地下工程施工中高地温、高温热水治理技术研究

周菊兰，郑道明

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川成都 610072)

1 概述

在云南黑白水三级电站及四川娘拥水电站、乡城水电站、新疆布仑口-公格尔水电站引水隧洞开挖过程中，受复杂的水文地质条件及隧洞断面小等因素的影响，在隧洞开挖过程中出现高地温、高温热水大量涌出的情况。当隧洞内出现高地温、高温热水等恶劣地质条件时，造成隧洞内热气腾腾，能见度仅为3～5 m，施工人员进入工作面后在较短时间内就会使人感觉胸闷，时间稍长即眩晕呕吐。由于洞内高温热水涌出后产生大量的热蒸汽，裹去了一部分氧气，使有高温热水的隧洞内氧气含量下降而导致机械油料燃烧不完全，造成机械出力下降30%左右，使施工机具故障频率增高，隧洞内进行排水的水泵由于长期抽排高温热水而造成水泵的损坏率增高，洞内施工无法正常进行。如云南黑白水三级水电站施工到桩号0+180～1+000段时，隧洞埋深80～140 m，表层30～60 m为冰碛层。该段洞内热水温度达到58℃ ～60℃，热水流量稳定并达到300 m3/h以上。在四川乡城娘拥水电站引水隧洞1号支洞下游桩号K0+972～K1+017.4处，隧洞开挖穿过高温热水断层，该段隧洞出现高温热水涌出，经实测最大水温达78℃，热水流量达到30 mL/s。爆破后岩石表面温度达到60℃ ～72℃，炮孔内温度达到62℃～75℃，隧洞爆破后洞内环境温度达到50℃。通风30 min后，岩石表面温度下降4℃ ～6℃，洞内环境温度下降6℃ ～8℃。由于隧洞内高地温、高温热水恶化了隧洞施工环境，使隧洞的施工难度增大，在高温热水环境下施工造成作业人员伤病多，施工效率降低。同时，因不良地质条件造成施工工序多，处理不良地质洞段作业循环时间长，施工进度缓慢，施工成本增高，当有较大的热水集中涌出时，往往造成作业面停工处理。黑白水三级水电站引水隧洞全长2 311.7 m，隧洞断面为4 m×3.6 m城门型，隧洞施工历时58个月，力尽艰辛，克服各种困难，其中800 m高温热水段隧洞施工历时37个月才完成。

2 几座较为典型水电站的基本地质条件

2.1 娘拥水电站

该工程引水线路沿线河谷狭窄，山体雄厚，谷坡陡峻，引水隧洞穿越的地层岩性为印支期斑状黑云母花岗岩，三叠系拉纳山组下段(T311)灰色厚～中厚层砂岩夹板岩，三叠系上统拉纳山组上段(T312)板岩、砂岩互层。

(1)1号支洞初次出现地热异常部位是在桩号K0+120前后，爆破后岩石温度为40℃，岩性为花岗岩且局部潮湿，并拌有渗水，花岗岩中长石风化局部严重，风化带呈不规则分布。在桩号0+100 ～0+230 洞段的地温值为25.8℃ ～38.8℃，地温值趋势为每10 m增长1℃。在桩号0+240处右侧下部有一股热泉涌出，水量约10 mL/s，导致该部位地温值为49.8℃，在桩号0+290处爆破后岩面温度达到48℃ ～50℃。

(2)下游隧洞开挖至K1+017.4时，花岗岩锈染严重，局部风化，洞壁潮湿。随着开挖的推进，温度呈逐渐升高的趋势。在桩号K0+986处分布一条左旋逆冲断层，即热水断层，产状N20°ENW∠85°，该处为花岗岩与拉纳山组下段分界线，上盘为拉纳山组下段的砂板岩，下盘为花岗岩。桩号1+017.4处掌子面中下部分布一出水点，流量约30 mL/s，水质透明，无味，泉眼周围有较多钙质沉积，水温高达78℃。

(3)该工程热水断层的空间展布特征为:断层走向为近SN～N20°E之间，倾向W或NW，倾角60°～80°，断层带宽 20 ～40 m，断裂带由强烈构造作用形成的构造岩(片状岩、破裂岩、碎裂岩)及少量的断层泥构成，总体挤压紧密，断层面平直，可见明显的擦痕及阶步，显示左旋走滑断层特征，擦痕侧伏角约25°，水平错距约300 m，长度大于20 km。

