高黎贡山隧道1#高地温斜井降温处理技术研究及比选

李建高，刘亚飞

(中铁隧道集团三处有限公司，广东 深圳 518000)

0 引言

高地温现象在我国比较常见，尤其在西南部的云贵地区比较突出[1]。岩体的地温值与地层岩性、埋深、地质构造、近期岩浆活动以及地下水的活动等密切相关，因此高地温现象主要在深埋长大隧道内出现。随着我国深埋长大隧道工程越来越多，高地温现象给施工带来的危害和挑战越来越大。

高地温引发的热害突出：1)高温高湿环境中人体电解质失衡，引发眩晕、恶心等症状,严重影响工作效率，且易造成情绪不稳定，诱发许多事故[2]；2)易造成机械设备故障，严重影响施工进度；3)产生的附加温度应力可能引起衬砌开裂，破坏隧道的稳定性[3]。经过多年勘察，我国已掌握国内地温分布规律与特征[4]。在此背景下，高地温降温处理技术逐渐成为地下工程和岩土工程界一个新兴的研究热点。

目前，国内外对隧道高地热的研究侧重于对原岩温度的预测[5]。宿辉等[6]利用FLUENT计算软件对隧洞的温度变化情况进行预测。冯涛等[7]采用"热水地温梯度反算法"、"隧底平面等温线拟合法"绘制了川藏铁路某段隧底平面等温线图。胡兆峰等[8]通过市场调研分析后，引进波兰TS-300B制冷机和清华同方水源热泵，采用单一的制冷方式-局部机械制冷，进行降温。潘启俊[9]通过现场实践分析高地温对隧洞开挖工序造成的影响，同时针对性地制定相应的降温措施，但对隧道整体降温并未给出具体措施。严健等[10]通过分析干热岩高地温隧道的特征及其对工程的影响，现场采用以通风为主并结合喷洒冷水、设置冰墙的措施进行降温。郦亚军等[11]仅仅介绍了高地温隧道在设计、施工及运营中需注意的几个问题，并没有提出如何解决。杨长顺[12]仅仅探讨高地温隧道通风降温的计算方法，且降温措施较为单一，无法系统降温。王建平[13]针对高原高地隧道热害，提出通风、冰块、洒水等相对系统完善的防护措施和降温方法，具有一定的参考价值。

国外基础建设较早，也开展过此类研究。瑞士辛普伦隧道全长19 km，穿越阿尔卑斯山，施工时采用喷洒冷水降温，并利用平行导坑通风、降温、排水和疏干地层，解决高地温问题。日本于1995年贯通的安房公路隧道平均埋深700 m，其部分区域采用注浆截水法，"平汤低速带"则采用排水措施[14]。总体来讲，目前高热隧道的降温研究大多数局限于预测原岩温度变化或仅仅研究单一制冷措施对工程的影响，缺乏从设计、系统降温、工程运营等方面出发的整体性研究。

高黎贡山隧道穿越横断山脉，涌水量大，地质环境复杂，高温地下水最高可达105 ℃，其高地热、高地应力、高地震烈度的特点在世界范围内也是罕见的。其斜井主井长3 850 m，副井长3 870 m，为目前国内最长斜井，主要用于解决高温下隧道通风、用电、排水问题，对隧道建设和使用具有重要意义。本文依托大瑞铁路高黎贡山隧道1#斜井，通过综合通风降温、冰块降温、注浆封堵热水降温、机械制冷降温、优化设备、人员配置等处理技术和方法，系统解决高地温给施工带来的诸多难题，以期为高地温隧道设计、施工提供参考，形成类似工程环境下的施工标准。

1 工程概况

大瑞铁路高黎贡山位于我国著名的藏滇地热异常带的南延部分，根据地表出露热泉的温度，水温最高达102 ℃。可研阶段共研究6个方案穿越高黎贡山，最终选取34.538 km的隧道方案。该方案线路位于相对低温的走廊带内，其余方案受高温危害影响更大。

高黎贡山隧道为设计时速140 km的单线电气化铁路隧道，全隧设置的辅助坑道为"1座贯通平导+1座主副斜井+2座主副竖井"。1#斜井按主、副井形式设置，主井为双车道，长度为3 850 m，坡度为7.48%，净空尺寸宽为7.7 m，高为6.4 m，用于进料、出碴、排污风，正洞建设过程主井采用皮带运输机出碴；副井为单车道，长度为3 870 m，坡度为7.44%，净空尺寸宽为5.0 m，高为6.0 m，用于通风、施工排水并兼作施工期间的服务通道及人员进出通道，如图1所示。

