高岩温隧道施工环境保障技术分析与管理

　　

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一、工程背景

拉萨至日喀则铁路位于青藏高原西南部，线路全长253km，共设有29座隧道。其中色麦至仁布段长约58km，穿越那曲—当雄(羊八井)—尼木水热活动带的南部，该带水热类型显示有温泉、温热泉、热泉、泉华、盐化、地面冒汽等，该地热带中泉水平均温度为60.7℃，最高为88℃。地热异常段涉及色麦村、吉沃希嘎等隧道[1]。

图1　达嘎山隧道左侧热泉群Fig.1　Hot spring group in the left of DaGa mountain tunnel

图2　泉华出露Fig.2　Exposed tufa

隧道高岩温会引起作业人员呼吸苦难、胸闷、中暑、热虚脱甚至短暂痉挛晕厥现象，劳动效率降低，洞内施工机械设备会出现熄火，机械设备损坏严重，需降温冷却，维修率高；测量仪器失效、高温地段衬砌混凝土易开裂等[2-3]。

拉日线高岩温影响段隧道位于雅鲁藏布江峡谷区，隧道高程3680～3800m,空气含氧量比内地低25～30%，隧道内空气含氧量更低，施工中通风降温为主的施工保障技术非常必要。

二、高岩温隧道掌子面附近环境分析

为保障正常的安全生产，有关部门对隧道施工作业场所规定气温不得超过28℃，但对高温下湿度未充分考虑。实际施工中，湿热环境中的温度高低、湿度大小、空气流动速度对作业人员的健康安全及作业效率有很大的影响。所以对作业环境而言，施工过程中的通风、降温是作业环境改善的重要技术措施[4-5]。

通过数值模拟，采用ANSYS有限元分析软件，得到隧道内空气中温度距离掌子面的分布变化。

1.模拟分析时的主要参数

(1)材料的热力学属性(热传导系数、对流换热系数、比热、密度等)为常数。

(2)隧道围岩温度为常数。通风降温时，隧道内空气的初始温度为常数。

(3)隧道周围岩层为均质、各向同性。

温度场计算分析中所采用的材料参数如表1。

表1　热传递主要参数Tab.1　Main heat transfer parameters

2.分析模型的建立

模型中以距掌子面110m的隧道横断面为限，距掌子面110m为通风进口，距掌子面20处为空气出口。随着隧道开挖，初期支护的施做，掌子面空气通过初期支护、围岩进行热传导，计算模型如图3所示。

图3　隧道计算模型Fig.3　Calculated Tunnel model

3.计算主要结论

(1)在隧道主要作业范围内(110m)，不同风速条件下：隧道周边温度大于隧道中心温度；随着距掌子面距离的增大，隧道内空气温度升高。

(2)通风管出口风速应大于15m/s，每次施工通风时长至少30min；通风停止3.5h后，在距离掌子面10m范围内空气温度超过28℃，需再次通风。

图4　岩温45℃风管轴线纵向温度云图Fig.4　Longitudinal temperature nephogram at height of duct axis with rock temperature 45℃

图5　通风后隧道横断面温度云图Fig.5　temperature nephogram at cross section after the ventilation

(3)在风机供风无法满足15m/s的情况下，即使通风时间连续不间断并不能明显地降低隧道内空气的温度，需加大供风量，以增大通风管出口风速。

(4)在通风工况下，隧道内湿度逐渐降低，可满足施工要求。

三、高岩温隧道热害等级划分

根据岩温及高温热害对隧道修建影响程度，综合调研分析，将隧道地温带分为常温带、低温带、中温带、中高温带、高温带和极高温带，如表2。

表2　高岩温热害分级表

根据勘测成果，吉沃希嘎隧道为全线岩温最高的隧道，测温孔内温度值最高达65.4℃，热害预测等级为IV级，热害严重。

四、高岩温隧道施工作业环境保证措施

根据拉日线线路经过地区的地热环境状况，前期按裂隙水蒸发形成蒸汽、热水渗流、高温围岩进行预设计。地热以裂隙水或承压水表现时采用帷幕注浆、局部注浆截流、引水管导流等措施，降低或防止围岩中水热通过空气在洞内传导，通过加大通风量、冷水除尘、放置冰块等措施进行降温；对于无水地段的高温围岩考虑采用加大通风量、岩面喷冷水、空压机制冷等措施。为了避免隧道突水、涌水对线路进行了优化，尽量避开承压水，所以施工中以高温干热围岩地热为主[6-7]，主要技术措施为：

(一)充分利用辅助通道

利用山区峡谷地形特点，充分考虑地热超前处理，在具有地热特征地段尽可能以横通道作为辅助坑道施工，将隧道内赋存地热切割成若干段，一方面降低了施工难度，另一方面有利于不同地热的防范处置。经施工横通道切割后的隧道最大分段长度保持在1500m以下。

(二)轴流风机降温

根据调查收集线路通过峡谷地区气象资料，本地区年平均气温在6.8±0.1℃左右，最热月平均气温14.8±0.2℃，最冷月平均气温-3.2℃±0.3℃，整个隧道施工期内，洞外环境气温可以满足降温通风需要。

隧道施工通风方式采用常用的压入式，高岩温隧道通风设计按加大通风量考虑，通过轴流风机与射流风机串联，一方面提高送风量，另一方面增大风速，提高隧道内空气了循环流动速度，快速使作业环境达到人体适宜的环境。

(三)冷水除尘降温

隧道通过区的雅江水常年在12℃～17℃之间，直接抽取完全满足洞内降温需求，高岩温隧道基本与雅江穿叉并行，辅助坑道进口均沿江布置。可直接抽取低温雅江水向隧道衬砌及环境喷水，在养护的同时实现降温，既保证的砼施工质量，同时降低了环境温度。

