高地温隧道综合施工技术研究报告(中铁)

1 工程概况

禄劝铅厂水电站工程位于云南省昆明市禄劝县境内的普渡河下游，电站装机容量2×57MW，工程规模为中型。我单位施工的C2、C3标为发电厂引水隧洞SD0＋100～SD5＋690段，隧洞开挖为圆形断面，开挖直径为786㎝～810㎝，初期支护断面770㎝。发电引水普渡河左岸，隧洞沿线地表坡度变化大，前后段山体宽厚，中部缓和，冲沟切割较深，岩体倾向右岸，形成有前后两级陡岩组成的向普渡河倾斜的大斜坡地貌，隧洞最大埋深380m，由三条支洞施工，洞身穿过围岩岩性为震旦系灯影组，含硅质条带白云岩，岩体性脆、质硬。受区域断裂影响，隧洞附近猫得村处河左岸出露一热泉，其矿化度较高；库外枢纽下游多处发育热泉，含硫量大，矿化度高，出露于普渡河背斜倾伏段。
普渡河流域地处低纬亚热带高原湿润季风气候区。本流域具有年降雨量集中程度高，光热资源条件好，降雨量丰富，干湿季分明的特点。根据气象站资料统计，多年平均气温在14.7～15.8℃之间，极端最高气温在31.4～33.4℃之间，极端最低气温在-7.8～6.5℃之间，最热月（7月）平均气温19.7℃，最冷月（1月）平均气温7.7 ℃，多年平均降雨量约986.0mm，多年平均降雨日数134.6d。
该项目于2007年1月开工，采用无轨运输施工，2008年1月～12月为高地温围岩施工期。高地温地段以外，围岩一般温度为22~23℃，按30℃以上为高低温段，高地温地段里程为SD1+300~SD2+500；其中，70℃以上高温岩层地段为SD1+734~SD1+842，该段局部围岩极端温度达76℃，上报资料75℃为平均值；K1+500~K2+100段有少量裂隙水，水温最高达70℃；高地温岩层分别由1#、2#支洞施工，分界里程为SD2+100， 分界点围岩温度为40℃。
附：开挖断面图（临时支护）


2 高地温的热源

⑴ 火山热的热源：由于火山供给的热是地下岩浆集中处的热能而产生的热水，这种热水（泉水）成为热源又将热供给周围的岩层。当隧道或地下工程穿过这种岩层，就有发生高温、高热的现象。
⑵ 放射性元素的裂变热的热源：在地球内部由于放射性元素不断进行脱变或其他原因放出大量热能，加之岩石是热的不良导体，因此在地下深处积累了大量热能，发生较高温度，此种现象称为地热现象。
⑶ 其它原因：浅层或地表水与深部热水循环交替，成为承压高温热水，形成高温异常区。岩浆侵入体的余热、硫化矿床的氧化热等。
⑷ 热源分析：2008年12月1#支洞与2#支洞贯通，2009年3月及5月两次实测原来温度最高地段暴露面岩温均为32～33℃，少量裂隙水温43℃.，隧洞附近温泉水池水温仍为63℃。
禄劝铅厂水电站引水隧洞的埋深不大，施工中出现高地温属于不可预见的突发事件，形成原因非常复杂。地热不属于火山热的热源，热源来源范围局限为：放射性元素的裂变热的热源、浅层或地表水与深部热水循环交替、岩浆侵入体的余热、硫化矿床的氧化热等。因为隧洞穿越为陡岩地形，水平方向必然临近深埋地段，地温受深埋地段影响；隧道处于地下温泉多发地段，距隧洞约600m处有一处温泉，水温70～80℃，距隧道约300m处普渡河边有一处温泉，水池水温63℃，形成温泉的地质条件及温泉的影响，是隧洞形成高地温的主要原因，因事发突然，缺乏对地质资料的深入研究，不排除其它方面的复杂原因。
3 高地温隧道施工技术措施