图1 高黎贡山隧道线路平面布置图(单位：m)Fig.1 Plan of Gaoligongshan Tunnel route (unit:m)

高黎贡山隧道共分布17套地层岩性，1#斜井工区主要穿越寒武系上统保山组(∈3b1)板岩、砂岩夹泥质条带灰岩、寒武系上统沙河厂组(∈3s2)板岩、粉砂岩夹灰岩、泥灰岩，岩层软硬不均，变化频繁。地震动加速度为0.2g。

地下水分为浅表地下水循环系统(冷水)和深部地下水循环系统(地下热水)。其中，浅表地下水循环系统主要为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水以及碳酸盐岩类岩溶水3种类型；因为区域内新构造运动强烈，深部地下水循环系统主要经深循环获热增温后，沿断裂破碎带或火成岩与围岩接触带上升，在地貌有利部位呈温泉、热泉形式溢出地表。

2 高黎贡山隧道1#斜井热源分析

高黎贡山隧道1#斜井热源主要为碴石氧化放热、碴石冷却运输放热、风筒气流压缩放热、机械设备放热、爆破放热、人员放热等。

高黎贡山隧道1#斜井地热成因类型主要为断裂深循环型。大气降水沿补给区基岩裂隙网络下渗，汇集于规模较大的导水断裂带中进入深部水循环系统，地下水和岩体接受岩浆冷凝释放的余热和深部对流的辐射。在循环过程中，深部热水与炙热岩体不断地进行水热交换，并顺着岩石的原生裂隙、构造裂隙和侵入面上升和释放，使岩体温度更高，形成高水温和高岩温的状态[15]，深孔钻探岩温情况如表1所示。

表1 高黎贡山隧道深孔钻探岩温Table 1 Rock temperature analysis of Gaoligongshan Tunnel by deep hole drilling

通过深孔钻探岩温得出:

1)隧道区域范围内，整体岩温随着隧道的掘进，高程每下降100 m时，岩温升高范围为1.37～6.38 ℃，平均升高3.54 ℃，但受断层的影响，局部区域岩温会出现与以上结论不一致现象。

2)高黎贡山隧道仰拱填充面平均岩温为34.43 ℃。

3 隧道高地温监测

高黎贡山隧道1#斜井采用干球温度作为洞内微气候环境的评价指标，隧道内温度不得高于28 ℃[16]。以干球温度28 ℃为分界线，当掌子面空气温度低于28 ℃时，隧道施工不考虑温度影响；当掌子面温度大于28 ℃时，则根据所处温度的高低采取相应的降温措施。为更好地掌握地热资料，施工中对隧道地热段的现场监测内容如下。

3.1 洞外环境温度监测

在洞外风机周围安装气象站(建大仁科RS-QXZN型)进行环境温度监测，测试频率采用国际通行气象测定的时间约定，以格林尼治零点为标准点(对应于北京时间8：00)，每天8：00、14：00、20：00、2:00各测试1次收集气象资料，并通过GPRS方式直接将数据上传环境监控云平台，再下载至电脑。分析总结当月气象参数得出平均值，如表2所示。

表2 2019年9-12月洞外环境温度监测Table 2 Monitoring of ambient temperature outside tunnel from September to December in 2019

3.2 洞内岩温监测

洞内岩温采用隧道边墙浅孔测温法进行监测，如图2所示。岩温测试孔布置在距开挖面50 m、距底板1.0～1.2 m高的边墙上。在围岩较完整、干燥的岩体处钻孔，钻孔深度不小于3 m，孔径不小于42 mm，钻孔方向向上倾斜5°～10°。岩温每7 d测试记录1次，测试岩温仪器采用热敏电阻传感器。高黎贡山隧道1#斜井岩温监测情况如表3所示。

表3 高黎贡山隧道1#斜井洞内岩温、水温监测Table 3 Rock temperature and water temperature in #1 inclined shaft of Gaoligongshan Tunnel

图2 洞岩测温孔布置示意图Fig.2 Diagram of temperature measuring hole arrangement in cave

3.3 洞内水温监测

地下水温的测试分为超前地下水温探测和已开挖面地下水温测试。测试仪器选用高精度测温仪1310型K型热电偶电子温度计。通过超前水温探测结合超前地质预报预测，在超前钻孔中发现地下水并及时进行水温测试。已开挖的地段，若初期支护表面存在大面积漫流渗水，则需对漫流水进行温度测试，每7 d测试记录1次。温度记录后，根据隧道高程变化对应的水温变化进行分析。

