隧道地热段施工综合技术研究
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摘要：由地热引起的高地温问题已成为制约隧道工程建设和运营的瓶颈，而在这方面的研究工作还没有系统的开展起来。本文结合娘拥水电站引水隧道的建设，针对高地温引起的问题，从设计、施工和安全生产方面提出了相应的措施。采用有限元分析软件和热-结构耦合方法，计算得到了衬砌结构在不同工况下的应力和位移值；为保证在高温环境下施工的正常运行，采取降温、支护以及相应的安全爆破方法；另外，提出了一系列保护工人健康的安全措施。
1、引 言
近年来，随着国民经济的飞速发展，与交通建设及水力资源开发等有关的隧道工程越来越多。而隧道工程将不可避免的遇到涌水、岩爆、坍塌及热害等地质灾害。其中涌水、岩爆和坍塌是隧道中最常见的问题，国内外关于这些方面的研究成果较多。对于地热问题，目前的研究重点主要放在将地热作为一种新能源的开发上[1]，而把地热作为一种地质灾害来考虑的研究成果还很少[2][3]。
地下的某些特殊部位，如断裂带的交汇部位，往往可能有温泉产生或地温异常，温度高者可达几十摄氏度。当地温超过30℃时产生高地温。目前，随着隧道向高埋深和大长度方向的发展，高地温问题越来越突出，而国内在隧道高地温方面，除了黄润秋、王贤能、陈永萍和舒磊等学者[4-6]做了一些研究外，包括设计和施工等系统的工作还没开展起来，已成为制约工程建设和运营的瓶颈。
2、工程概述
2.1 工程概况
本文探讨的隧道地热段位于四川省甘孜州乡城县境内的娘拥水电站1#引水支洞。引水隧洞沿线河谷狭窄，山体雄厚，谷坡陡峻，两岸自然坡度大多60º～80º，地势海拔4500～4800余米，属典型的高山峡谷地貌。1#支洞工区主要穿越的地层岩性为印支期斑状黑云母花岗岩(rβ51)，三叠系拉纳山组下段(T3l1)灰色厚～中厚层砂岩夹板岩，三叠系上统拉纳山组上段(T3l2)板岩、砂岩互层。局部岩体破碎强风化，节理裂隙发育，为不闭合裂隙；隧洞花岗岩风化严重，洞壁潮解，受节理裂隙不利组合体的影响，易发生垮塌、掉块现象，部分地段出露黄色铁矿石。
引水线路区地下水类型主要为基岩裂隙水和覆盖层孔隙水，由大气降雨和冲沟沟水补给，向河谷排泄。岩体含水性及透水性受构造发育程度控制，并与风化卸荷有关，断层破碎带、挤压破碎带、节理密集带含水相对丰富。1#施工支洞工区受热水断层影响地下水较丰富，随着下游温度升高水量也逐渐增大，出水形式主要以底板位置珍珠泉涌出，在断层及节理面位置主要存在线状、股状热泉，到目前为止测得最高热泉温度达到86℃。
由于1#支洞下游(桩号约K0+972～K1+240处)穿过热水断层，1#支洞开挖及引水隧洞主洞开挖、支护均受到热水断层带影响，该洞段出现高地温及温泉涌水，最大水温86℃；对隧道内地热温度量测发现，在K0+150～251段洞壁现场打孔测定地温变化幅度为29.4～49.8℃，总体地温增长趋势为每进入山体10m增长1℃，在K0+240处有股状热水涌出，温度为49.8℃，在K1+070处有股状热水涌出，温度为78℃。
2.2 地热对施工的影响
受地热影响，施工人员和施工机械都受到较大影响，主要表现在以下几个方面：①长时间作业，施工人员会出现头晕、呕吐现象；②施工机械散热困难，故障率升高；③部分地段围岩表面有潮解现象，遇水即成粉末，岩面喷射混凝土不易粘结；④普通的硝铵炸药（φ32）有膨胀现象甚至将包装纸胀裂；导爆管发生软化失去弹性，挤压后无法恢复原状；⑤砂浆锚杆强度降低；⑥测量仪器精确度降低，根据测量仪器说明书正常工作环境温度范围为-20℃~40℃。
