地下工程施工中高地溫、高溫?zé)崴卫砑夹g(shù)研究

周菊蘭，鄭道明

(中國水利水電第十工程局有限公司，四川成都 610072)

1 概述

在云南黑白水三級(jí)電站及四川娘擁水電站、鄉(xiāng)城水電站、新疆布侖口-公格爾水電站引水隧洞開挖過程中，受復(fù)雜的水文地質(zhì)條件及隧洞斷面小等因素的影響，在隧洞開挖過程中出現(xiàn)高地溫、高溫?zé)崴罅坑砍龅那闆r。當(dāng)隧洞內(nèi)出現(xiàn)高地溫、高溫?zé)崴葠毫拥刭|(zhì)條件時(shí)，造成隧洞內(nèi)熱氣騰騰，能見度僅為3～5 m，施工人員進(jìn)入工作面后在較短時(shí)間內(nèi)就會(huì)使人感覺胸悶，時(shí)間稍長即眩暈嘔吐。由于洞內(nèi)高溫?zé)崴砍龊螽a(chǎn)生大量的熱蒸汽，裹去了一部分氧氣，使有高溫?zé)崴乃矶磧?nèi)氧氣含量下降而導(dǎo)致機(jī)械油料燃燒不完全，造成機(jī)械出力下降30%左右，使施工機(jī)具故障頻率增高，隧洞內(nèi)進(jìn)行排水的水泵由于長期抽排高溫?zé)崴斐伤玫膿p壞率增高，洞內(nèi)施工無法正常進(jìn)行。如云南黑白水三級(jí)水電站施工到樁號(hào)0+180～1+000段時(shí)，隧洞埋深80～140 m，表層30～60 m為冰磧層。該段洞內(nèi)熱水溫度達(dá)到58℃ ～60℃，熱水流量穩(wěn)定并達(dá)到300 m3/h以上。在四川鄉(xiāng)城娘擁水電站引水隧洞1號(hào)支洞下游樁號(hào)K0+972～K1+017.4處，隧洞開挖穿過高溫?zé)崴當(dāng)鄬?，該段隧洞出現(xiàn)高溫?zé)崴砍觯?jīng)實(shí)測(cè)最大水溫達(dá)78℃，熱水流量達(dá)到30 mL/s。爆破后巖石表面溫度達(dá)到60℃ ～72℃，炮孔內(nèi)溫度達(dá)到62℃～75℃，隧洞爆破后洞內(nèi)環(huán)境溫度達(dá)到50℃。通風(fēng)30 min后，巖石表面溫度下降4℃ ～6℃，洞內(nèi)環(huán)境溫度下降6℃ ～8℃。由于隧洞內(nèi)高地溫、高溫?zé)崴異夯怂矶词┕きh(huán)境，使隧洞的施工難度增大，在高溫?zé)崴h(huán)境下施工造成作業(yè)人員傷病多，施工效率降低。同時(shí)，因不良地質(zhì)條件造成施工工序多，處理不良地質(zhì)洞段作業(yè)循環(huán)時(shí)間長，施工進(jìn)度緩慢，施工成本增高，當(dāng)有較大的熱水集中涌出時(shí)，往往造成作業(yè)面停工處理。黑白水三級(jí)水電站引水隧洞全長2 311.7 m，隧洞斷面為4 m×3.6 m城門型，隧洞施工歷時(shí)58個(gè)月，力盡艱辛，克服各種困難，其中800 m高溫?zé)崴嗡矶词┕v時(shí)37個(gè)月才完成。

2 幾座較為典型水電站的基本地質(zhì)條件

2.1 娘擁水電站

該工程引水線路沿線河谷狹窄，山體雄厚，谷坡陡峻，引水隧洞穿越的地層巖性為印支期斑狀黑云母花崗巖，三疊系拉納山組下段(T311)灰色厚～中厚層砂巖夾板巖，三疊系上統(tǒng)拉納山組上段(T312)板巖、砂巖互層。

