地?zé)釋?duì)地下鐵路隧道的影響及降溫處理措施

孫海防

(中鐵十八局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，天津 300308)

在進(jìn)行地下鐵路隧道施工中經(jīng)常會(huì)遇到地?zé)嵛：?，這是因?yàn)楹芏嗟叵妈F路隧道都需要穿越堅(jiān)硬的巖石，如灰?guī)r、板巖等，這些巖石中存在地?zé)崽荻龋偌由蠠釋?dǎo)率低，傳熱性能差，容易聚集熱能。地下鐵路隧道的埋深越大，地?zé)釡囟纫苍酱螅嬖诘奈：σ苍酱?。一旦地?zé)岬臏囟瘸^38 ℃，機(jī)械設(shè)備、施工人員就基本無法正常工作，需要采取有效的降溫措施。早期多采用機(jī)械降溫和通風(fēng)降溫結(jié)合的方法，效果一般，而且成本比較高，亟須探尋一種更加高效、更加安全、更加低成本的降溫處理方法。基于此，開展地?zé)釋?duì)地下鐵路隧道的影響及降溫處理要點(diǎn)的分析研究就顯得尤為必要。

1 工程概述

高黎貢山隧道1#斜井，設(shè)計(jì)線路總長度為5.6 km，地質(zhì)條件復(fù)雜，影響施工質(zhì)量和安全的因素比較多，尤其是地?zé)岬挠绊懛浅４?，其中平?dǎo)施工的長度為4.48 km，主井的長度為0.38 km，坡度為7.48%，副井的長度為0.74 km，坡度為7.44%，斜井與線路大里程方向夾角為78°38′30＂。根據(jù)D1K209+571高黎貢山隧道1#斜井變更設(shè)計(jì)圖，1#斜井于XJZK0+000～XJ1ZK1+280段預(yù)測存在輕微熱害，巖溫超過28 ℃。

2 地?zé)釋?duì)隧道施工造成的不良影響

地?zé)崾怯绊懙叵鹿こ淌┕べ|(zhì)量的主要因素之一。地?zé)岬膩碓词嵌喾矫娴?。在案例工程施工中，地?zé)嶂饕晒こ痰刭|(zhì)和水文地質(zhì)引起。

2.1 圍巖散熱

在地下鐵路隧道施工中圍巖的溫度會(huì)隨著埋設(shè)的增加而提高，升溫主要來源是地心徑向外的熱量。原始的圍巖溫度上升速度主要和巖石的導(dǎo)熱系數(shù)以及大地?zé)崃髦涤嘘P(guān)。圍巖向施工隧道中散熱有兩個(gè)途徑，其一是借助熱傳導(dǎo)從巖體深處向隧道內(nèi)部進(jìn)行傳熱，其二是通過裂隙水借助對(duì)流進(jìn)行傳熱[1]，而圍巖和風(fēng)流向之間的傳熱是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。隧道完成之后，傳熱就隨之開展，隨著施工時(shí)間的增加，圍巖的冷卻面積也隨之加大，向風(fēng)傳遞的熱量則會(huì)減少。圍巖和風(fēng)流向的傳熱量計(jì)算公式為

Qr=KτUL(trm-t)

(1)

式(1)中：Qr為隧道圍巖傳熱量,kW；Kτ為圍巖和風(fēng)流間之間的不穩(wěn)定換熱系數(shù),W/(m2·℃)；U為隧道施工的周長,m；L為隧道的長度,m；trm為平均原始巖溫度,℃；t為隧道施工中平均的風(fēng)溫,℃。

2.2 隧道內(nèi)部熱水散熱

高黎貢山隧道1號(hào)斜井正好處于溫泉活躍區(qū)，正常情況下，涌水的溫度可達(dá)到50 ℃。地?zé)岢龂鷰r放熱之外，涌水溫度也是導(dǎo)致隧道內(nèi)部溫度升高的主要原因之一。熱水和風(fēng)流之間的熱交換量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于風(fēng)流和巖體之間的熱交換量。熱水和風(fēng)流換熱之間存在兩種形式，一種是顯熱交換，另一種是潛熱交換。其中前者會(huì)引起風(fēng)流溫度發(fā)生變化，而后者則會(huì)提升隧道內(nèi)部空氣的濕度，熱水散熱量的計(jì)算公式為

Qw=αF(tb-tB) +βFkB(pw-pB)

(2)