3.4 洞内环境温度监测

洞内环境温度主要以干球温度为评价指标。环境温度测试点主要为出风筒出口及掌子面附近，掌子面100 m范围内测试间距为20 m，共5个测试断面；100～200 m的测试间距为50 m，共2个测试断面；超过掌子面200 m,对现场施工影响较小，可不监测。环境温度监测分工序(开挖、出渣、立拱、喷浆)测试，每7 d测试1次。

2019年9-12月份对洞内掌子面100 m范围内环境温度进行监测，每天按照8：00、14：00、20：00、2:00各测试1次，最终取平均值，形成当日洞内环境平均温度。具体统计如表4所示。

表4 2019年9-12月份洞内环境温度监测表Table 4 Ambient temperature in tunnel from September to December in 2019

4 高地温隧道综合降温技术研究

4.1 加强通风降温

通风降温是通过增加隧道的供风量，使隧道内工作面的气温降低，从而达到降温的一种措施。大量研究表明,适当增加供风量可以降温和改善人体在热环境中的舒适程度，但是受新鲜风温度、围岩温度、岩体导温系数等影响，通风降温的幅度是有限的[17]。

高黎贡山隧道1#斜井主井在洞口布置1台2×AVH140的轴流风机(功率2×160 kW)，匹配φ1.8 m的加强耐压风管送风。设计图纸要求掌子面通风量不小于1 200 m3/min，本轴流风机最大供风量为2 700 m3/min，符合设计要求。

为研究通风量对施工环境温度的影响，于2019年5月14日、7月13日、12月16日分别采用不同的供风量，监测现场环境温度的变化情况，具体如表5和图3所示。

表5 不同供风量与洞内环境温度值对比Table 5 Comparison between temperature values and different air supply volumes in tunnel

图3 供风量与洞内环境温度值对比Fig.3 Relationship between ambient temperature value and different air supply volumes

通过现场试验，可以看出：

1)通风机供风不小于设计风量1 200 m3/min时，加大供风量，现场环境温度降低0.7～1.6 ℃；

2)通风降温时，当洞内总散热量一定，风机进风温度对现场环境温度影响较大，进风温度越低，降温效果也越明显；

3)根据现场测试及体验，加大供风量对环境温度降温效果不明显，但是增加了人体皮肤表面汗液的蒸发速度，提高了作业人员的舒适度。

4.2 冰块降温

冰块降温措施主要对局部范围内环境温度降温。为扩大冰块降温范围，将1台SSF-No1.0型射流风机(功率30 kW)与冰块配合使用。冰块放置在射流风机出风口处，冰块融化过程吸收热量，降低环境空气温度，风机将降温后的空气吹向前方，从而达到降温效果，如图4所示。

图4 自制移动冰站降温Fig.4 Cooling by self-made mobile ice station

2019年8月13日，主井现场环境温度为32.6 ℃，分别采用2、4、6、8 t冰量对现场掌子面进行降温，降温效果记录见表6。

表6 射流风机前方20 m处冰块降温效果对比Table 6 Cooling effect by laying ice at 20 m in front of jet fan ℃

从试验结果得出：

1)融化时间。现场使用2 t冰融化时间约2 h，使用4 t冰融化时间约4 h，使用6 t冰融化时间约6.5 h，使用8 t冰融化时间约9 h。

2)本射流风机有效送风距离约为30 m。因此采用冰块+射流风机在30 m内降温效果明显；超出30 m，降温效果不明显。

4.3 注浆封堵热水降温

当围岩流出热水量较大、通风降温+冰块降温不足以将环境温度降至28 ℃以下时，采取对出热水段进行注浆堵水，减少热水流出及散发热量，如图5所示。注浆堵水按照"以堵为主，限量排放"的原则，注浆后控制出热水量小于或等于5 m3/h为宜。

图5 堵水注浆示意图Fig.5 Schematic diagram of water sealing by grouting

由于高温围岩和高温裂隙水，常规混凝土材料在工作中会出现性能劣化、物理力学和耐久性衰退等情况，且温度越高，劣化趋势越明显，因此有必要按比例掺和一定的高温稳定剂[18]。注浆材料采用普通水泥-水玻璃双液浆，配合比为1∶0.8，注浆压力为1.0～1.5 MPa，注浆顺序由少水处向多水处呈梅花形逐步、反复注浆施工。当水压高于1.5 MPa时，采用φ108 mm无缝钢管作为导水管将水引至临时集水坑，导水管上安装阀门，然后对突水点周围进行压浆固结处理，注浆强度达到设计的90%。最后，进行关水测压试验，测定静水压力，确定注浆终压。同时观察整个支护体系及围岩是否漏水。

