高地温隧道修建关键技术研究

李国良，程　磊，王　飞

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　710043)



高地温隧道修建关键技术研究

李国良，程磊，王飞

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

摘要：随着我国交通基础设施的不断增多，高地温地区修建隧道逐渐成为工程界遇到的新难题。依托拉日铁路，提出高地温地区隧道选线原则和隧道施工降温除湿等系列技术；通过XRD衍射和SEM试验，探明特高地温隧道模拟养护条件下混凝土抗氯离子渗透性能和抗碳化性能低于标准养护的原因；通过高地温隧道温度场和结构影响规律研究，因地制宜提出高地温隧道合理有效的施工组织模式；制定合适的隧道支护体系、混凝土配合比及衬砌结构防裂措施，同时提出保温隔热层、衬砌内置冷却管、耐热型复合防水板及新型防水材料等隧道隔热防水措施。

关键词：高地温； 铁路隧道； 修建技术； 隔热材料； 支护体系

1概述

拉萨至日喀则铁路位于青藏高原西南部，线路起于青藏铁路拉萨车站，沿拉萨河南岸而下进入雅鲁藏布江峡谷区，顺年楚河抵达日喀则市。线路全长253 km，为单线铁路，全线设29座隧道，总长72.4 km，其中地热异常段落共涉及隧道8座，分布在雅江峡谷区内[1]，总长40.9 km。

2地热地质特征

拉日铁路位于藏南高温水热活动区，即那曲—当雄(羊八井)—尼木水热活动带的南部[2]。该地热带与线路走向基本为大角度相交，线路无法绕避[3]。

本段地质以闪长岩为主，岩质坚硬，峡谷区构造发育，发育有多条大断裂。高地温是本段最主要的工程地质问题，沿线的水热显示有温泉、温热泉、热泉、泉华等类型。帕当山隧道雅江边热泉温度达77 ℃，吉沃希嘎隧道深孔测温达60 ℃，达噶山隧道江边热泉温度30～80 ℃，泉水流量10～40 m3/d[4]。

高地温对隧道工程的不利影响主要表现在：恶化施工作业环境，降低劳动生产效率，威胁作业人员健康和安全；需研究适应高地温条件的混凝土配合比及防排水材料；高地温产生的附加温度应力会引起隧道初期支护及二次衬砌开裂，影响结构安全和耐久性等[5]。

3高地温隧道线路方案优化

根据高地温选线原则：线路在考虑绕避不良地质的基础上，线位尽量靠近雅江；纵断面选择时拔高线路高程，置隧道于地下热水排泄基准面之上，避开循环热水对隧道工程的影响，降低安全风险(图1)。选择典型隧道分述如下。

图1　雅江地下热水循环示意

3.1甫当隧道

勘察发现隧道出口端靠江边有一处44 ℃温泉水出露。原方案线路顺直，但离雅江江边较远，隧道埋深大，遇到高地(水)温的概率高，风险较大；为此，将线路平面位置向雅江边靠近约300 m，并适当抬高线路高程，后经施工验证，未出现45 ℃以上的高岩(水)温。

3.2帕当山隧道

勘察发现隧道雅江边热泉温度达77 ℃。线位受雅江江边地热温泉及帕当山错落控制，优化后将线路平面位置向雅江江边靠近约250 m，后经施工验证，未出现45 ℃以上的高岩(水)温。

3.3吉沃希嘎隧道

勘察发现隧道进口地温达65 ℃，将线路向雅江边移动240 m，实际隧道施工中最高岩温为55 ℃，未出现地下热水[6]。隧道进口地温曲线如图2所示。

图2　吉沃希嘎隧道进口地温曲线

4高地温隧道施工降温除湿技术

根据拉日线所经地区地热(地温)赋存状态，前期按水热型(蒸汽型、热水型)、干热岩型进行预案设计。水热型地热采用帷幕注浆、局部径向注浆、疏流排水等措施，防止大量热量传递进入洞内，并采用加强通风、隔热、冷水(冰块)降温等方式进行降温；对干热岩型地热考虑采用加强通风、洒水喷雾、冷水(冰块)降温、机械制冷降温等技术。由于线位优化，施工中以干热岩型地热类型为主，主要技术措施如下。