式(2)中：Qw為熱水散熱量,kW；α為水面的放熱系數(shù),W/(m2·℃)；F為水的散熱面積,；tb為水溫，℃；tB為空氣氣溫，℃；β為潛熱交換系數(shù),J/(s·N)；kB為氣壓修正系數(shù)；pw為水面溫度的空氣氣壓,Pa；pB表示空氣中水蒸氣分氣壓,Pa。

2.3 機(jī)械設(shè)備放熱

機(jī)械設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)中也會(huì)釋放出一定的熱量，從而引起隧道內(nèi)部溫度上升[2]。機(jī)械設(shè)備放熱量的計(jì)算公式為

Qe= (1-ηt)ηmN

(3)

式(3)中：Qe為機(jī)械設(shè)備運(yùn)行的放熱量,kW；ηt為機(jī)械設(shè)備的機(jī)械效率,%；ηm為電動(dòng)機(jī)的綜合效率,%；N為電動(dòng)機(jī)的額定功率,kW。

地?zé)釋?duì)隧道施工造成的不良影響主要為以下幾個(gè)方面：

1) 地?zé)釙?huì)影響施工環(huán)境，致使地下鐵路隧道施工環(huán)境逐步惡化，降低施工效率，而且不利于保證施工人員的身心健康。

2) 地?zé)岵焕诘叵妈F路隧道施工工序的開展及止水帶、耐高溫施工材料的選取。

3) 地?zé)釙?huì)引起混凝土襯砌開裂，形成裂縫，不利于保證襯砌的穩(wěn)定性和安全性。

4) 地?zé)釙?huì)對(duì)地下鐵路隧道施工中機(jī)械設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量和效率造成影響，增加零部件磨損速度，增大故障發(fā)生的概率[3]。

5) 地?zé)徇€會(huì)導(dǎo)致地下鐵路隧道的施工用水、裂隙水快速蒸發(fā)，增加隧道內(nèi)部的空氣濕度，影響施工效率，也不利于保證施工人員的身心健康。

3 地下鐵路隧道施工中地?zé)峤禍靥幚砑夹g(shù)

3.1 降溫設(shè)計(jì)原則

在高黎貢山隧道1#斜井施工中受到地?zé)岬挠绊懕容^大，為保證施工任務(wù)能夠按時(shí)完成，采取了如下降溫設(shè)計(jì)：

1) 在高黎貢山隧道1#斜井施工降溫設(shè)計(jì)中采用了干球溫度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以28 ℃作為降溫的設(shè)計(jì)分界線。

2) 當(dāng)?shù)叵妈F路隧道施工中空氣干球溫度低于28 ℃時(shí)，不需進(jìn)行降溫處理。

3) 當(dāng)干球溫度為28～30 ℃時(shí)，在地下鐵路隧道施工人員密集的區(qū)域，如掌子面、二次襯砌等位置，需要增加局扇，加速空氣流動(dòng)的速度帶走熱量，為施工人員營造一個(gè)舒適的施工環(huán)節(jié)，且每位施工人員，每次最長的工作時(shí)間不能超過6 h[3]。

4) 當(dāng)干球溫度超過30 ℃時(shí)，必須采取強(qiáng)制性的降溫冷卻措施，以保證地下鐵路隧道施工中空氣的溫度不超過28 ℃。

3.2 通風(fēng)降溫處理技術(shù)

通風(fēng)降溫降低地?zé)崾歉呃柝暽剿淼?#斜井施工中的主要技術(shù)措施之一，具體的做法為適當(dāng)提升壓入式通風(fēng)量，或者增加射流風(fēng)機(jī)和局扇的數(shù)量。在案例工程施工中，現(xiàn)場通風(fēng)降溫設(shè)備配置情況見表1。

表1 高黎貢山隧道1#斜井施工通風(fēng)降溫設(shè)備配置表

為提升降溫速度，要采取大功率風(fēng)機(jī)代替原有小功率風(fēng)機(jī)，并用大直徑風(fēng)筒來代替小直徑風(fēng)筒，高低溫段每隔150 m布設(shè)一臺(tái)射流風(fēng)機(jī)。通過這三種方法，可為隧道內(nèi)部提供足夠的新鮮空氣，在降低隧洞內(nèi)部溫度的同時(shí)，隧道內(nèi)的污濁空氣也會(huì)隨著一起排出。沿途還能帶走隧道內(nèi)的粉塵和其他有害氣體，既能降低地?zé)釋?duì)隧道施工造成的不良影響，又能為施工人員營造一個(gè)良好的工作環(huán)境，保證施工人員身心健康。

