艰险山区高地温长大隧道热害处治措施研究

高鹏兴GAO Peng-xing；段晓彬DUAN Xiao-bin；何佳银HE Jia-yin；郑勇ZHENG Yong；陈俊武CHEN Jun-wu；沈剑卿SHEN Jian-qing

（①云南省交通规划设计研究院有限公司，昆明 650011；②云南交投集团投资有限公司，昆明 650103）

0 引言

我国西南横断山脉地区高地温问题较为突出，高地温处治已成为该地区隧道施工面临的重难点。横断山脉地区的高地温主要表现为地热水，地热水沿断裂带循环运动形成导热断裂，因此高地温热害段落通常与断层破碎带重合，给隧道的设计与施工带来了巨大挑战。

目前，国内外对高地温隧道的研究主要可分为施工阶段热害防治措施与结构热害处治措施两方面。魏豪杰等[1]通过实验研究了高地温环境下喷射混凝土的碳化性能，发现高温养护会加深喷射混凝土的碳化深度，其抗碳化性能明显降低；黄麟尧等[2]提出了长大隧道施工阶段围岩散热量计算公式，并据此指导施工方案调整；李建高等[3]基于典型的高地温隧道案例—大瑞铁路高黎贡山隧道，针对不同热害等级提出了多种热害处治方案。于健[4]详细阐述了制冷站作冷源的施工降温措施以及使用冰块作为冷源的降温系统的处理方法。赵文龙[5]基于引水隧洞施工实例，分析了高温地热隧洞爆破施工难点及对应的解决方案。

本文基于国道G219 线泸水至腾冲段高黎贡山腾越隧道施工案例，针对地热水导致的热害问题分析不同热害等级下长大隧道施工降温措施的效果，探讨长大隧道热害施工处治以及结构防治技术方案，以期为高地温隧道设计、施工提供参考。

1 工程背景

国道G219 线云南泸水至腾冲段位于我国西南横断山脉，以隧道形式横穿高黎贡山，腾越隧道全长10.49km，为一座设计时速80km/h 的两车道隧道。由于地表保护区用地限制，该隧道设置了一座平行导洞以辅助通风与施工，如图1 所示。

图1 高黎贡山腾越隧道鸟瞰图（效果图）

隧址区地质勘查资料显示该隧道热害主要源于地热水，隧址区内分布有三个构造水热活动带，断裂构造与密集节理带是地热水的主要运移通道，地质勘探已查明8 条导热断裂与3 条密集节理带，并在地表观测到对应温泉，导热断裂特征列于表1。

表1 导热断裂特征一览表

通过与相邻的大瑞铁路高黎贡山隧道相关资料对比，分析得出该地区地热系统属于典型的中低温对流型地热系统，其热储温度低于150℃，地下深处无附加热源（无岩浆囊或正在冷却的大型岩基），深部基岩自身透水性很弱，主要靠裂隙和构造破碎带导水。根据勘察报告的围岩热水预测温度对隧道段落进行热害分级，分级标准及相应段落长度见表2 与图2。

图2 腾越隧道热害段落长度

表2 热害分级标准

2 高地温对隧道的危害

目前国内山岭隧道施工仍以钻爆法为主，大量工人在隧道高温高湿的环境中进行高强度作业，不仅劳动效率会显著降低，而且身体健康也会受到极大的威胁，此外，机械设备与电气设备的工作效率与安全性也会受影响，参照《铁路隧道工程施工安全技术规程》（TB 10304-2020）[6]，隧道施工环境温度宜不高于28℃，高温条件下的施工作业应采取防暑降温措施。

图3 隧道高地温危害

隧道衬砌结构也会受高温环境的影响。在高温变温的养护环境下初支和二衬混凝土的水化反应过早结束，会导致混凝土强度降低，且微观裂隙较多，碳化速率加快，出现开裂、钢筋锈蚀等现象，耐久性得不到保证。山岭隧道施工常采用钢花管注浆作为辅助施工和堵水措施，围岩的高地温环境会缩短浆液凝固时间、增大浆液黏度、降低析水率等，严重影响注浆的扩散范围和加固效果。

3 热害处治措施

基于调研相关高地温隧道案例，结合高黎贡山腾越隧道地热情况，本文整理了对应不同热害等级的热害处治措施。

3.1 施工降温措施

3.1.1 无热害段落

无热害段落指围岩热水温度小于40℃的段落，其施工环境温度主要与掌子面出水量和水温相关，采用变频节能轴流风机+长风筒加强掌子面通风，同时从洞外河流引入低温水，利用雾炮、喷淋等辅助降温手段，基本可将无热害段落的施工环境温度控制在28℃以内。