3 设计计算方法
针对娘拥水电站引水隧洞穿越热水断层出现热水涌水及高地温现象，建立ANSYS有限元模型，采用热学理论模拟该洞段的温度场，并通过热-结构耦合方式，求出衬砌结构在温度场影响下的结构应力值以及在温度和内水压力联合影响下的结构应力值，根据应力进行结构的配筋计算及分析。
3.1 有限元模型的建立
边界条件设置：混凝土浇筑时环境温度取20~30ºC，岩石取恒定温度50度；过水后，洞内水温5ºC，内水压力0.25MPa。
模型材料设置：C20混凝土弹性模量Es＝25.5 GPa，伯松比μ＝0.167，导热系数λ＝2.5 W/(m•K)，线膨胀系数α＝0.8×10-5(1/C)；2.7米固结灌浆范围内围岩弹性模量Es＝8 GPa，伯松比μ＝0.25，导热系数λ＝3.5 W/(m•K)，线膨胀系数α＝0.5×10-5(1/C)；围岩弹性模量Es＝5 GPa，伯松比μ＝0.25，导热系数λ＝3.5 W/(m•K)，线膨胀系数α＝0.4×10-5(1/C)。
计算工况：对衬砌结构为40cm、60cm时，分别计算受地温影响和不受地温影响时隧洞检修工况、正常运行工况，其中受地温影响时对应了混凝土浇筑温度在20ºC和30ºC两种情况。
3.2 数值计算结果
3.3 结果分析
计算结果表明，考虑高地温影响时，衬砌结构应力主要由温度场产生，根据混凝土浇筑温度敏感分析，混凝土浇筑时的环境温度与过水温度相差越大，则过水时温度场产生的应力也越大；根据衬砌厚度的敏感性分析，增大衬砌厚度并不能明显改善衬砌应力。由于温度场产生的拉应力值相当大(最大达6MPa)，如将其作为不可消除荷载，结构所需的配筋量也十分大。在衬砌结构40cm厚时，需内层、外层均配置8根32的螺纹钢筋；在衬砌结构60cm厚时，需内层、外层均配置10根32的螺纹钢筋。在不考虑地温影响情况下，结构内应力大大降低，衬砌厚度40cm时，结构内层、外层仅需配5根20的螺纹钢筋；衬砌厚度60cm时，结构内层、外层也仅需配5根20的螺纹钢。
在温度场作用情况下，衬砌结构为40cm时产生的径向最大位移值(向内)为0.086mm；衬砌结构为60cm时产生的径向最大位移值(向内)为0.115mm；换算成沿衬砌结构周长方向的变形值分别为0.54mm、0.723mm。根据工程实际统计资料表明，引水隧洞衬砌结构最有可能产生的裂缝，一般分布在两侧拱脚及边墙与底板交界处，以此估算衬砌结构的裂缝开展宽度，衬厚40cm时每条裂缝开展宽度约为0.14mm，衬厚60cm时每条裂缝开展宽度约为0.18mm。
4、高温环境下的施工方法
针对1#支洞附近高地温洞段（出露温泉达80℃、洞壁岩石温度达50℃、洞内环境温度超过30℃）的特殊情况，为改善施工条件和确保劳动安全，借鉴丽江黑白水三级电站引水隧洞、高黎贡山铁路隧道[7]等类似工程的施工经验，在施工中应采取适合本工程的相应措施。
4.1 降温措施
（1）注入冷水
在洞内温泉出露点开挖集水坑，采用1台15kW、100m3/h的水泵抽硕曲河冷水，通过Φ100mm(壁厚5mm)镀锌管将冷水注入洞内集水坑内，使洞内热水与洞外冷水充分混合，洞内热水的部分热量被冷水吸收，可减少热水散发在洞内空气的热量，有利于降低洞内环境温度。水泵的容量需根据洞内温泉热水的涌出量进行及时调配，并应备用一台水泵。