3.3 熱水封堵降溫處理技術(shù)

高黎貢山隧道1號(hào)斜井位于溫泉附近，地?zé)崃勘容^大，僅憑通風(fēng)降溫處理技術(shù)，無法將鐵路隧道內(nèi)部的溫度降低到28 ℃以下，還需及時(shí)對(duì)出水段采用注漿封堵處理，對(duì)熱水流動(dòng)散發(fā)出的熱量進(jìn)行控制[4]。封堵注漿方法采取了徑向注漿法和局部注漿法結(jié)合的方法，取得了良好效果，徑向注漿法具體的工藝流程圖見圖1。

圖1 徑向注漿法施工示意圖

徑向注漿時(shí)封堵加固的范圍宜為開挖輪廓線之前約4 m內(nèi)，鉆孔時(shí)可采取手持式風(fēng)鉆進(jìn)行鉆孔，注漿管要選擇直徑為42 mm的無縫鋼管，呈現(xiàn)梅花布置，每個(gè)注漿孔之間的距離要控制在2.5 m，注漿壓力要控制在1.0～1.5 MPa，漿液由普通硅酸鹽水泥加水按比例配制而成。針對(duì)出水量比較大的地段，僅憑單液注漿可能無法完成堵水操作，此時(shí)可采取“水泥+水玻璃”的雙漿液進(jìn)行封堵[5]。

局部注漿也是本工程熱水封堵降溫的主要處理技術(shù)，在地下鐵路隧道施工中，如果只是個(gè)別的位置出現(xiàn)涌熱水的問題，為控制成本，提升降溫處理效率，可采取局部注漿技術(shù)。如果涌熱水的量比較小，以單水泥漿液為主[6]。如果涌熱水的量比較大，采用“水泥+水玻璃”聯(lián)合注漿，但注漿壓力需要嚴(yán)格控制，最低不應(yīng)低于1.0 MPa，最高不應(yīng)超過1.5 MPa，具體局部裂隙出水注漿示意圖見圖2，面狀出水局部注漿示意圖見圖3。如果涌熱水的壓力比較大，需要采取頂水注漿技術(shù)，先在涌熱水的施工區(qū)域布設(shè)足夠排水能力的排水設(shè)備，用直徑為108 mm的無縫鋼管，將涌出的熱水引到臨時(shí)集水坑中，再通過潛水泵抽出隧道。當(dāng)引水管安裝完成之后，及時(shí)對(duì)涌水點(diǎn)進(jìn)行壓漿固結(jié)處理，待強(qiáng)度符合要求后，進(jìn)入關(guān)水測壓試驗(yàn)，以確定靜水壓力是否符合設(shè)計(jì)要求[7]。此外，還要密切關(guān)注支護(hù)體系以及圍巖是否存在漏水問題，如有必要需及時(shí)封堵，以保證降溫處理效果，為地下鐵路隧道施工營造一個(gè)舒適、無水的施工環(huán)境。

圖2 局部裂隙出水注漿示意圖

圖3 局部面狀出水局部注漿示意圖

3.4 制冰降溫處理技術(shù)

在高黎貢山隧道1#斜井施工中共有2個(gè)掌子面，制冷負(fù)荷也需要按照2個(gè)面進(jìn)行計(jì)算，降溫部門要設(shè)置為干球溫度30 ℃。制冰降溫主要包括三個(gè)階段，其一是冰吸熱階段，其二是冰融化階段，其三是水的吸熱過程。當(dāng)?shù)叵妈F路隧道中目標(biāo)的溫度降低到干球30℃時(shí)，其隧道1#斜井井身常規(guī)降溫段加強(qiáng)通風(fēng)后，冰的制冷吸熱包含三個(gè)過程：冰的吸熱過程、冰的融化過程和水的吸熱過程。其表達(dá)式分別為

Q冰吸熱=C冰Mt1
Q冰融化=β潛M
Q水吸熱=C水Mt2

(1)

式(1)中：C冰為冰的比熱容,kJ/(kg·℃)；M為冰的質(zhì)量,kg；t1為冰的溫度,℃；β潛為冰的融化潛熱,kJ/kg；C水為水的比熱容,kJ/(kg·℃)；t2為目標(biāo)溫度,℃。