2.2 黑白水水电站

该工程高温热水洞段长800 m，地表5～60 m为冰碛层，隧洞通过洞段岩性为深灰～灰黑色页岩，间夹砂质页岩及薄层砂岩，岩石由强风化至弱风化，岩石软弱，节理发育，局部地段有少量裂隙。特别是在热水塘背斜轴(桩号0+420)前后，岩层倾角小，掉块较多，还经常出现裂隙水集中突涌现象。

桩号0+636～0+657段为F2断层破碎带，围岩受高地温、高温热水影响，胶结极差，部分角砾填充物泥化，在与热水相互作用后，填充物呈流体状。

2.3 布仑口-公格尔水电站

该工程施工区位于高程2 600～3 400 m的高原山区，隧洞最大埋深约1 600 m，引水隧洞全长约18 km，隧洞穿越的地层岩性主要为Q1半胶结含碎石土、黑色石墨片岩、长石石英片岩、绢云母石英片岩、二云母石英片岩、绿泥石石英片岩、黑云母花岗岩。在隧洞施工过程中，2、3、4号施工支洞都出现了高地温现象，隧洞掌子面最高温度为67℃，掌子面岩体钻孔孔内最高温度达82℃。经设计分析认为引水隧洞主洞桩号K2+680～K6+779段存在高地温。该段隧洞围岩岩性为云母石英片岩夹石墨片岩，隧洞内干燥，未见地下水出露。产生高地温的原因主要是高原区域热流值背景下地质结构的不均匀性导致热传导条件的空间变化和不均匀性引起的，并由热传导条件较好的石墨片岩的局部区域相对集中所引起。

3 高地温的规定与高温对施工人员的影响

3.1 高地温的规定

在地下工程隧洞施工过程中，隧洞中出现高地温、高温热水涌出时，使施工环境和隧洞内条件变得恶劣，隧洞内的高地温、高温热水实质上是劳动保护问题，也是生产安全问题。为改善施工条件，确保施工人员的劳动安全，国家有关部门对隧洞施工作业环境的卫生标准均作了有关规定。

(1)铁道部在隧洞施工中作了明确规定:隧洞施工过程中，隧洞内气温不得超过28℃。

(2)交通部也对隧洞施工中的温度作了明确规定:在隧洞施工过程中，隧洞内气温不宜高于30℃。

(3)水利部在水工建筑物地下开挖工程施工规范中也有明确规定:洞内平均温度不应高于28℃和作业区的噪声值不应大于90 dB。

(4)根据国外一些资料介绍:在隧洞施工过程中，日本规定隧洞内温度应低于37℃。

3.2 高温对施工人员的影响

在高地温条件下施工与常规气温条件下的施工环境存在很大差异。当在高地温隧洞施工中，掌子面气温达到43℃时，洞内蒸气腾腾，能见度仅为3～5 m，施工人员进入工作面在很短时间内即感觉胸闷，时间稍长就会出现眩晕呕吐，施工人员无法正常作业。由于隧洞内恶劣的工作环境造成施工人员伤病多，工效低。在高地温、高温热水条件下施工时，对施工人员主要应防止中暑症的发生。中暑症又分为热痉挛症、热虚脱症、热射症三种类型。

(1)热痉挛症:由于洞内温度较高，施工人员出汗过多，体内的水分、盐份损失过多而引起的病症。其症状是施工人员在作业时和作业后产生阵发性肌肉痉挛和疼痛。施工人员应充分补充盐水予以缓解症状，严重者应到医院输液治疗。

(2)热虚脱症:施工人员在高地温、高温热水的影响下，体内水分由于出汗而大量流失，同时又没得到及时的补充，使施工人员出现热虚脱症。该症的主要状况为血压降低、脉搏加快，头晕、头痛、呕吐、全身无力、脸色苍白，体温也产生变化。应及时把热虚脱人员送到阴凉、通风处静卧休息，并增加补充葡萄糖盐水，严重者应及时送医院处理。

