高地溫隧道修建關(guān)鍵技術(shù)研究

李國良，程　磊，王　飛

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安　710043)

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高地溫隧道修建關(guān)鍵技術(shù)研究

李國良，程磊，王飛

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安710043)

摘要：隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施的不斷增多，高地溫地區(qū)修建隧道逐漸成為工程界遇到的新難題。依托拉日鐵路，提出高地溫地區(qū)隧道選線原則和隧道施工降溫除濕等系列技術(shù)；通過XRD衍射和SEM試驗(yàn)，探明特高地溫隧道模擬養(yǎng)護(hù)條件下混凝土抗氯離子滲透性能和抗碳化性能低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的原因；通過高地溫隧道溫度場和結(jié)構(gòu)影響規(guī)律研究，因地制宜提出高地溫隧道合理有效的施工組織模式；制定合適的隧道支護(hù)體系、混凝土配合比及襯砌結(jié)構(gòu)防裂措施，同時(shí)提出保溫隔熱層、襯砌內(nèi)置冷卻管、耐熱型復(fù)合防水板及新型防水材料等隧道隔熱防水措施。

關(guān)鍵詞：高地溫； 鐵路隧道； 修建技術(shù)； 隔熱材料； 支護(hù)體系

1概述

拉薩至日喀則鐵路位于青藏高原西南部，線路起于青藏鐵路拉薩車站，沿拉薩河南岸而下進(jìn)入雅魯藏布江峽谷區(qū)，順年楚河抵達(dá)日喀則市。線路全長253 km，為單線鐵路，全線設(shè)29座隧道，總長72.4 km，其中地?zé)岙惓６温涔采婕八淼?座，分布在雅江峽谷區(qū)內(nèi)[1]，總長40.9 km。

2地?zé)岬刭|(zhì)特征

拉日鐵路位于藏南高溫水熱活動(dòng)區(qū)，即那曲—當(dāng)雄(羊八井)—尼木水熱活動(dòng)帶的南部[2]。該地?zé)釒c線路走向基本為大角度相交，線路無法繞避[3]。

本段地質(zhì)以閃長巖為主，巖質(zhì)堅(jiān)硬，峽谷區(qū)構(gòu)造發(fā)育，發(fā)育有多條大斷裂。高地溫是本段最主要的工程地質(zhì)問題，沿線的水熱顯示有溫泉、溫?zé)崛?、熱泉、泉華等類型。帕當(dāng)山隧道雅江邊熱泉溫度達(dá)77 ℃，吉沃希嘎隧道深孔測溫達(dá)60 ℃，達(dá)噶山隧道江邊熱泉溫度30～80 ℃，泉水流量10～40 m3/d[4]。

高地溫對(duì)隧道工程的不利影響主要表現(xiàn)在：惡化施工作業(yè)環(huán)境，降低勞動(dòng)生產(chǎn)效率，威脅作業(yè)人員健康和安全；需研究適應(yīng)高地溫條件的混凝土配合比及防排水材料；高地溫產(chǎn)生的附加溫度應(yīng)力會(huì)引起隧道初期支護(hù)及二次襯砌開裂，影響結(jié)構(gòu)安全和耐久性等[5]。

3高地溫隧道線路方案優(yōu)化

根據(jù)高地溫選線原則：線路在考慮繞避不良地質(zhì)的基礎(chǔ)上，線位盡量靠近雅江；縱斷面選擇時(shí)拔高線路高程，置隧道于地下熱水排泄基準(zhǔn)面之上，避開循環(huán)熱水對(duì)隧道工程的影響，降低安全風(fēng)險(xiǎn)(圖1)。選擇典型隧道分述如下。

圖1　雅江地下熱水循環(huán)示意

3.1甫當(dāng)隧道

勘察發(fā)現(xiàn)隧道出口端靠江邊有一處44 ℃溫泉水出露。原方案線路順直，但離雅江江邊較遠(yuǎn)，隧道埋深大，遇到高地(水)溫的概率高，風(fēng)險(xiǎn)較大；為此，將線路平面位置向雅江邊靠近約300 m，并適當(dāng)抬高線路高程，后經(jīng)施工驗(yàn)證，未出現(xiàn)45 ℃以上的高巖(水)溫。

