隧道施工期间，测试频率一般控制在每10 d观测1次。

5 结 语

地热是地下工程施工中比较常见的灾害之一，其对地下铁路隧道造成的影响和地质灾害、机械事故等有较大不同。比如，会对施工人员的身心健康和机械设备的使用性能造成影响，不利于保证施工进度和效率。这就需要采取一些科学有效的降温措施，来降低地热形成的温度。可用的降温处理技术比较多，仅凭一种或者是两种降温处理技术，可能无法解决地热问题。而采取合理的降温设计原则，采用通风降温、热水封堵降温、制冰降温相互结合的方法，并做好温度监测，可有效降低地热对地下铁路施工造成的不良影响，值得在类似工程中大力推广应用。