(3)热射症:由于施工人员较长时间在高温环境中工作，虽然补充了盐水，但环境温度远高于人体体温，使人体体温调节中枢失调，体温上升:其特征为:体温高、兴奋、乏力和皮肤干燥等。应在温度、湿度、通风较好的地方休息静养，结合药物治疗，严重患者应及时送医院治疗。

施工单位应根据隧洞内高温程度，增加班次，缩短每个班的作业时间，隧洞内应保证供水，经常送绿豆汤到现场供施工人员饮用，并提供舒适的休息场所。为确保施工正常进行，必须保证施工人员的健康和安全，加强健康管理，对患有高血压、心脏病、肝炎、身体欠健康、岁数偏大者均不适宜到高温的隧洞内工作。

4 高温下的爆破作业要求

由炸药的性能可知:炸药的热分解是一种缓慢的化学变化，其特点是化学变化的反应速度与环境温度有关，当通风散热条件不好时，分解热不易散失，很容易使炸药温度自动升高，进而促成炸药热分解加剧而导致炸药热分解反应转变为燃烧或爆炸。值得注意的是:炸药在不同的反应形式下，其能量的释放速度和释放形式不同，一旦炸药由热分解意外地转化为燃烧甚至爆炸，极易造成重大事故。

所以，在高地温洞段进行爆破施工时，为确保隧洞内施工人员的安全，炮孔装药时应严格遵守下列规定:

(1)高地温洞段的爆破是危险作业，要制定特殊的管理制度、操作规程和事故应急救援预案等制度，并对爆破人员进行严格培训。在装药前，要根据现场情况制定完善的爆破方案和事故应急救援预案，指定专人现场负责指挥。

(2)装药前应及时清场，把场内与装药和放炮无关的其他施工人员清理离场后再进行装药作业。

(3)炸药、雷管、起爆体应在清场完成后及时送到装药现场，以减少高温对炸药、雷管、起爆体的影响。

(4)装药前应测定工作面与炮孔内的温度，炮孔内的温度不应高于炸药安全使用温度，装药前应加强通风，用低温水冲洗炮孔，采取齐头喷雾水降温。

(5)装药时，应多派熟练的炮工进行装药，根据掌子面大小、炮孔的多少安排4～7人同时装药，每位炮工应分片装药，应从易装炮孔到难装炮孔的顺序进行，按先装低温孔，再到高温孔的装药顺序实施。

(6)全部炮孔装药完成后，应用最短的时间堵塞炮孔，堵塞材料用泥土加沙做成泥条堵塞炮孔，严禁使用含硫化物的岩粉作炮孔堵塞材料。

(7)当炮孔内温度为60℃ ～80℃时，应对炸药进行保护，用石棉织物将炸药包裹完好，使炸药不与炮孔岩壁接触，从向炮孔内装药至起爆的相隔时间不应超过1 h。

(8)在装药过程中，应安排专人全程监护，发现炮孔内逸出棕色浓烟等异常现象时，应立即报告爆破现场指挥人员，并迅速组织现场施工人员撤离。

(9)当炮孔内的温度为80℃ ～140℃时，应采用石棉织物或其它绝热材料把炸药条严密包装好，这时，炮孔内起爆体不准装雷管，可采用防热处理的黑索金导爆索起爆，装药至起爆的间隔时间应经过模拟试验确定。

(10)孔内温度超过140℃时，所有爆破器材应采用耐高温爆破器材。

5 综合降温措施

针对高地温、高温热水洞段(隧洞内出露的温泉水温达到78℃、岩石表面温度为60℃ ～72℃、炮孔温度为62℃ ～75℃、爆破后环境温度为50℃)的实际情况，为改善隧洞内恶劣的施工条件、确保施工人员身体健康和劳动安全，隧洞开挖作业面的温度不宜超过28℃，隧洞内最适于施工人员作业的温度是15℃ ～20℃。所以，在高地温、高温热水隧洞施工中，必须采用多种综合技术措施进行降温，加强通冷风、增加冷水掺入量、加强抽排水、加强齐头20 m冷水喷雾等综合措施。

(1)加强洞内抽排水:为减弱热水蒸发面积、使洞内气温和蒸气饱和度充分的减小，缩短热水在洞内与空气中进行热交换的时间，有利于降低洞内环境温度。应根据洞内渗水量的大小配备抽水设备，把洞内热水及时有效的抽到洞外，并应配备备用抽水泵。