3.2帕當(dāng)山隧道

勘察發(fā)現(xiàn)隧道雅江邊熱泉溫度達(dá)77 ℃。線位受雅江江邊地?zé)釡厝芭廉?dāng)山錯(cuò)落控制，優(yōu)化后將線路平面位置向雅江江邊靠近約250 m，后經(jīng)施工驗(yàn)證，未出現(xiàn)45 ℃以上的高巖(水)溫。

3.3吉沃希嘎隧道

勘察發(fā)現(xiàn)隧道進(jìn)口地溫達(dá)65 ℃，將線路向雅江邊移動(dòng)240 m，實(shí)際隧道施工中最高巖溫為55 ℃，未出現(xiàn)地下熱水[6]。隧道進(jìn)口地溫曲線如圖2所示。

圖2　吉沃希嘎隧道進(jìn)口地溫曲線

4高地溫隧道施工降溫除濕技術(shù)

根據(jù)拉日線所經(jīng)地區(qū)地?zé)?地溫)賦存狀態(tài)，前期按水熱型(蒸汽型、熱水型)、干熱巖型進(jìn)行預(yù)案設(shè)計(jì)。水熱型地?zé)岵捎冕∧蛔{、局部徑向注漿、疏流排水等措施，防止大量熱量傳遞進(jìn)入洞內(nèi)，并采用加強(qiáng)通風(fēng)、隔熱、冷水(冰塊)降溫等方式進(jìn)行降溫；對(duì)干熱巖型地?zé)峥紤]采用加強(qiáng)通風(fēng)、灑水噴霧、冷水(冰塊)降溫、機(jī)械制冷降溫等技術(shù)。由于線位優(yōu)化，施工中以干熱巖型地?zé)犷愋蜑橹?，主要技術(shù)措施如下。

4.1設(shè)置適宜的輔助坑道

利用峽谷區(qū)地形條件，結(jié)合地?zé)崽幚?，在存在地?zé)岬乃淼纼?nèi)盡量選取橫洞作為輔助坑道施工，將地?zé)崴淼绖澐譃槿舾啥?，以利地?zé)崽幚砗徒档褪┕るy度。峽谷區(qū)地?zé)崴淼谰釉O(shè)橫洞(斜井)，工區(qū)長度一般小于2 000 m。

4.2通風(fēng)降溫

根據(jù)雅江峽谷區(qū)氣象資料，隧道區(qū)年平均氣溫6.7～6.9 ℃，最熱月平均氣溫14.6～15.0 ℃，最冷月平均氣溫-3.5～-2.9 ℃，全年內(nèi)大多數(shù)時(shí)間，大氣氣溫可以滿足降溫通風(fēng)要求。

施工采用壓入式通風(fēng)方式，地?zé)崴淼腊醇哟箫L(fēng)機(jī)供風(fēng)量設(shè)計(jì)，采用軸流風(fēng)機(jī)增大送風(fēng)量、射流風(fēng)機(jī)提高風(fēng)速的方式，以提高巷道風(fēng)速，將巖體放出的熱量盡快排出洞外，降低環(huán)境溫度。

4.3利用雅江水(冰)降溫

雅江水溫半年時(shí)間不超過12 ℃，全年不超過17 ℃，是天然的冷源。高地?zé)?地溫)隧道均沿雅江兩岸行進(jìn)，洞口及輔助坑道口靠近雅江。部分高巖溫工區(qū)采用抽取低溫雅江水向洞內(nèi)噴(灑)水方式降溫，效果良好。

4.4其他措施

利用隧道內(nèi)洞室設(shè)置降溫、供氧室，放置降溫冰塊；使用隔熱服等個(gè)人防護(hù)用品，施工組織上合理安排高溫作業(yè)時(shí)間等。

5高地溫隧道結(jié)構(gòu)體系研究

5.1高巖溫對(duì)隧道溫度場、結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律

對(duì)高巖溫隧道開挖溫度場研究，力學(xué)分析時(shí)圍巖采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，初期支護(hù)采用各向同性線彈性模型，熱分析本構(gòu)模型為各向均質(zhì)熱力學(xué)模型[7]。

圍巖初始溫度場的溫度越高，開挖對(duì)圍巖溫度場的影響范圍越大。隧道拱頂上方圍巖溫度的影響范圍最大，(3.0～3.5)D(D為洞徑)，邊墻兩側(cè)和仰拱下方圍巖的影響范圍較小(2.0～3.0)D。隨著開挖進(jìn)行，隧道周邊圍巖溫度降低，內(nèi)表面溫度逐漸接近洞內(nèi)溫度。如圖3所示。