(1)1號(hào)支洞初次出現(xiàn)地?zé)岙惓２课皇窃跇短?hào)K0+120前后，爆破后巖石溫度為40℃，巖性為花崗巖且局部潮濕，并拌有滲水，花崗巖中長石風(fēng)化局部嚴(yán)重，風(fēng)化帶呈不規(guī)則分布。在樁號(hào)0+100 ～0+230 洞段的地溫值為25.8℃ ～38.8℃，地溫值趨勢(shì)為每10 m增長1℃。在樁號(hào)0+240處右側(cè)下部有一股熱泉涌出，水量約10 mL/s，導(dǎo)致該部位地溫值為49.8℃，在樁號(hào)0+290處爆破后巖面溫度達(dá)到48℃ ～50℃。

(2)下游隧洞開挖至K1+017.4時(shí)，花崗巖銹染嚴(yán)重，局部風(fēng)化，洞壁潮濕。隨著開挖的推進(jìn)，溫度呈逐漸升高的趨勢(shì)。在樁號(hào)K0+986處分布一條左旋逆沖斷層，即熱水?dāng)鄬?，產(chǎn)狀N20°ENW∠85°，該處為花崗巖與拉納山組下段分界線，上盤為拉納山組下段的砂板巖，下盤為花崗巖。樁號(hào)1+017.4處掌子面中下部分布一出水點(diǎn)，流量約30 mL/s，水質(zhì)透明，無味，泉眼周圍有較多鈣質(zhì)沉積，水溫高達(dá)78℃。

(3)該工程熱水?dāng)鄬拥目臻g展布特征為:斷層走向?yàn)榻黃N～N20°E之間，傾向W或NW，傾角60°～80°，斷層帶寬 20 ～40 m，斷裂帶由強(qiáng)烈構(gòu)造作用形成的構(gòu)造巖(片狀巖、破裂巖、碎裂巖)及少量的斷層泥構(gòu)成，總體擠壓緊密，斷層面平直，可見明顯的擦痕及階步，顯示左旋走滑斷層特征，擦痕側(cè)伏角約25°，水平錯(cuò)距約300 m，長度大于20 km。

2.2 黑白水水電站

該工程高溫?zé)崴炊伍L800 m，地表5～60 m為冰磧層，隧洞通過洞段巖性為深灰～灰黑色頁巖，間夾砂質(zhì)頁巖及薄層砂巖，巖石由強(qiáng)風(fēng)化至弱風(fēng)化，巖石軟弱，節(jié)理發(fā)育，局部地段有少量裂隙。特別是在熱水塘背斜軸(樁號(hào)0+420)前后，巖層傾角小，掉塊較多，還經(jīng)常出現(xiàn)裂隙水集中突涌現(xiàn)象。

樁號(hào)0+636～0+657段為F2斷層破碎帶，圍巖受高地溫、高溫?zé)崴绊?，膠結(jié)極差，部分角礫填充物泥化，在與熱水相互作用后，填充物呈流體狀。

2.3 布侖口-公格爾水電站

該工程施工區(qū)位于高程2 600～3 400 m的高原山區(qū)，隧洞最大埋深約1 600 m，引水隧洞全長約18 km，隧洞穿越的地層巖性主要為Q1半膠結(jié)含碎石土、黑色石墨片巖、長石石英片巖、絹云母石英片巖、二云母石英片巖、綠泥石石英片巖、黑云母花崗巖。在隧洞施工過程中，2、3、4號(hào)施工支洞都出現(xiàn)了高地溫現(xiàn)象，隧洞掌子面最高溫度為67℃，掌子面巖體鉆孔孔內(nèi)最高溫度達(dá)82℃。經(jīng)設(shè)計(jì)分析認(rèn)為引水隧洞主洞樁號(hào)K2+680～K6+779段存在高地溫。該段隧洞圍巖巖性為云母石英片巖夾石墨片巖，隧洞內(nèi)干燥，未見地下水出露。產(chǎn)生高地溫的原因主要是高原區(qū)域熱流值背景下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的不均勻性導(dǎo)致熱傳導(dǎo)條件的空間變化和不均勻性引起的，并由熱傳導(dǎo)條件較好的石墨片巖的局部區(qū)域相對(duì)集中所引起。