禄劝铅厂引水隧洞在施工时突然遇到了国内没有、国外罕见、又缺乏相关地质资料的高地温，隧道穿越高地温岩层时，施工作业环境恶化，严重威胁到施工人员的健康和安全，大大降低了劳动生产率；隧道内的高温高湿还导致机械设备的工作条件恶化、效率降低、故障增多，装载机、汽车经常熄火。禄劝铅厂引水隧洞1#支洞掘进至SD1+300以后，围岩温度不断升高，当围岩温度达到50℃以上时，施工环境严重恶化，开始采用加大通风量、喷雾洒水措施降温，初始还能维持施工，但当岩温达到60℃时，由于施工人员的中暑反映及机械设备的故障，使施工一度被迫中断。
由于事发突然，国内还没有60℃以上大断面或接近大断面的无轨运输高地温隧道施工经验，经有关专家论证，借鉴国内外矿井施工的有关降温措施，研究了适合高地温隧道施工的综合技术措施，强化措施后，改善了施工条件，使施工安全、顺利进行，保证了进度、质量。主要技术措施如下：
3.1 通风降温
依据传热学原理，参照有关围岩与风流间传热量的计算方法，研究开发适合高地温隧道施工的通风降温计算公式、计算方法。通过对隧道内的围岩导热、导温系数的测定或选取，进行对流换热过程的理论分析，借鉴矿井热环境调节理论，依据国内外学者对不稳定换热系数的定义，根据大断面或接近大断面无轨运输隧道施工的特点，研究60℃以上高地温的大断面或接近大断面的无轨运输施工隧道风流的热交换和风温计算公式，确定围岩散热所需的通风量。通过减少风阻、防止漏风、更换或增加风机，将通风软管出风口置于距掌子面10m之内的位置，加强通风管理等措施加大进风量。通风降温采用《公路隧道施工技术规范》有关规定，隧道内气温不宜高于30℃。
在通风量计算时，应尽量加大洞内风速，最低应按1级软风标准（0.3～1.5m/s），确保洞内风速不小于0.3m/s，使人感觉相对舒适。
3.2 喷雾洒水降温
采用喷射混凝土的喷头做喷雾器，将进水管路改为Φ25mm，接高压风、水管路，进行喷雾洒水作业。在出渣前，对爆破作业后新暴露的岩面、岩块、碎渣喷水洒水降温，减少热源；施工时，采用2～4台喷雾器配合通风降温。
3.3 隔绝高温围岩
喷混凝土时，添加0.03%高效引气剂，使混凝土内部形成分布均匀的不连续的封闭球形气泡，气泡孔径范围为0.02～0.2 mm，可起到一定的隔热作用。
3.4 热水防治
热水对风流的加热作用相当显著。在裂隙水温较高的地段，挖积水坑，采用抽水机将热水排出出，降低工作面的热源。
3.5 采取有效的个体防护
据有关资料介绍，个体防护的方法是让施工人员穿戴冷却背心或冷却帽。我们经过研究，认为研制冷却帽、冷却背心周期长、成本高，不太现实。根据插袋式冷却背心是在冷却背心中插入蒸发冷却袋或羽冰冷却袋或相变冷却袋的原理，决定利用普通冰柜制作冰块，用于施工人员个体防护。可使用冰箱专用的制冰容器或矿泉水瓶、塑料袋灌水制作冰块。先期进洞拉风管至工作面及实施喷雾洒水的工作的人员采用矿泉水瓶、塑料袋灌水制作冰块，用于施工人员个体防护。先期进洞拉风管至工作面及实施喷雾洒水的工作的人员在高温环境下工作，应在安全帽内放置冰块，使用挎包携带10～20块(约5～10kg)冰块，置于胸前、背后灵活使用，冰块融化升温后随时更换，通过冰块降温完全消除工作时的闷热感，起到了很好的防护作用，施工中没有人出现中暑症状。
3.6 工作面人工制冷降温
当采用隔绝热源、加强通风、喷雾洒水等非制冷措施不足以消除热害时，根据有关资料，可用空调系统进行降温。考虑到隧道施工断面大、输送距离长，采用空调系统造价高的原因，否决了安装空调系统的方案，根据隧道施工人员多集中在掌子面范围的特点，决定采用订制、运输冰块到掌子面作为施工降温预案。
3.7强化人员健康管：
高地温隧道施工时，为了施工人员的身体健康，同时也是为了提高劳动效率，改8小时作业为3小时作业，对施工人员全面体检，禁止有高血压、心脏病的患者及循环器官有异常的人员参加劳动，同时配备医务人员进行热痉挛症、热虚脱症和热射症等中暑症的防治工作。
3.8无轨运输设备防高温措施
装载机、汽车作业时，随时注意水温表的指示读数，要求不能超过80℃。装载机出渣作业时，使用经改进的喷射混凝土喷头，不间断的对装载机喷雾洒水降温，每隔半小时在装载机水箱内加注冷水并投放适量冰块，防止装载机因为高温造成的发动机功率下降、制动性能减弱等故障，在驾驶室内搁置自制冰块，配合设备的空调系统为操作人员创造舒适的工作条件；增加自卸汽车的配置数量，减少汽车在洞内的作业时间，汽车进洞前在水箱内加注冷水，投放适量冰块，驾驶员携带冰块配合空调降温；加强行车路面的洒水降温工作，防止暴胎；利用钻孔时间，对装载机、自卸汽车进行保养，确保设备运转正常。
3.9 加强监测工作用数据指导施工
对洞内外温度进行全天候检测，在夏季晴天时，因进风温度较高，白天宜停止洞内爆破作业，利用当地白天热晚间凉，利于通风降温的特点施工；雨天时，全天作业；阴天时，根据气温确定；当夏季夜间作业不能满足进度要求时，考虑建一间进风房，安装制冷设备，将通风机进风口空气制冷作为预案。夏季夜间施工，采用喷雾洒水配合通风降温仍然不能把工作面区域温度降到30℃以下时，应启动运输冰块降温预案；在预定通风时间内，风流温度达不到预期目的时，应延长时间。
施工时，必须按有关规定对洞内有害气体进行检测。岩温量测应尽量利用掌子面残孔，没有残孔时利用新钻炮孔，使用800px长的温度计，应全部插入，要尽量早测、深测，测量要靠近受风流影响小的边、角、底部，每次不少于3个孔。
采用GPR地质雷达法进行隧道地质超前预报，探测掌子面前方23米范围内的地质情况。探测的目的主要是预防大量温泉水的涌入，探测结果是围岩整体性较好，仅有少量裂隙水，不需要采取措施。
3.10 其他措施
针对选用专用爆破器材的意见行了咨询，有关爆破专家认为100℃以下岩温对普通雷管、炸药没有多大影响，可不采取措施，但应严格按操作规程施工。针对对混凝土施工采用措施的建议及要求，根据围岩开挖后，随暴露时间的增加，岩温不断下降这一实际情况，确认岩温对混凝土的影响不大，但为了慎重起见，还是采取了选定合适的水灰比，采用高炉矿渣水泥（分离粉碎型水泥）等措施。
4 隧道通风降温计算数学模型及公式