4.1设置适宜的辅助坑道

利用峡谷区地形条件，结合地热处理，在存在地热的隧道内尽量选取横洞作为辅助坑道施工，将地热隧道划分为若干段，以利地热处理和降低施工难度。峡谷区地热隧道均加设横洞(斜井)，工区长度一般小于2 000 m。

4.2通风降温

根据雅江峡谷区气象资料，隧道区年平均气温6.7～6.9 ℃，最热月平均气温14.6～15.0 ℃，最冷月平均气温-3.5～-2.9 ℃，全年内大多数时间，大气气温可以满足降温通风要求。

施工采用压入式通风方式，地热隧道按加大风机供风量设计，采用轴流风机增大送风量、射流风机提高风速的方式，以提高巷道风速，将岩体放出的热量尽快排出洞外，降低环境温度。

4.3利用雅江水(冰)降温

雅江水温半年时间不超过12 ℃，全年不超过17 ℃，是天然的冷源。高地热(地温)隧道均沿雅江两岸行进，洞口及辅助坑道口靠近雅江。部分高岩温工区采用抽取低温雅江水向洞内喷(洒)水方式降温，效果良好。

4.4其他措施

利用隧道内洞室设置降温、供氧室，放置降温冰块；使用隔热服等个人防护用品，施工组织上合理安排高温作业时间等。

5高地温隧道结构体系研究

5.1高岩温对隧道温度场、结构的影响规律

对高岩温隧道开挖温度场研究，力学分析时围岩采用摩尔-库伦本构模型，初期支护采用各向同性线弹性模型，热分析本构模型为各向均质热力学模型[7]。

围岩初始温度场的温度越高，开挖对围岩温度场的影响范围越大。隧道拱顶上方围岩温度的影响范围最大，(3.0～3.5)D(D为洞径)，边墙两侧和仰拱下方围岩的影响范围较小(2.0～3.0)D。随着开挖进行，隧道周边围岩温度降低，内表面温度逐渐接近洞内温度。如图3所示。

5.2高地温条件下防水材料选择

通过室内实验，当岩温升高，EVA防水板和止水带的各项力学性能指标均降低；岩温在50 ℃以下可采用EVA防水板；50 ℃以上应采用耐热型复合防水板，推荐HXHC耐高温、耐腐蚀防水材料。防水板性能试验参数见表1。

图3　隧道拱顶围岩温度随开挖时间变化曲线

表1　防水板在55 ℃、50 ℃下的性能试验参数

5.3隔热材料选择

普通喷射混凝土初期支护适用于围岩温度45 ℃以下；普通素混凝土的二次衬砌适用于围岩温度60 ℃以下。当围岩温度在80 ℃以上时，环境温度对初期支护和二次衬砌的强度及耐久性影响较大，属特高地温隧道，此时支护结构可考虑设置隔热层。

通过试验比选，硅酸盐复合隔热材料和硬质聚氨酯隔热材料均具备隔热性能优良、结构强度较高、耐酸耐碱、施工便利等优点，对隧道工程，硬质聚氨酯隔热材料能发挥出更好的隔热效果[8]。

5.4高温低湿条件下衬砌混凝土研究

5.4.1高地温对衬砌混凝土力学性能和耐久性能的影响规律

峡谷区隧道施工环境中相对湿度在35%～60%，实验室模拟现场环境，对不同配合比的混凝土力学性能、耐久性能和微观机理开展研究，结论如下。

(1)对于特高岩温隧道，普通或掺矿物掺和料的喷射混凝土早期抗压强度高于标准养护强度，但最终抗压强度低于标准养护强度。

(2)掺聚丙烯纤维的喷射混凝土：在岩温60 ℃时，抗压和抗拉强度都有提高；在岩温80 ℃时，抗压和抗拉强度都有降低。

(3)普通混凝土、掺粉煤灰混凝土、掺矿渣粉混凝土、复掺矿渣粉煤灰衬砌混凝土随岩温升高早期强度提高，后期强度降低；岩温越高，早期强度提高的越多，后期强度下降越大。岩温达80 ℃后，掺粉煤灰混凝土各龄期的抗压强度均高于掺矿渣粉混凝土[9]。如图4、图5所示。