3 高地溫的規(guī)定與高溫對(duì)施工人員的影響

3.1 高地溫的規(guī)定

在地下工程隧洞施工過程中，隧洞中出現(xiàn)高地溫、高溫?zé)崴砍鰰r(shí)，使施工環(huán)境和隧洞內(nèi)條件變得惡劣，隧洞內(nèi)的高地溫、高溫?zé)崴畬?shí)質(zhì)上是勞動(dòng)保護(hù)問題，也是生產(chǎn)安全問題。為改善施工條件，確保施工人員的勞動(dòng)安全，國家有關(guān)部門對(duì)隧洞施工作業(yè)環(huán)境的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)均作了有關(guān)規(guī)定。

(1)鐵道部在隧洞施工中作了明確規(guī)定:隧洞施工過程中，隧洞內(nèi)氣溫不得超過28℃。

(2)交通部也對(duì)隧洞施工中的溫度作了明確規(guī)定:在隧洞施工過程中，隧洞內(nèi)氣溫不宜高于30℃。

(3)水利部在水工建筑物地下開挖工程施工規(guī)范中也有明確規(guī)定:洞內(nèi)平均溫度不應(yīng)高于28℃和作業(yè)區(qū)的噪聲值不應(yīng)大于90 dB。

(4)根據(jù)國外一些資料介紹:在隧洞施工過程中，日本規(guī)定隧洞內(nèi)溫度應(yīng)低于37℃。

3.2 高溫對(duì)施工人員的影響

在高地溫條件下施工與常規(guī)氣溫條件下的施工環(huán)境存在很大差異。當(dāng)在高地溫隧洞施工中，掌子面氣溫達(dá)到43℃時(shí)，洞內(nèi)蒸氣騰騰，能見度僅為3～5 m，施工人員進(jìn)入工作面在很短時(shí)間內(nèi)即感覺胸悶，時(shí)間稍長就會(huì)出現(xiàn)眩暈嘔吐，施工人員無法正常作業(yè)。由于隧洞內(nèi)惡劣的工作環(huán)境造成施工人員傷病多，工效低。在高地溫、高溫?zé)崴畻l件下施工時(shí)，對(duì)施工人員主要應(yīng)防止中暑癥的發(fā)生。中暑癥又分為熱痙攣癥、熱虛脫癥、熱射癥三種類型。

(1)熱痙攣癥:由于洞內(nèi)溫度較高，施工人員出汗過多，體內(nèi)的水分、鹽份損失過多而引起的病癥。其癥狀是施工人員在作業(yè)時(shí)和作業(yè)后產(chǎn)生陣發(fā)性肌肉痙攣和疼痛。施工人員應(yīng)充分補(bǔ)充鹽水予以緩解癥狀，嚴(yán)重者應(yīng)到醫(yī)院輸液治療。

(2)熱虛脫癥:施工人員在高地溫、高溫?zé)崴挠绊懴拢w內(nèi)水分由于出汗而大量流失，同時(shí)又沒得到及時(shí)的補(bǔ)充，使施工人員出現(xiàn)熱虛脫癥。該癥的主要狀況為血壓降低、脈搏加快，頭暈、頭痛、嘔吐、全身無力、臉色蒼白，體溫也產(chǎn)生變化。應(yīng)及時(shí)把熱虛脫人員送到陰涼、通風(fēng)處靜臥休息，并增加補(bǔ)充葡萄糖鹽水，嚴(yán)重者應(yīng)及時(shí)送醫(yī)院處理。

(3)熱射癥:由于施工人員較長時(shí)間在高溫環(huán)境中工作，雖然補(bǔ)充了鹽水，但環(huán)境溫度遠(yuǎn)高于人體體溫，使人體體溫調(diào)節(jié)中樞失調(diào)，體溫上升:其特征為:體溫高、興奮、乏力和皮膚干燥等。應(yīng)在溫度、濕度、通風(fēng)較好的地方休息靜養(yǎng)，結(jié)合藥物治療，嚴(yán)重患者應(yīng)及時(shí)送醫(yī)院治療。