5.2高地溫條件下防水材料選擇

通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，當(dāng)巖溫升高，EVA防水板和止水帶的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均降低；巖溫在50 ℃以下可采用EVA防水板；50 ℃以上應(yīng)采用耐熱型復(fù)合防水板，推薦HXHC耐高溫、耐腐蝕防水材料。防水板性能試驗(yàn)參數(shù)見表1。

圖3　隧道拱頂圍巖溫度隨開挖時(shí)間變化曲線

表1　防水板在55 ℃、50 ℃下的性能試驗(yàn)參數(shù)

5.3隔熱材料選擇

普通噴射混凝土初期支護(hù)適用于圍巖溫度45 ℃以下；普通素混凝土的二次襯砌適用于圍巖溫度60 ℃以下。當(dāng)圍巖溫度在80 ℃以上時(shí)，環(huán)境溫度對(duì)初期支護(hù)和二次襯砌的強(qiáng)度及耐久性影響較大，屬特高地溫隧道，此時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)可考慮設(shè)置隔熱層。

通過試驗(yàn)比選，硅酸鹽復(fù)合隔熱材料和硬質(zhì)聚氨酯隔熱材料均具備隔熱性能優(yōu)良、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高、耐酸耐堿、施工便利等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)隧道工程，硬質(zhì)聚氨酯隔熱材料能發(fā)揮出更好的隔熱效果[8]。

5.4高溫低濕條件下襯砌混凝土研究

5.4.1高地溫對(duì)襯砌混凝土力學(xué)性能和耐久性能的影響規(guī)律

峽谷區(qū)隧道施工環(huán)境中相對(duì)濕度在35%～60%，實(shí)驗(yàn)室模擬現(xiàn)場環(huán)境，對(duì)不同配合比的混凝土力學(xué)性能、耐久性能和微觀機(jī)理開展研究，結(jié)論如下。

(1)對(duì)于特高巖溫隧道，普通或摻礦物摻和料的噴射混凝土早期抗壓強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度，但最終抗壓強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度。

(2)摻聚丙烯纖維的噴射混凝土：在巖溫60 ℃時(shí)，抗壓和抗拉強(qiáng)度都有提高；在巖溫80 ℃時(shí)，抗壓和抗拉強(qiáng)度都有降低。

(3)普通混凝土、摻粉煤灰混凝土、摻礦渣粉混凝土、復(fù)摻礦渣粉煤灰襯砌混凝土隨巖溫升高早期強(qiáng)度提高，后期強(qiáng)度降低；巖溫越高，早期強(qiáng)度提高的越多，后期強(qiáng)度下降越大。巖溫達(dá)80 ℃后，摻粉煤灰混凝土各齡期的抗壓強(qiáng)度均高于摻礦渣粉混凝土[9]。如圖4、圖5所示。

圖4　不同養(yǎng)護(hù)條件下噴射混凝土強(qiáng)度曲線

(4)高巖溫(80 ℃)環(huán)境下，隨著養(yǎng)護(hù)濕度的增加，襯砌混凝土各個(gè)齡期的抗壓強(qiáng)度也隨之增加。

(5)在高溫養(yǎng)護(hù)階段，濕度不變時(shí)，混凝土抗氯離子滲透性隨溫度升高而下降；在巖溫80 ℃時(shí)，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)制度，單摻粉煤灰的混凝土抗氯離子滲透性能下降幅度最小。在巖溫不變的條件下，混凝土抗氯離子滲透性能隨養(yǎng)護(hù)濕度的升高而增強(qiáng)。

圖5　50 ℃各種混凝土抗壓強(qiáng)度曲線

(6)混凝土抗碳化性能均隨著溫度的升高而降低，普通混凝土隨溫度升高其抗碳化性能降低幅度最大；混凝土抗碳化性能隨著養(yǎng)護(hù)濕度的升高而增強(qiáng)，普通混凝土隨濕度的升高抗碳化性能增長幅度最大；當(dāng)特高巖溫低于80 ℃時(shí)，單摻礦渣粉的混凝土抗碳化性能均高于單摻粉煤灰的混凝土；當(dāng)巖溫為80 ℃時(shí)，單摻粉煤灰的混凝土抗碳化性能高于單摻礦渣粉的混凝土，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的混凝土，單摻粉煤灰的混凝土抗碳化性能降低幅度最小[10]。