（2）抽排洞内热水
采用2台5.5kW、30m3/h的水泵通过Φ80mm(壁厚5mm)镀锌管及时的将集水坑内混合水排出洞外，缩短热水在洞内与周围空气进行热交换的时间，以利于降低洞内环境温度。水泵的容量需根据洞内温泉热水的涌出量进行及时调配，并应备用一台水泵。
（3）加强通风
加强通风是降低洞内作业环境温度、改善作业条件最重要的手段之一。在洞内高温环境下，采用常规的单管压入式通风难以有效的降低洞内环境温度，特别是随着掌子面的推进，通风效果会愈来愈差。增设一台117kW*2、1800m3/min的通风机，通过Φ1500mm的风管向工作面送风，使用双管压入式的通风方式。布置在洞口外的通风机应远离洞口(最好能＞30m)，以免洞内排出的热空气循环进入通风机，降低通风降温的效果。
（4）喷雾降温
在洞外水池接冷水水管至洞内，沿洞顶两侧各架设一根φ100mm的输送钢管，在钢管上每隔3～5m安设一个喷雾器，沿洞线进行喷雾，通过水雾冷却洞内岩面和与洞内热空气混合，可以有效降低洞内气温，同时，高压喷雾还可以吸收洞内粉尘，降低粉尘浓度，改善施工条件。
4.2 支护措施
洞内高温是因隧洞穿越断层、地下高温温泉涌出所致。掘进时需在掌子面安排超前勘探（需要钻超前勘探孔120m），通过超前钻孔了解掌子面前的地质条件，以便对开挖过程中可能出现的塌方、集中涌水等情况进行预防。对地下水丰富、集中的洞段可采取超前灌浆封闭地下水；如围岩破碎自稳能力差，可采取超前锚杆、超前管棚、导管注浆等措施，保证开挖期间围岩稳定。
对预测断层带和断层影响带K0+900m～K1+100m段隧洞建议采取临时支护措施如下：Ⅲ类围岩地段结合永久支护采用喷锚挂网，锚杆长3m，直径25mm，间排距2.0×2.0m，梅花型布置，喷混凝土厚15cm，钢筋网钢筋直径8mm，网格间距200×200mm；IV类围岩地段采用钢支撑联合喷锚挂网支护，锚杆长3m，直径22mm，锚杆间排距1.5×1.5m，梅花型布置，喷混凝土厚15cm，钢筋网钢筋直径8mm，网格间距200×200mm，钢支撑采用Ⅰ18工字钢，排距1.5m。临时支护喷混凝土紧随开挖工作面适时进行，与开挖工作面保持适当距离，以免相互干扰。
4.3 爆破作业
（1）必须满足的要求
必须集中快速装药和孔内装药、孔外起爆。经过反复试验，通过向孔内注入冷水，1.5小时后炮孔内温度可降低至25℃，要回升到规范要求的35℃需要30分钟时间，所以要达到火工品使用安全，必须在30分钟完成装药爆破作业。由必要条件通过反向计算来确定一次起爆孔的数量和配备爆破工的数量来保证火工品的使用安全。
（2）一次开挖断面的选择
娘拥水电站引水隧洞普通地段开挖断面为40m2，地热段开挖断面受装药时间限制，装药时间应满足在孔内温度回升至规范要求的35℃以下时完成爆破作业。每个爆破工在掌子面装药数量，在半个小时以内不超过4个炮孔，经过反复比较，上台阶高度控制在3.3m，炮孔数量50个，钻爆工数量8个人可满足在半个小时内完成装药爆破的工作。并且在装药过程中要明确每个炮工装药的具体孔位和数量，实行分区负责，总体时间控制的原则。
为缩短装药时间，分为上、中、下三个台阶进行开挖，上台阶高度控制在23.0m，阶控制在3.0m，下台阶控制在1.5m。首先进性上台阶的施工，再进行阶得钻爆，上台阶与阶之间距离为5~8m，待上、阶通过高地温段后再进行下台阶的施工。