施工單位應(yīng)根據(jù)隧洞內(nèi)高溫程度，增加班次，縮短每個(gè)班的作業(yè)時(shí)間，隧洞內(nèi)應(yīng)保證供水，經(jīng)常送綠豆湯到現(xiàn)場(chǎng)供施工人員飲用，并提供舒適的休息場(chǎng)所。為確保施工正常進(jìn)行，必須保證施工人員的健康和安全，加強(qiáng)健康管理，對(duì)患有高血壓、心臟病、肝炎、身體欠健康、歲數(shù)偏大者均不適宜到高溫的隧洞內(nèi)工作。

4 高溫下的爆破作業(yè)要求

由炸藥的性能可知:炸藥的熱分解是一種緩慢的化學(xué)變化，其特點(diǎn)是化學(xué)變化的反應(yīng)速度與環(huán)境溫度有關(guān)，當(dāng)通風(fēng)散熱條件不好時(shí)，分解熱不易散失，很容易使炸藥溫度自動(dòng)升高，進(jìn)而促成炸藥熱分解加劇而導(dǎo)致炸藥熱分解反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槿紵虮?。值得注意的?炸藥在不同的反應(yīng)形式下，其能量的釋放速度和釋放形式不同，一旦炸藥由熱分解意外地轉(zhuǎn)化為燃燒甚至爆炸，極易造成重大事故。

所以，在高地溫洞段進(jìn)行爆破施工時(shí)，為確保隧洞內(nèi)施工人員的安全，炮孔裝藥時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵守下列規(guī)定:

(1)高地溫洞段的爆破是危險(xiǎn)作業(yè)，要制定特殊的管理制度、操作規(guī)程和事故應(yīng)急救援預(yù)案等制度，并對(duì)爆破人員進(jìn)行嚴(yán)格培訓(xùn)。在裝藥前，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況制定完善的爆破方案和事故應(yīng)急救援預(yù)案，指定專人現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)指揮。

(2)裝藥前應(yīng)及時(shí)清場(chǎng)，把場(chǎng)內(nèi)與裝藥和放炮無關(guān)的其他施工人員清理離場(chǎng)后再進(jìn)行裝藥作業(yè)。

(3)炸藥、雷管、起爆體應(yīng)在清場(chǎng)完成后及時(shí)送到裝藥現(xiàn)場(chǎng)，以減少高溫對(duì)炸藥、雷管、起爆體的影響。

(4)裝藥前應(yīng)測(cè)定工作面與炮孔內(nèi)的溫度，炮孔內(nèi)的溫度不應(yīng)高于炸藥安全使用溫度，裝藥前應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)，用低溫水沖洗炮孔，采取齊頭噴霧水降溫。

(5)裝藥時(shí)，應(yīng)多派熟練的炮工進(jìn)行裝藥，根據(jù)掌子面大小、炮孔的多少安排4～7人同時(shí)裝藥，每位炮工應(yīng)分片裝藥，應(yīng)從易裝炮孔到難裝炮孔的順序進(jìn)行，按先裝低溫孔，再到高溫孔的裝藥順序?qū)嵤?/p>

(6)全部炮孔裝藥完成后，應(yīng)用最短的時(shí)間堵塞炮孔，堵塞材料用泥土加沙做成泥條堵塞炮孔，嚴(yán)禁使用含硫化物的巖粉作炮孔堵塞材料。

(7)當(dāng)炮孔內(nèi)溫度為60℃ ～80℃時(shí)，應(yīng)對(duì)炸藥進(jìn)行保護(hù)，用石棉織物將炸藥包裹完好，使炸藥不與炮孔巖壁接觸，從向炮孔內(nèi)裝藥至起爆的相隔時(shí)間不應(yīng)超過1 h。

(8)在裝藥過程中，應(yīng)安排專人全程監(jiān)護(hù)，發(fā)現(xiàn)炮孔內(nèi)逸出棕色濃煙等異常現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)立即報(bào)告爆破現(xiàn)場(chǎng)指揮人員，并迅速組織現(xiàn)場(chǎng)施工人員撤離。