图4　不同养护条件下喷射混凝土强度曲线

(4)高岩温(80 ℃)环境下，随着养护湿度的增加，衬砌混凝土各个龄期的抗压强度也随之增加。

(5)在高温养护阶段，湿度不变时，混凝土抗氯离子渗透性随温度升高而下降；在岩温80 ℃时，相对于标准养护制度，单掺粉煤灰的混凝土抗氯离子渗透性能下降幅度最小。在岩温不变的条件下，混凝土抗氯离子渗透性能随养护湿度的升高而增强。

图5　50 ℃各种混凝土抗压强度曲线

(6)混凝土抗碳化性能均随着温度的升高而降低，普通混凝土随温度升高其抗碳化性能降低幅度最大；混凝土抗碳化性能随着养护湿度的升高而增强，普通混凝土随湿度的升高抗碳化性能增长幅度最大；当特高岩温低于80 ℃时，单掺矿渣粉的混凝土抗碳化性能均高于单掺粉煤灰的混凝土；当岩温为80 ℃时，单掺粉煤灰的混凝土抗碳化性能高于单掺矿渣粉的混凝土，相对于标准养护的混凝土，单掺粉煤灰的混凝土抗碳化性能降低幅度最小[10]。

(7)通过XRD衍射和SEM试验，粉煤灰和矿渣粉的火山灰活性随着高温养护温度的升高而增强，高温养护温度升高促进了二次水化反应的进程，水化产物CH在粉煤灰和矿渣粉二次水化反应过程中被消耗；在高温养护阶段，水分蒸发阻碍整个胶凝材料系统的充分水化，转入标准养护后矿物掺和料二次水化反应继续进行[11]。

在高温养护阶段，水泥水化速率加快，水化产物分布不均，水分蒸发过快，使胶凝材料硬化浆体结构相对标准养护更为疏松，这是特高岩温隧道模拟养护条件下混凝土抗氯离子渗透性能和抗碳化性能低于标准养护的原因之一[12]。图6为50%RH条件下纯水泥混凝土净浆XRD图谱。

图6　50%RH条件下纯水泥混凝土净浆XRD图谱

5.4.2高岩温隧道二次衬砌混凝土配合比

(1)水泥应选择粉煤灰硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥。

(2)掺和料优先选择粉煤灰(25%)，以单掺粉煤灰混凝土的配合比作为施工配合比。

(3)高岩温(80 ℃以上)环境隧道衬砌混凝土配合比设计时应提高一个强度等级[13]。

5.4.3高岩温隧道二次衬砌混凝土养护条件

混凝土浇筑以后，在终凝前应对混凝土进行覆膜养护；终凝以后，要加强保湿养护，延长洒水养护至28 d，同时加强通风。现场施工时不方便采取覆膜养护工艺的，浇筑后可以在混凝土表面涂敷水玻璃型养护剂进行养护。

5.5高地温隧道支护体系

在高温的岩体或喷混凝土上浇筑二次衬砌混凝土时，即使厚度再薄，水化热也不易逸出。由于混凝土内外表面的温差，在早龄期有可能存在裂缝。衬砌结构长期在高温条件下时，混凝土自身受到热侵蚀作用，自身强度会降低，另外由于混凝土内外表面的温度差异，将导致低龄混凝土开裂。

(1)初期支护安全性由喷射混凝土抗拉强度控制。当围岩温度大于48 ℃时，初期支护最大主应力大于喷射混凝土极限抗拉强度，当围岩初始温度为48～60 ℃时，普通C25喷射混凝土将发生受拉开裂。