(四)职业健康防护

作业人员根据职业健康规定配备相应的防护用具/品，包括热防护服、利用冰块冰镇饮品、作业区增加冷风机等。目前市场上工业方面使用的个人热防服种类较多，可根据隧道内热源的产生和作业操作影响，以液体和气体做为冷却介质或防热辐射的服装，可在隧道单工序作业中保证作业人员降低地热隧道内施工环境所造成的危害。

(五)减少作业循环时间

根据高温环境合理设计作业循环进尺，利用自动化作业设备，实行单工序多班次作业，减少每个人作业工序的作业时间，提高劳动效率，减少劳动时间，从作业时间和劳动强度上降低作业环境危害。

五、高岩温危害应对措施及效果

在本线路吉沃希嘎隧道，隧道全长3974m，围岩以Ⅲ、IV级为主，通过三个断裂破碎带。整个施工期，洞内最高岩温实测为55℃，无水，表现为干热型围岩，通风降温措施主要为：

1.加大通风量，提高出风口风速。选用2台SDF(C)-2- No12.5型隧道轴流风机并联，压入式送入洞外降温空气，配备具备隔热功能的专用高压风筒，保证送风量及降低风损。

2.冷水与冰块结合降温。将低温江水抽送至掌子面，对掌子面、开挖岩面、渣体、空气进行喷洒，温度高的地段码放自制冰块辅助降温。

3.减少单工序作业时间

将每个作业循环根据作业时间长短，分成多个班组，每个班组不超过3小时作业，降低工人的劳动强度。

图6　吉沃希嘎隧道洞口通风Fig.6　ventilation of Ji WoXi Ga entrance to tunnel

图7　吉沃希嘎隧道降温冰块Fig.7　Cooling ice block of Ji WoXi Ga tunnel

拉(萨)日(喀则)铁路于2014年8月通车，经过前期优化及动态施工设计，在施工过程中根据不同地段的实际情况调整降温除湿措施，洞内作业环境条件符合现行规范要求；未出现高岩温引起的高湿热对人体健康安全事故、阻滞正常施工进度，作业工效降低不明显。表明高岩温隧道设计及施工时所采取的施工环境保障措施效果明显有效。

六、结论

(1)根据岩温及高温热害对隧道修建影响程度，综合调研分析，将隧道地温带分为常温带、低温带、中温带、中高温带、高温带和极高温带。

(2)根据拉日线线路经过地区地热环境存在状态，前期按裂隙水蒸发形成蒸汽、热水渗流、高温围岩进行预设计。地热表现以裂隙水或承压水表现时采用帷幕注浆、局部注浆截流、引水管导流等措施，降低或防止围岩中含水通过空气在洞内传导，有效控制了洞内高温热传导。

(3)对于无水地段的高温围岩考虑采用加大通风量、岩面喷冷水、空压机制冷等措施，采取上述措施后，洞内环境温度能保证在20℃左右，风机启动2小时后即适宜作业。

(4)拉日铁路施工实践证明高岩温隧道设计预案措施及施工时所采取的施工环境保障措施有效。

【参考文献(Reference)】

[1]李国良，程磊，王飞.高地温隧道修建关键技术研究，铁道标准设计，2016，60(6)：55-59

Li Guoliang,Cheng Lei,Wang Fei.Study on key Technology for Construction of High Ground Temperature Tunnel,Railway Standard Design,2016:60(6)：55-59

[2]谢君泰，余云燕，高海拔隧道工程热害等级划分，铁道工程学报，2013，12(总183)：69-73

XIE Juntai,Yu Yunyan,Grades for Heat Damage in High Altitude Tunnel Engineering,Journal of Railway Engineering Society,2013:12(Ser.183):69-73

[3]谢君泰，程磊，李国良，严松宏，拉萨至日喀则铁路高岩温隧道热害防治技术研究，青藏铁路运营十周年学术研讨会论文集，244-247(中文)

Xie Juntai,Cheng Lei,Li Guoliang,Yan Songhong,A study on high rock temperature thermal harm control techniques in construction railway from Lhasa to xigaze,The Qinghai - Tibet railway Operation 10th anniversary symposium proceedings,244-247(In Chinese)

[4]李飞，不良和特殊地质地段隧道施工，西部探矿工程，2006，增刊，274-275(中文).

Li Fei.Undesirable and special geological section tunnel construction,West-China Exploration Engineering,2006,Supplementary issue(In Chinese)

[5]杨平平，高地温隧道温度场分布规律研究，石家庄铁道大学(硕士学位论文)：1-62

Yang Pingping,Study of Temperature Field Distribution Law for High Ground Temperature Tunnel,Shijiazhuang Tiedao University(Master Dissertation):1-62

[6]王忠星，浅谈高地温隧洞降温施工技术，交流平台，2015，4：72-73(中文)

Wang Zhongxing,Discuss on high ground temperature cooling techniques in tunnel construction,Exchange platform,2015,4:72-73(In Chinese)

[7]陈馈，高黎贡山隧道设计及施工技术初探，施工技术，2009：48-52(中文)

Chen Kui,Analysis on design and construction technology of gaoligong shan tunnel,Construction Technique,2009:48-52(In Chinese)

[8]程磊.高岩温低湿环境下混凝土配合比设计及养护研究[J].铁道建筑技术.2015，4：52～54.

Cheng lei.The concrete mix proportion design and maintenance research in condition of high rock temperature and low moist environment[J],Railway architecture technology.2015，4：52-54.