(9)當(dāng)炮孔內(nèi)的溫度為80℃ ～140℃時(shí)，應(yīng)采用石棉織物或其它絕熱材料把炸藥條嚴(yán)密包裝好，這時(shí)，炮孔內(nèi)起爆體不準(zhǔn)裝雷管，可采用防熱處理的黑索金導(dǎo)爆索起爆，裝藥至起爆的間隔時(shí)間應(yīng)經(jīng)過模擬試驗(yàn)確定。

(10)孔內(nèi)溫度超過140℃時(shí)，所有爆破器材應(yīng)采用耐高溫爆破器材。

5 綜合降溫措施

針對(duì)高地溫、高溫?zé)崴炊?隧洞內(nèi)出露的溫泉水溫達(dá)到78℃、巖石表面溫度為60℃ ～72℃、炮孔溫度為62℃ ～75℃、爆破后環(huán)境溫度為50℃)的實(shí)際情況，為改善隧洞內(nèi)惡劣的施工條件、確保施工人員身體健康和勞動(dòng)安全，隧洞開挖作業(yè)面的溫度不宜超過28℃，隧洞內(nèi)最適于施工人員作業(yè)的溫度是15℃ ～20℃。所以，在高地溫、高溫?zé)崴矶词┕ぶ校仨毑捎枚喾N綜合技術(shù)措施進(jìn)行降溫，加強(qiáng)通冷風(fēng)、增加冷水摻入量、加強(qiáng)抽排水、加強(qiáng)齊頭20 m冷水噴霧等綜合措施。

(1)加強(qiáng)洞內(nèi)抽排水:為減弱熱水蒸發(fā)面積、使洞內(nèi)氣溫和蒸氣飽和度充分的減小，縮短熱水在洞內(nèi)與空氣中進(jìn)行熱交換的時(shí)間，有利于降低洞內(nèi)環(huán)境溫度。應(yīng)根據(jù)洞內(nèi)滲水量的大小配備抽水設(shè)備，把洞內(nèi)熱水及時(shí)有效的抽到洞外，并應(yīng)配備備用抽水泵。

(2)加強(qiáng)通風(fēng):通風(fēng)是降低洞內(nèi)環(huán)境溫度、抽出洞內(nèi)有害煙塵、改善洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境最重要的方法。在隧洞高地溫環(huán)境下，采用常規(guī)的壓入式通風(fēng)難以達(dá)到降低洞內(nèi)環(huán)境溫度的作用，采用混合通風(fēng)方式，一臺(tái)風(fēng)機(jī)壓入、一臺(tái)風(fēng)機(jī)抽出，可以有效加強(qiáng)洞內(nèi)空氣對(duì)流，抽出風(fēng)桶的出口應(yīng)離壓入風(fēng)機(jī)入口30 m遠(yuǎn)，避免風(fēng)機(jī)把排出的熱空氣再次壓入到洞內(nèi)。采用混合通風(fēng)方式，加快洞內(nèi)空氣循環(huán)，減少洞內(nèi)熱氣散發(fā)和蒸氣濃度。如果洞內(nèi)環(huán)境溫度較高，輸入空氣經(jīng)降溫后再壓入到隧洞中才能達(dá)到降溫的目的。

(3)注入冷水降溫:在洞內(nèi)高溫?zé)崴雎饵c(diǎn)開挖集水坑，讓高溫?zé)崴性诳觾?nèi)進(jìn)行抽排，同時(shí)，從洞外抽冷水摻入到高溫?zé)崴刂羞M(jìn)行降溫，以達(dá)到洞內(nèi)熱水的部分熱量被冷水吸收的目的，減少熱水散發(fā)在洞內(nèi)空氣中的熱量，有利于降低洞內(nèi)環(huán)境溫度，水泵抽水容量應(yīng)根據(jù)洞內(nèi)高溫?zé)崴挠砍隽看笮∵M(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

(4)噴霧降溫:把洞外冷水管接入洞內(nèi)后，對(duì)高溫?zé)崴髁枯^集中的洞段，從冷水管上接支管和噴霧噴頭向洞內(nèi)噴射冷水霧幕，通過水霧冷卻洞內(nèi)巖面，冷水霧和洞內(nèi)熱空氣混合，也同樣可以較好的降低洞內(nèi)溫度，同時(shí)達(dá)到降低粉塵濃度、改善施工作業(yè)環(huán)境的作用。