3.1.2 Ⅰ级热害段落

若隧道掌子面渗水量较大且水温超过40℃，仅靠通风与洒水很难将施工环境温度控制在28℃以下，需对围岩热水进行注浆封堵，根据出热水位置可选择采用Φ42小导管径向注浆或掌子面帷幕注浆（图4），对于集中股状出水采用水管引排，保证施工作业点出热水量小于5m3/h，同时防止热水在隧道内漫流，尽快归槽排出。

图4 注浆堵水措施示意

3.1.3 Ⅱ级热害段落

当围岩热水温度达到50～60℃时，除注浆堵水措施外，可在洞外利用河水制冰，将冰块运输到洞内后通过射流风机扩散冷空气，通过调节风机功率与冰块数量可在一定程度上控制掌子面施工环境温度。

3.1.4 Ⅲ级和Ⅳ级热害段落

当围岩热水温度达到60℃以上时，采用冰块制冷效率降低，可采用机械制冷方式降低作业面施工环境温度，腾越隧道的热害主要是围岩热水引起的，高温环境主要集中在掌子作业面附近，采用局部移动式制冷系统经济适用，配合通风洒水、注浆堵水、冰块降温等措施可将施工环境温度控制在28℃以内。

对于Ⅱ级以上热害段落，围岩热水温度超过了50℃，即使采取了降温措施，施工作业面仍存在局部高温点，工人流动作业频繁接触高温环境，易发生脱水、中暑等事故，每班作业时长需从8h 缩短至4～6h，同时增加作业班数、保证防护用品供应等。

3.2 结构处治措施

为防止热害造成的混凝土性能劣化和开裂，高地温段落隧道支护结构需采取热害处治措施。

3.2.1 初期支护

对于Ⅱ级和Ⅲ级热害段落，喷射混凝土中需掺入减水剂（1%）及粉煤灰（20%）；对于Ⅳ级热害段落，喷射混凝土中需掺入减水剂（1%）、粉煤灰（20%）和钢纤维（40kg/m3），以往大量工程实例证明掺入钢纤维对预防混凝土干裂剥落的效果较好。

3.2.2 二次衬砌

对于Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级热害段落，二衬混凝土中需添加减水剂（1%）、矿粉（20%）、粉煤灰（20%）。

3.2.3 隔热层

对于Ⅰ级和Ⅱ级热害段落，高地温对隧道结构的影响较小，不需要设置隔热层；对于Ⅲ级和Ⅳ级热害段落，需在初支与二衬之间设置隔热层。目前隧道常用的隔热材料有硅酸盐复合隔热材料和硬质聚氨酯隔热材料（图5），硬质聚氨酯隔热材料的价格较高，但隔热性能相对更好，基于腾越隧道特点设计选用导热系数更小的硬质聚氨酯泡沫板，厚度为5cm，硬质聚氨酯隔热材料的主要技术指标如表3。

图5 隔热材料示意

表3 硬质聚氨酯隔热保温材料主要技术指标

3.2.4 防水层

对于Ⅰ级热害段落，高地温对EVA 防水板基本无影响；对于Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级热害段落，隧道常用的EVA、PVC 等材质的防水卷材在高温环境下会出现软化、变质等现象，严重影响其耐久性，隧道防水层需采用耐热型复合防水板。

3.2.5 注浆浆液

对于Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级热害段落，通过在注浆浆液中掺入15%-30%的矿粉，可改善浆液的流动度，降低浆液黏度，降低水泥水化热，减少浆液的泌水和离析，使浆液扩散范围更远，对岩体注浆固结的效果更好。

3.2.6 隧道路面

路面层与围岩无直接接触，热害影响相对较小，对于Ⅳ级以下热害段落隧道路面结构无需处理，对于Ⅳ级热害段落，为防止高温环境加速沥青路面老化，在基质沥青中掺加树脂聚合物、橡胶聚合物等改善沥青的高温稳定性，同时在直接临空的上面层SMA 沥青混合料中适当添加矿粉以减小孔隙率，增强沥青层动稳定性。

4 结语

本文依托沿边国道G219 线泸水至腾冲段高黎贡山腾越隧道工程，根据地质勘查资料分析得出该地区地热系统属于典型的中低温对流型地热系统，划分隧道热害等级及对应段落，并分析高地温环境对隧道施工与衬砌结构的危害，据此提出对应的施工降温措施与结构处治措施，可以为后续高地温长大隧道热水型热害处治提供参考。