齊熱哈塔爾水電站引水隧洞高地溫表現(xiàn)與對策

趙國斌，程向民，孫旭寧

(1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司 勘察院，天津 300222;2.武警水電部隊 第七支隊，江西 南昌 330103)

0 引言

高地溫是深埋長隧道工程的一種地質(zhì)災(zāi)害，一般認(rèn)為當(dāng)隧洞內(nèi)氣溫達(dá)到28℃時，施工中就要采取適當(dāng)?shù)慕禍卮胧Ｈ缛鹗渴ジ襁_(dá)公路隧洞規(guī)定，洞內(nèi)氣溫達(dá)到28℃即停止掘進(jìn)，采取降溫措施。當(dāng)溫度超過35℃、濕度超過80%時，會對作業(yè)人員的健康和安全產(chǎn)生嚴(yán)重危害，使機(jī)械設(shè)備效率降低、故障增多和勞動生產(chǎn)效率下降。

由溫泉引起的高地溫問題在日本隧洞工程中較為常見。如新清水隧道，全長為13.49 km，最大埋深約1 200 m，采用鉆爆法施工，全洞有溫泉涌出的地段長約1 km，工作面氣溫一般為26～32℃，地溫為29～35℃。針對高地溫問題，隧洞施工方在可能存在高地溫的地段進(jìn)行了超前勘探，水平超前鉆孔深20 m，主要目的是探查有無溫泉。施工措施方面，在可能地段進(jìn)行化學(xué)灌漿，在高地溫洞段采用了加強(qiáng)通風(fēng)、工作面灑水等降溫措施;另外，在覆蓋層厚度不大處開挖通風(fēng)豎井，使得工作面條件得到顯著改善。由于實際揭露的高地溫隧洞工程實例較少，因此，這方面的研究表現(xiàn)的極為不足。

本文介紹了齊熱哈塔爾水電站引水隧洞施工過程中出現(xiàn)的高地溫現(xiàn)象，并簡要介紹了施工過程中采取的措施。

1 引水隧洞工程概況［1］

齊熱哈塔爾水電站位于中國新疆喀什地區(qū)，地處喀喇—昆侖山區(qū)，構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈，距工程300 km 范圍內(nèi)有發(fā)震斷裂。

引水隧洞全長15.639 km，最大埋深達(dá)1 720 m，大多數(shù)洞段圍巖為較完整的片麻狀花崗巖，地應(yīng)力高，地下水貧乏，易于熱量積聚，且不利于散失。地溫梯度一般為2～2.5℃/100 m，QZK14 孔、QZK45 孔地溫梯度顯著異常，分別達(dá)11℃/100 m 和8.1℃/100 m。另外，在隧洞附近發(fā)現(xiàn)有溫泉活動，水溫達(dá)62℃。中水北方公司勘察報告結(jié)論:圍巖溫度超過28℃洞段累計長度超過5 km，部分洞段地溫可能高達(dá)60℃左右。因此，隧洞高地溫問題非常突出。

2 引水隧洞高地溫特征

文獻(xiàn)［2］中描述了引水隧洞施工過程中的高地溫出露情況，主要表現(xiàn)為:

(1)洞壁巖體溫度高。自樁號Y7 +100 起，開挖后洞壁和掌子面溫度達(dá)到35℃，空氣溫度達(dá)到30℃。樁號Y7 +100～Y8 +000 總長900 m 洞段范圍內(nèi)溫度呈現(xiàn)出逐漸增高的趨勢，最高達(dá)到72℃。

(2)裂隙或斷層出水的水溫高。樁號Y10 +400洞段，沿裂隙滴水或線狀流水，水溫一般在45℃以上。

(3)沿裂隙或斷層帶噴蒸汽。樁號Y8 +038～Y8+110 洞段發(fā)育4 條斷層，斷層產(chǎn)狀NW320°，傾SW，傾角近直立，寬度一般在0.5～1 m 之間，與洞線走向垂直，對洞壁穩(wěn)定影響不大，但有蒸汽自斷層噴出，有一定壓力，且溫度極高，蒸汽溫度最高達(dá)到172℃，實屬罕見。

(4)空氣溫度高。巖壁溫度高的洞段，空氣溫度高于28℃，按標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程規(guī)范規(guī)定達(dá)到高地溫的限值。

3 引水隧洞高地溫的影響

洞內(nèi)溫度超過30℃時，對施工會造成極大的影響，一般包括:

(1)洞內(nèi)溫度高，濕度大，工人容易中暑，設(shè)備在高溫環(huán)境下效率降低極大，從而導(dǎo)致施工效率大大降低。

(2)掌子面巖體溫度高，最高達(dá)到92℃，在此溫度下，爆破用乳化炸藥極易融化，從而造成補(bǔ)炮現(xiàn)象頻繁;另外，在巖體溫度超過55℃時，使用普通硝銨炸藥會產(chǎn)生膨脹，導(dǎo)爆管將產(chǎn)生不可恢復(fù)變形，將出現(xiàn)啞炮或炸藥失效的情況，造成極大的安全隱患，嚴(yán)重影響開挖進(jìn)度。