(5)冷凍設(shè)備降溫:在高溫洞內(nèi)施工，有條件的業(yè)主和施工單位可以采用機(jī)械降溫的方式。冷凍設(shè)備能使水結(jié)冰，溫度降到－10℃以下。使用該設(shè)備將增大投入，加大工程造價(jià)，一般情況下不采用。

(6)合理安排高溫作業(yè)時(shí)間:由于高地溫、高溫?zé)崴奶攸c(diǎn)而使施工人員體力消耗大、勞動(dòng)效率低，施工中采取2 h換班1次的工作制度，每天6個(gè)班交替循環(huán)作業(yè)，以降低施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(7)炸藥保護(hù)方法:爆破采用定型隔熱藥卷，把炸藥裝入特制的聚乙烯管內(nèi)，藥管孔底用潮濕粘土封堵10 cm，藥包裝置到聚乙烯管后，再用潮濕粘土封堵35 cm，然后在聚乙烯管外包裹一層隔熱層。藥包加工制作應(yīng)由專職熟練的炮工在安全地點(diǎn)進(jìn)行。

(8)當(dāng)隧洞掌子面全部鉆孔成孔后繼續(xù)用水進(jìn)行循環(huán)降溫，并測(cè)試巖體鉆孔孔內(nèi)溫度是否在35℃以內(nèi)。當(dāng)滿足雷管安全存放的溫度條件、裝藥準(zhǔn)備工作就緒后，由熟練的炮工快速進(jìn)行炮孔裝藥，總裝藥時(shí)間原則上不宜太長。

6 結(jié)語

隧洞在高地溫、高溫?zé)崴畻l件下施工時(shí)，從多角度、多方法采用綜合降溫措施是有效的、切實(shí)可行的方法，特別是在斷面較小的隧洞施工中，在采用復(fù)雜的設(shè)備降溫困難的情況下，綜合降溫措施在技術(shù)可靠方面有其優(yōu)越性。但應(yīng)注意以下幾點(diǎn)要求:

(1)在高地溫、高溫?zé)崴矶炊蔚拈_挖中，必須制定嚴(yán)格的爆破措施及相應(yīng)的應(yīng)急救援預(yù)案和爆破操作規(guī)程等方面的管理制度。特別是在高地溫洞段的施工環(huán)境及實(shí)施爆破作業(yè)十分危險(xiǎn)，須經(jīng)常對(duì)施工人員進(jìn)行安全教育，要求施工人員嚴(yán)格按措施作業(yè)，裝藥現(xiàn)場(chǎng)雷管隔熱是關(guān)鍵，其次是炸藥量控制上要嚴(yán)謹(jǐn)，爆破人員必須了解和掌握不同炸藥對(duì)溫度的要求，確保施工安全。

(2)高地溫洞段施工的速度緩慢，人工、機(jī)械效率低，施工成本較高，每循環(huán)進(jìn)尺所需時(shí)間增大，在每循環(huán)施工過程中，采取每隔2 h換班作業(yè)工作制，以降低施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(3)在高地溫洞段施工時(shí)需安排專人對(duì)洞內(nèi)的環(huán)境溫度和巖體表面溫度及鉆孔后的孔內(nèi)溫度進(jìn)行測(cè)定，并分析原始的溫度變化情況，而技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)溫度變化及時(shí)采取相應(yīng)的降溫措施。

(4)根據(jù)所收集到的資料看:所出現(xiàn)的高地溫、高溫?zé)崴墓こ潭嫉靥幐咴?。在高原從事施工作業(yè)，存在缺氧的氣候條件，再加上地質(zhì)條件上的高地溫、高溫?zé)崴?，使施工作業(yè)環(huán)境異常艱苦。因此，在高原上進(jìn)行高地溫、高溫?zé)崴炊蔚氖┕?，需選用體質(zhì)好的作業(yè)人員從事洞內(nèi)施工作業(yè)，對(duì)有高血壓、心臟病、體質(zhì)較弱人員應(yīng)嚴(yán)禁進(jìn)洞作業(yè)。