(2)加强通风:通风是降低洞内环境温度、抽出洞内有害烟尘、改善洞内作业环境最重要的方法。在隧洞高地温环境下，采用常规的压入式通风难以达到降低洞内环境温度的作用，采用混合通风方式，一台风机压入、一台风机抽出，可以有效加强洞内空气对流，抽出风桶的出口应离压入风机入口30 m远，避免风机把排出的热空气再次压入到洞内。采用混合通风方式，加快洞内空气循环，减少洞内热气散发和蒸气浓度。如果洞内环境温度较高，输入空气经降温后再压入到隧洞中才能达到降温的目的。

(3)注入冷水降温:在洞内高温热水出露点开挖集水坑，让高温热水集中在坑内进行抽排，同时，从洞外抽冷水掺入到高温热水池中进行降温，以达到洞内热水的部分热量被冷水吸收的目的，减少热水散发在洞内空气中的热量，有利于降低洞内环境温度，水泵抽水容量应根据洞内高温热水的涌出量大小进行及时调整。

(4)喷雾降温:把洞外冷水管接入洞内后，对高温热水流量较集中的洞段，从冷水管上接支管和喷雾喷头向洞内喷射冷水雾幕，通过水雾冷却洞内岩面，冷水雾和洞内热空气混合，也同样可以较好的降低洞内温度，同时达到降低粉尘浓度、改善施工作业环境的作用。

(5)冷冻设备降温:在高温洞内施工，有条件的业主和施工单位可以采用机械降温的方式。冷冻设备能使水结冰，温度降到－10℃以下。使用该设备将增大投入，加大工程造价，一般情况下不采用。

(6)合理安排高温作业时间:由于高地温、高温热水的特点而使施工人员体力消耗大、劳动效率低，施工中采取2 h换班1次的工作制度，每天6个班交替循环作业，以降低施工人员的劳动强度。

(7)炸药保护方法:爆破采用定型隔热药卷，把炸药装入特制的聚乙烯管内，药管孔底用潮湿粘土封堵10 cm，药包装置到聚乙烯管后，再用潮湿粘土封堵35 cm，然后在聚乙烯管外包裹一层隔热层。药包加工制作应由专职熟练的炮工在安全地点进行。

(8)当隧洞掌子面全部钻孔成孔后继续用水进行循环降温，并测试岩体钻孔孔内温度是否在35℃以内。当满足雷管安全存放的温度条件、装药准备工作就绪后，由熟练的炮工快速进行炮孔装药，总装药时间原则上不宜太长。

6 结语

隧洞在高地温、高温热水条件下施工时，从多角度、多方法采用综合降温措施是有效的、切实可行的方法，特别是在断面较小的隧洞施工中，在采用复杂的设备降温困难的情况下，综合降温措施在技术可靠方面有其优越性。但应注意以下几点要求:

(1)在高地温、高温热水隧洞段的开挖中，必须制定严格的爆破措施及相应的应急救援预案和爆破操作规程等方面的管理制度。特别是在高地温洞段的施工环境及实施爆破作业十分危险，须经常对施工人员进行安全教育，要求施工人员严格按措施作业，装药现场雷管隔热是关键，其次是炸药量控制上要严谨，爆破人员必须了解和掌握不同炸药对温度的要求，确保施工安全。

(2)高地温洞段施工的速度缓慢，人工、机械效率低，施工成本较高，每循环进尺所需时间增大，在每循环施工过程中，采取每隔2 h换班作业工作制，以降低施工人员的劳动强度。

(3)在高地温洞段施工时需安排专人对洞内的环境温度和岩体表面温度及钻孔后的孔内温度进行测定，并分析原始的温度变化情况，而技术人员应根据温度变化及时采取相应的降温措施。

(4)根据所收集到的资料看:所出现的高地温、高温热水的工程都地处高原。在高原从事施工作业，存在缺氧的气候条件，再加上地质条件上的高地温、高温热水，使施工作业环境异常艰苦。因此，在高原上进行高地温、高温热水洞段的施工，需选用体质好的作业人员从事洞内施工作业，对有高血压、心脏病、体质较弱人员应严禁进洞作业。