（3）爆破参数的选择
由于地热段处于热水断层内，本身围岩就比较破碎，加之地热对岩石的物理化学性能产生一定影响，更加降低了岩石的强度。所以在爆破时采用“短进尺、弱爆破、早封闭、强支护、勤量测”的方法，控制一次装药量不仅可以减少对围岩的扰动，而且能缩短装药时间，保障作业安全。根据围岩类别掏槽眼深度为2.5m，辅助眼和周边眼深度为2.0m。掏槽眼采用楔形掏槽，周边眼间距40cm，辅助眼均匀布置，炮孔数量为50个。爆破参数的选择要根据围岩类别及时调整。
（4）装药结构的选择
采用孔内装药、孔外起爆的方法。孔内装药采用将炸药装入硬塑料管内的办法，硬塑料管直径为φ40mm，先将φ32mm直径的炸药绑在导爆索上，将绑好的导爆索和炸药预先装入硬塑料管，在将硬塑料管插入炮孔内，硬塑料管装入炮孔后保证导爆索在孔外的长度不小于50cm，以便于孔外联线。采用硬塑料管装药不仅可以缩短装药时间，还可以防止岩石热传导，起到隔热的作用。
尽量避免导爆管雷管在炮孔内直接接触岩石，防止雷管因高温产生自爆，或导爆管脚线遇高温软化变形产生拒爆。
5、高温环境下的安全文明施工
为保证隧道施工人员进行正常的安全生产，我国有关部门对隧道施工作业环境的卫生标准都有规定。如铁道部规定，隧道内气温不得超过28℃；交通部规定，隧道内气温不宜高于30℃。
（1）中暑症的防治
在高温条件下施工对工人主要应防止中暑症发生，中暑症可分为热痉挛症、热虚脱症和热射症三种类型。
应根据坑道内的高温程度、劳动强度和劳动效率，确定劳动工时，合理安排高温作业时间，以保证施工人员的健康和安全。加强健康管理，对患有高血压、心脏病的患者应禁止参加劳动。在高温作业时，易发生维生素、水分、盐类的不足，对此需进行充分的补充。为恢复疲劳，应向工人提供适温适湿的休息环境。
（2）安全管理措施
项目部设置安全员24小时跟班作业现场指导、协助施工，同时聘请专业人员进行爆破；坚持短循环、小进尺，洞内爆破统一指挥，预先设计装药量；爆破装药前布设岗哨，防止非工作人员误入爆破区；装药前爆破孔用高压风吹干净，检查爆破孔数量；装药时由爆破员分好毫秒雷管段别，按爆破设计顺序装药，装药作业分组、分片进行定人定位集中快速进行。
（3）热水烫伤的预防
掌子面开挖前布设热水探孔，对出水点进行定位；确定出水点后采用透明塑料纸做挡、掩屏幕，同时在钻机前部设置挡板，加大钳杆长度。
（4）在工作面和洞内安装固定式传感器，当洞内氧的浓度在18%以下时，“自动的气体报警器”就会报警，以便使洞内人员疏散和禁止人员进入。
6、结束语
通过对娘拥水电站引水隧道地热段，包括设计计算和施工措施的阐述，详细介绍了有关隧道地热段建设的系统方法，希望能对以后类似工程提供有益的经验积累。但应当注意的是，由于工程地质条件和水文条件的不同，实际隧道工程所面临由地热产生的问题也是不同的，应根据实际情况对隧道地热段采用设计方法和施工安全措施。
参考文献
[1] 刘坚．玉蒙铁路旧寨隧道地热段施工技术研究[J]．铁道建筑技术．2010，（2）
[2] 黄润秋，尚岳全等．国外深埋长大隧道概况及主要地质勘探经验[J]．地质灾害与环境保护．1991，2（1）
[3] 王贤能，黄润秋等．深埋长大隧道中地下水对地温异常的影响[J]．地质灾害与环境保护．1996，7（4）
[4] 王贤能，黄润秋等．深埋隧洞温度场的评价预测[J]．水文地质工程地质．1996，（6）