(7)通過XRD衍射和SEM試驗(yàn)，粉煤灰和礦渣粉的火山灰活性隨著高溫養(yǎng)護(hù)溫度的升高而增強(qiáng)，高溫養(yǎng)護(hù)溫度升高促進(jìn)了二次水化反應(yīng)的進(jìn)程，水化產(chǎn)物CH在粉煤灰和礦渣粉二次水化反應(yīng)過程中被消耗；在高溫養(yǎng)護(hù)階段，水分蒸發(fā)阻礙整個(gè)膠凝材料系統(tǒng)的充分水化，轉(zhuǎn)入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后礦物摻和料二次水化反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行[11]。

在高溫養(yǎng)護(hù)階段，水泥水化速率加快，水化產(chǎn)物分布不均，水分蒸發(fā)過快，使膠凝材料硬化漿體結(jié)構(gòu)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)更為疏松，這是特高巖溫隧道模擬養(yǎng)護(hù)條件下混凝土抗氯離子滲透性能和抗碳化性能低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的原因之一[12]。圖6為50%RH條件下純水泥混凝土凈漿XRD圖譜。

圖6　50%RH條件下純水泥混凝土凈漿XRD圖譜

5.4.2高巖溫隧道二次襯砌混凝土配合比

(1)水泥應(yīng)選擇粉煤灰硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥。

(2)摻和料優(yōu)先選擇粉煤灰(25%)，以單摻粉煤灰混凝土的配合比作為施工配合比。

(3)高巖溫(80 ℃以上)環(huán)境隧道襯砌混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)提高一個(gè)強(qiáng)度等級(jí)[13]。

5.4.3高巖溫隧道二次襯砌混凝土養(yǎng)護(hù)條件

混凝土澆筑以后，在終凝前應(yīng)對(duì)混凝土進(jìn)行覆膜養(yǎng)護(hù)；終凝以后，要加強(qiáng)保濕養(yǎng)護(hù)，延長灑水養(yǎng)護(hù)至28 d，同時(shí)加強(qiáng)通風(fēng)。現(xiàn)場施工時(shí)不方便采取覆膜養(yǎng)護(hù)工藝的，澆筑后可以在混凝土表面涂敷水玻璃型養(yǎng)護(hù)劑進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

5.5高地溫隧道支護(hù)體系

在高溫的巖體或噴混凝土上澆筑二次襯砌混凝土?xí)r，即使厚度再薄，水化熱也不易逸出。由于混凝土內(nèi)外表面的溫差，在早齡期有可能存在裂縫。襯砌結(jié)構(gòu)長期在高溫條件下時(shí)，混凝土自身受到熱侵蝕作用，自身強(qiáng)度會(huì)降低，另外由于混凝土內(nèi)外表面的溫度差異，將導(dǎo)致低齡混凝土開裂。

(1)初期支護(hù)安全性由噴射混凝土抗拉強(qiáng)度控制。當(dāng)圍巖溫度大于48 ℃時(shí)，初期支護(hù)最大主應(yīng)力大于噴射混凝土極限抗拉強(qiáng)度，當(dāng)圍巖初始溫度為48～60 ℃時(shí)，普通C25噴射混凝土將發(fā)生受拉開裂。

(2)隨著巖溫升高，隧道二次襯砌安全系數(shù)呈下降趨勢(shì)。普通混凝土襯砌在巖溫高于60 ℃時(shí)將開始出現(xiàn)破壞，二次襯砌需要配筋加強(qiáng)[14]。

地溫與初期支護(hù)應(yīng)力關(guān)系曲線見圖7 ，開挖與初期支護(hù)溫度關(guān)系見圖8。

圖7　地溫與初期支護(hù)應(yīng)力關(guān)系

圖8　開挖與初期支護(hù)溫度關(guān)系

通過研究，提出高地溫隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)體系如表2所示。

表2　高地溫隧道結(jié)構(gòu)支護(hù)體系

對(duì)80 ℃以上特高巖溫隧道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

(1)設(shè)置保溫隔熱層。減緩地?zé)嵯蛩淼纼?nèi)的輻射傳遞，降低混凝土入模溫度，確保溫度差小于15 ℃，采用“圍巖+隔熱層+初期支護(hù)+二次襯砌”組合支護(hù)系統(tǒng)。

(2)二次襯砌埋置冷卻管。混凝土水化熱將冷卻管流動(dòng)的水加熱，通過水循環(huán)釋放混凝土內(nèi)部熱量，減輕溫度應(yīng)力引起的襯砌開裂[15]。