(3)高溫?zé)崴膰姙R危害，在斷層高溫帶往往伴隨有地下溫泉，一旦發(fā)生大流量高溫?zé)崴瑢θ梭w和機(jī)械都將產(chǎn)生極大的危害。

(4)影響測量精度。溫度對測量儀器的影響是比較大的，在高溫情況下，濕度較大，測量儀器在放線時易產(chǎn)生誤差。

(5)影響一次支護(hù)質(zhì)量。本工程中高地溫洞段有時會發(fā)生巖爆，洞壁溫度高，因為噴混凝土是薄壁結(jié)構(gòu)，巖壁溫度過高，會將噴混凝土的水分蒸發(fā)掉，在其初凝前硬化。樁號Y7 +700 洞段出現(xiàn)了巖爆區(qū)防護(hù)采用噴射混凝土失效的現(xiàn)象。

上述分析認(rèn)為，高地溫洞段對隧洞的影響主要集中在施工過程，而對于隧洞貫通后的襯砌混凝土質(zhì)量以及運(yùn)行期冷熱循環(huán)條件下襯砌混凝土的耐久性尚需展開研究。

4 引水隧洞高地溫洞段施工措施

4.1 高地溫洞段超前地質(zhì)預(yù)報

現(xiàn)場施工揭露情況表明，高溫氣體沿小規(guī)模斷層噴出，斷層寬度在0.3～0.8 m 之間，走向與洞室走向近似垂直，因此，建議超前地質(zhì)預(yù)報應(yīng)以判斷前方巖體完整性為主要目的，采用超前水平鉆探和TSP201 系統(tǒng)探測相結(jié)合的方式進(jìn)行。

(1)超前水平鉆探:在掌子面中心進(jìn)行水平鉆探以判斷前方巖體的完整性，水平鉆孔距洞底1.5 m，最大進(jìn)尺20 m，鉆探過程中記錄鉆進(jìn)速度、是否卡鉆等現(xiàn)象。

(2)TSP201 系統(tǒng)探測:采用TSP201 系統(tǒng)預(yù)測掌子面前方的巖體完整性，預(yù)測距離100 m。

實際過程中，超前水平鉆探由于其直觀、高效，最主要的是不受洞內(nèi)高達(dá)50℃以上空氣溫度的影響，避免了TSP201 系統(tǒng)受高溫影響造成的預(yù)報誤差，因此，在本工程高地溫洞段施工過程中以超前水平鉆探的方式完成超前地質(zhì)預(yù)報。

4.2 高地溫洞段施工措施

(1)灑水降溫。在巖壁溫度低于50℃的洞段，采用向洞壁和掌子面噴灑涼水的方式使溫度有效降低，但在巖壁溫度超過50℃的洞段，涼水容易霧化，反而增加了洞內(nèi)的濕度，產(chǎn)生悶熱的感覺。

(2)加強(qiáng)通風(fēng)。通風(fēng)量的大小和風(fēng)速對使洞內(nèi)空氣溫度大幅度降低。如在樁號Y7 +800 洞段，掌子面開挖后巖壁溫度已達(dá)到72℃，空氣溫度保持在65℃，采用蓋亞風(fēng)機(jī)對洞內(nèi)加大通風(fēng)量，并增加風(fēng)速，空氣溫度基本保持在40℃左右;降低溫度的同時對洞內(nèi)空氣溫度也得到凈化，并降低了空氣濕度。

(3)冰塊降溫。本工程中采用冰塊降溫的方式起到了一定的效果，通過將冰塊放置在通風(fēng)口，使冰塊融化吸熱，并將冷空氣加速循環(huán)，使得洞內(nèi)溫度得到有效的降低，缺點(diǎn)是需要建造制冰系統(tǒng)，并保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行的費(fèi)用較高。

(4)必要時要采用耐高溫炸藥和其他火工材料，以避免因啞炮造成安全問題。

(5)對高地溫洞段加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報，采用超前地質(zhì)鉆探和物探技術(shù)驗證前方地質(zhì)條件，避免因巖體不完整而造成高溫地下水的涌出，在本工程中要注意高溫氣體的噴出。

5 小結(jié)

齊熱哈塔爾水電站引水隧洞是目前施工難度較大，高地溫問題最為嚴(yán)重的工程之一，施工中揭露的高地溫情況非常具有代表性，其以蒸汽的方式從裂隙或斷層中噴出的現(xiàn)象極為罕見。因此，對其成因及對工程的影響需進(jìn)一步研究。另外，高地溫洞段施工方法和襯砌方式也是值得探討的。本工程的高地溫現(xiàn)象為其他地下工程施工具有非常重要的指導(dǎo)意義。

［1］中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司勘察院.齊熱哈塔爾水電站初步設(shè)計階段工程地質(zhì)勘察報告［R］.天津:中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司勘察院，2011.

［2］趙國斌，程向民.齊熱哈塔爾水電站引水隧洞高地溫問題研究［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)(增刊)，2012，49:264－265.