高黎贡山隧道1#斜井主井XJ1ZK1+215～+185段出水量较大，平均水温为35.1 ℃。对本段进行注浆堵水后，施工现场注浆前后环境温度对比如表7所示。

表7 对出热水段注浆前后环境温度对比表Table 7 Ambient temperature before and after grouting in hot water section

通过对高温出水点进行堵水注浆，可以有效减少热源散出，注浆后环境温度比注浆前环境温度降低约1.5 ℃，提高了作业人员的舒适感。

4.4 机械制冷降温

机械制冷降温就是采用制冷设备来降低风流温度，制冷降温系统是由制冷站(冷源)、输冷系统、传冷系统和排热系统4个基本要素组成的。制冷降温系统的功能是通过制冷剂、载冷剂(冷水)和冷却水3个独立循环系统的联合工作来实现。

机械制冷根据制冷方式不同，分为局部制冷和集中制冷。局部制冷适用于隧道热源单一、空间简单区域；集中制冷适用于复杂、需冷量多的施工环境。2种制冷模式性能对比如表8所示。

表8 集中制冷与局部制冷降温系统性能对比Table 8 Performance comparison between central and local refrigeration cooling system

4.5 优化资源配置，增加作业人员、设备数量

在高地温环境下作业时，作业人员易发生脱水，维生素、盐分流失，甚至中暑晕倒和中暑死亡事故。因此在高地温环境下施工，需要合理调整作业人员作业时长，增加劳动人数和作业工班，每班作业时长由原来的8 h，缩短4～6 h，实行4～6班倒作业，以保证施工人员的健康和安全。

进入高地温施工段后，考虑到施工机械设备(挖掘机、装载机、出碴车、罐车等)故障率增加，效率降低，易出现高温开锅现像，采取增加机械设备配置数量、维修人员及易损件储备等措施，保障正常施工。高地温段落与常规段落主要施工设备对比如表9所示，各道工序人员对比如表10所示。

表9 高地温段落与常规段落主要施工设备对比Table 9 Comparison of main construction equipment between high ground temperature section and regular section

表10 单个掌子面高地温段落与常规段落各道工序人员对比Table 10 Comparison of worker numbers between single tunnel surface in high ground temperature section and regular section

5 综合降温效果评价

采用加强通风、冰块、注浆堵热水、机械制冷等多种措施，可有效降低环境温度，改善隧道内作业环境，提高人员的舒适度，降低设备故障率，保证安全生产，提高人员、设备工作效率，加快施工进度，同时节约项目成本。综合降温组合措施及效果分析如表11所示。

表11 综合降温组合措施及效果分析Table 11 Comprehensive cooling combination measures and effect analysis

6 结论与建议

6.1 结论

1)高黎贡山隧道1#斜井洞内环境温度高，不是由洞外温度变化引起的，主要受构造裂隙热水影响岩温，同时热水排放增高洞内环境温度。

2)通风降温时，若供风大于设计风量1 200 m3/min，加大供风量对现场环境温度降温效果较小，可降低0.7～1.6 ℃，但是增加了人体皮肤表面汗液的蒸发速度，提高了作业人员的舒适感；现场环境温度与风机进风温度有着密切联系。

3)冰块+射流风机组合降温可有效降低环境温度，降温幅度为2.1～3.1 ℃。

4)通过对高温出水点进行堵水注浆，可以有效减少热源热量散出，注浆后环境温度比注浆前环境温度降低约1.5 ℃，提高了作业人员的舒适感。

5)从高黎贡山隧道1#斜井机械制冷的成本、使用、维护等方面对比分析可知，应采取集中固定式降温系统。

6)在高地温环境下作业时，需要增加劳动人数和作业工班数量，合理调整作业人员作业时长；需要通过增加机械设备配置数量、机械维修人员及易损件储备等措施，保证现场正常施工。

6.2 建议

1)由于冰块量消耗较大，市场上冰块单价及运输费用较高，为节约项目成本，建议自建制冰设备。

2)由于冰块占地面积大，因此建议降温过程采用4 t冰量，可实现现场2.0～2.6 ℃降温，每4 h左右添加1次冰块。

3)注浆堵水降温，建议组织有经验的专业注浆作业人员，否则影响注浆工效和注浆效果，最终影响降温效果。

4)建议根据不同隧道的高地温情况，选取不同的降温组合方案进行降温。