(2)随着岩温升高，隧道二次衬砌安全系数呈下降趋势。普通混凝土衬砌在岩温高于60 ℃时将开始出现破坏，二次衬砌需要配筋加强[14]。

地温与初期支护应力关系曲线见图7 ，开挖与初期支护温度关系见图8。

图7　地温与初期支护应力关系

图8　开挖与初期支护温度关系

通过研究，提出高地温隧道结构支护体系如表2所示。

表2　高地温隧道结构支护体系

对80 ℃以上特高岩温隧道的结构进行特殊设计。

(1)设置保温隔热层。减缓地热向隧道内的辐射传递，降低混凝土入模温度，确保温度差小于15 ℃，采用“围岩+隔热层+初期支护+二次衬砌”组合支护系统。

(2)二次衬砌埋置冷却管。混凝土水化热将冷却管流动的水加热，通过水循环释放混凝土内部热量，减轻温度应力引起的衬砌开裂[15]。

5.6衬砌结构防裂主要措施

(1)缩短混凝土衬砌一次浇筑长度，确保不大于6.0 m。

(2)在混凝土中混入降低干燥收缩的材料。

(3)二次衬砌内表面布设钢筋网。

(4)设置开裂诱导缝(在衬砌45°拱肩处纵向设2条缝)。

6结论

拉日铁路于2014年8月建成通车。施工实践证明，前期选线原则正确，线位优化合理，各项施工降温除湿措施得当；开通后经现场测试和运营验证，全线高地温隧道结构正常，安全可靠，同时经受住了2015年4月尼泊尔大地震的考验。主要研究结论如下。

(1)对高地温隧道而言，勘察时应查明区域地温分布规律，选择相对低温区域通过，条件允许时可向雅江靠近，同时选择合理的线位高程，绕避储水构造。

(2)混凝土抗碳化性能均随着温度的升高而降低，随着养护湿度的升高而增强；特高岩温隧道模拟养护条件下混凝土抗氯离子渗透性能和抗碳化性能低于标准养护。

(3)地热隧道需加大风机供风量。施工中采用压入式通风，提高巷道风速，尽快排出洞内岩体热量；因地制宜向洞内喷洒低温雅江水，必要时洞内放置冰块，合理安排高温作业时间，均可有效降低洞内环境的温度和湿度。

(4)岩温在50 ℃以下采用EVA防水板；50 ℃以上采用耐热型复合防水板，推荐HXHC耐高温、耐腐蚀防水材料。

(5)高岩温隧道衬砌混凝土优选掺和粉煤灰(25%)。岩温60 ℃以上时，衬砌配筋加强；岩温80 ℃以上时，衬砌混凝土强度提高一个等级，在初期支护外侧设保温隔热层，二次衬砌内部埋置冷却管，同时严格控制衬砌一次浇筑长度，以减轻开裂。

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[14]中铁第一勘察设计院集团有限公司，西南交通大学.特高岩温隧道衬砌结构关键技术研究[R].中铁第一勘察设计院集团有限公司，西南交通大学，2013.

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收稿日期：2015-09-30； 修回日期：2015-11-29

基金项目：铁道部科技研究开发计划项目(2011G027-B)；中国铁道建筑总公司科技研究计划课题(2011-02A)

作者简介：李国良(1966—)，男，教授级高级工程师，陕西省勘察设计大师，1990年毕业于兰州交通大学铁道工程专业。

文章编号：1004-2954(2016)06-0055-05

中图分类号：U452.2+7

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.012

Study on key Technology for Construction of High Ground Temperature Tunnel

LI Guo-liang，CHENG Lei，WANG Fei

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi’an 710043，China)

Abstract：With the increasing of transportation infrastructure in our country，Tunneling in high ground temperature area gradually is becoming a new challenge to the engineering industry. This paper，with reference to Lhasa-Shigatse Railway，puts forward tunnel line selection principles with respect to high ground temperature tunnel construction cooling and dehumidification in high ground temperature area. Through XRD diffraction and SEM test，the reason why the concrete anti-chloridion infiltration and anti-carbide performance are lower than that of standard maintenance in the case of simulated curing condition in special high rock temperature tunnel. Through the research of high ground temperature tunnel temperature field and structure influence law，measures suitable for local conditions and effective construction program are put forward. Formulate suitable for tunnel supporting system，and concrete mix ratio and lining structure anti cracking measures are proposed. Meanwhile，tunnel heat insulation and waterproof measures are recommended such as thermal insulation layer，built-in lining cooling tube，heat resistant composite waterproof board and new waterproof material．

Key words：High ground temperature; Railway tunnel; Construction technology; Heat insulation material; Supporting system