4.1 围岩与风流间传热量及通风流量的一般计算公式
隧道围岩与风流间的传热是一个复杂的不稳定传热过程。隧道开掘后，随着时间的推移，围岩被冷却的范围逐渐扩大，其所向风流传递的热量逐渐减少；为简化研究，目前常将这些复杂的影响因素都归结到传热系数中去讨论。因此，隧道围岩与风流间的传热量可依据由牛顿冷却公式得来的壁面与流体间的对流换热量公式进行研究，该公式为：


式中：Q─对流换热量，等于风流升温热量：V（t2-t1）；
α─对流换热系数，W/(m2·℃)；
F─流体接触的壁面面积；
Δt─壁面温度与边界层外流体温度的差值。
用围岩与风流间的不稳定换热系数Kτ替换公式（1）中的α，用UL替换F，用(trm-t)替换Δt，可得出隧道围岩与风流间的传热量为：


式中：Q─井巷围岩传热量（KW）,与对流换热量意义相同；
Kτ─围岩与风流间的不稳定换热系数，KW/(m2·℃)；
U─断面周长（隧道），m；
L─隧道距开挖面长度，m；
tr─围岩温度，℃；
t－距工作面L处的平均风温，℃。
设在长度L范围内t为变量，长度隧道壁散热量使风流温度升dt。当长度L=0时，t=t0，则



式中:V—通风流量，m3/s；
t0—初始风温，大于风管出口风温1～3℃，℃；
c'pm—空气的平均定压比热，=1.30KJ／m3.℃；
4.2考虑围岩温度变化的计算公式
公式4没有考虑岩温随开挖长度的变化因素，实际上开挖后围岩的温度随暴露时间的增加不断被风流冷却，也就是随开挖长度的增加逐渐降低，围岩与风流间传热如图4所示。假定在开挖后的一段时间内，岩温在短距


当岩温变化系数为零时，公式（9）就可变换为公式（4），可以认为公式（4）是公式（9）的简化式。公式（4）使用简捷、方便，实际使用时，可以按公式（4）计算通风流量，再按公式（9）验证或修正。根据热力学第二定律，物体内的热量通过热传导作用不断地从高温点向低温点流动，使物体内温度逐步均一化。所以，公式（9）中的岩温变化系数k随着时间的增加、围岩内温度逐步均一化而衰减并趋于零，公式（9）的计算结果适用于围岩开挖暴露后至围岩明显冷却这一时段。

4.3掘进头近区围岩不稳定换热系数

围岩与风流间的不稳定传热系数Kτ是指隧道围岩深部未被冷却的岩体与空气间温差为1℃时，单位时间内从每m2