5.6襯砌結(jié)構(gòu)防裂主要措施

(1)縮短混凝土襯砌一次澆筑長度，確保不大于6.0 m。

(2)在混凝土中混入降低干燥收縮的材料。

(3)二次襯砌內(nèi)表面布設(shè)鋼筋網(wǎng)。

(4)設(shè)置開裂誘導(dǎo)縫(在襯砌45°拱肩處縱向設(shè)2條縫)。

6結(jié)論

拉日鐵路于2014年8月建成通車。施工實(shí)踐證明，前期選線原則正確，線位優(yōu)化合理，各項(xiàng)施工降溫除濕措施得當(dāng)；開通后經(jīng)現(xiàn)場測試和運(yùn)營驗(yàn)證，全線高地溫隧道結(jié)構(gòu)正常，安全可靠，同時(shí)經(jīng)受住了2015年4月尼泊爾大地震的考驗(yàn)。主要研究結(jié)論如下。

(1)對(duì)高地溫隧道而言，勘察時(shí)應(yīng)查明區(qū)域地溫分布規(guī)律，選擇相對(duì)低溫區(qū)域通過，條件允許時(shí)可向雅江靠近，同時(shí)選擇合理的線位高程，繞避儲(chǔ)水構(gòu)造。

(2)混凝土抗碳化性能均隨著溫度的升高而降低，隨著養(yǎng)護(hù)濕度的升高而增強(qiáng)；特高巖溫隧道模擬養(yǎng)護(hù)條件下混凝土抗氯離子滲透性能和抗碳化性能低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

(3)地?zé)崴淼佬杓哟箫L(fēng)機(jī)供風(fēng)量。施工中采用壓入式通風(fēng)，提高巷道風(fēng)速，盡快排出洞內(nèi)巖體熱量；因地制宜向洞內(nèi)噴灑低溫雅江水，必要時(shí)洞內(nèi)放置冰塊，合理安排高溫作業(yè)時(shí)間，均可有效降低洞內(nèi)環(huán)境的溫度和濕度。

(4)巖溫在50 ℃以下采用EVA防水板；50 ℃以上采用耐熱型復(fù)合防水板，推薦HXHC耐高溫、耐腐蝕防水材料。

(5)高巖溫隧道襯砌混凝土優(yōu)選摻和粉煤灰(25%)。巖溫60 ℃以上時(shí)，襯砌配筋加強(qiáng)；巖溫80 ℃以上時(shí)，襯砌混凝土強(qiáng)度提高一個(gè)等級(jí)，在初期支護(hù)外側(cè)設(shè)保溫隔熱層，二次襯砌內(nèi)部埋置冷卻管，同時(shí)嚴(yán)格控制襯砌一次澆筑長度，以減輕開裂。

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收稿日期：2015-09-30； 修回日期：2015-11-29

基金項(xiàng)目：鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2011G027-B)；中國鐵道建筑總公司科技研究計(jì)劃課題(2011-02A)

作者簡介：李國良(1966—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，陜西省勘察設(shè)計(jì)大師，1990年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)鐵道工程專業(yè)。

文章編號(hào)：1004-2954(2016)06-0055-05

中圖分類號(hào)：U452.2+7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.012

Study on key Technology for Construction of High Ground Temperature Tunnel

LI Guo-liang，CHENG Lei，WANG Fei

(China Railway First Survey & Design Institute Group Co.，Ltd.，Xi’an 710043，China)

Abstract：With the increasing of transportation infrastructure in our country，Tunneling in high ground temperature area gradually is becoming a new challenge to the engineering industry. This paper，with reference to Lhasa-Shigatse Railway，puts forward tunnel line selection principles with respect to high ground temperature tunnel construction cooling and dehumidification in high ground temperature area. Through XRD diffraction and SEM test，the reason why the concrete anti-chloridion infiltration and anti-carbide performance are lower than that of standard maintenance in the case of simulated curing condition in special high rock temperature tunnel. Through the research of high ground temperature tunnel temperature field and structure influence law，measures suitable for local conditions and effective construction program are put forward. Formulate suitable for tunnel supporting system，and concrete mix ratio and lining structure anti cracking measures are proposed. Meanwhile，tunnel heat insulation and waterproof measures are recommended such as thermal insulation layer，built-in lining cooling tube，heat resistant composite waterproof board and new waterproof material．

Key words：High ground temperature; Railway tunnel; Construction technology; Heat insulation material; Supporting system