根據(jù)制冷量計(jì)算結(jié)果，當(dāng)目標(biāo)溫度為30 ℃時(shí)，1#斜井井身常規(guī)降溫段加強(qiáng)通風(fēng)后不同圍巖溫度的用冰質(zhì)量見表2。

表2 常規(guī)降溫段不同圍巖溫度時(shí)的用冰質(zhì)量

根據(jù)制冷量計(jì)算結(jié)果，當(dāng)目標(biāo)溫度為30 ℃時(shí)，1#斜井井身熱水涌出段的放熱量以涌水溫度為主要變量，巖溫的變化可忽略不計(jì)(取35 ℃)[8]，因此，加強(qiáng)通風(fēng)后不同涌水溫度的用冰質(zhì)量見表3。在冰塊位置安裝30 kW射流風(fēng)機(jī)，使空氣流通與冰塊融化速度加快，盡快交換洞內(nèi)熱空氣，以達(dá)到降溫目的。

表3 高溫涌水段不同水溫時(shí)的用冰質(zhì)量

4 高溫地段監(jiān)測

為預(yù)防洞內(nèi)地?zé)釣?zāi)害的發(fā)生，確保施工安全和結(jié)構(gòu)安全[9]，施工中當(dāng)隧道內(nèi)干球溫度大于28℃時(shí)需開展高溫現(xiàn)場監(jiān)測。

4.1 洞內(nèi)巖溫量測

巖溫測定是高溫地段施工的關(guān)鍵工序，只有準(zhǔn)確掌握巖溫，才能制定更加科學(xué)的降溫措施，保證施工效率和質(zhì)量。在案例工程施工中，選擇用熱敏電阻傳感器進(jìn)行測溫，以便實(shí)時(shí)掌握巖溫。具體的量測要點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1) 合理布設(shè)巖溫量測距離，測溫孔相互之間的距離控制在50 m，到隧道底板的距離控制在1.0～1.2 m，測溫孔盡量布置在圍巖比較完整的地段。用風(fēng)鉆鉆孔，高壓風(fēng)機(jī)清孔，孔眼要向上傾斜5°～10°，具體情況如圖4所示。2) 鉆孔的深度要控制在3 m以上，且孔徑要大于42 mm，以保證測溫的準(zhǔn)確性。

圖4 巖溫測孔布置圖

4.2 洞內(nèi)水溫量測

地下水溫量測也非常重要，為保證水溫量測準(zhǔn)確性，需要在超前預(yù)報(bào)中完成測量。在超前預(yù)報(bào)中一旦發(fā)現(xiàn)地下水，就要開始水溫測試。而對(duì)那些已經(jīng)開挖的地段，如果初期就存在滲水問題，需要及時(shí)對(duì)滲出水的溫度進(jìn)行測試。

4.3 洞內(nèi)環(huán)境溫度量測

環(huán)境溫度測試點(diǎn)主要設(shè)在出風(fēng)筒出口及掌子面附近，掌子面100 m內(nèi)測試間距為20 m，共設(shè)5個(gè)測試斷面；100～200 m內(nèi)的測試間距為50 m共2個(gè)測試斷面；200～500 m范圍內(nèi)的測試間距為100 m，共3個(gè)測試斷面；500 m以上測試間距為500 m；掌子面100 m范圍內(nèi)分工序測試，7 d測試1次；100～500 m范圍內(nèi)7 d測試1次；500 m以上15 d測試1次。洞內(nèi)環(huán)境溫度受不同的工序影響較大，因此掌子面100 m范圍內(nèi)洞內(nèi)環(huán)境溫度在各主要工序間進(jìn)行監(jiān)測記錄。

地溫測試元件要求與巖體密接，待測定元件插入后經(jīng)過24 h以上，方能進(jìn)行巖溫測試。地溫測試同時(shí)要測量測溫?cái)嗝骘L(fēng)流溫度、大氣壓力、濕度以及風(fēng)量等參數(shù)。在隧道施工期間，測試頻率一般控制在每10 d觀測1次。

5 結(jié) 語

地?zé)崾堑叵鹿こ淌┕ぶ斜容^常見的災(zāi)害之一，其對(duì)地下鐵路隧道造成的影響和地質(zhì)災(zāi)害、機(jī)械事故等有較大不同。比如，會(huì)對(duì)施工人員的身心健康和機(jī)械設(shè)備的使用性能造成影響，不利于保證施工進(jìn)度和效率。這就需要采取一些科學(xué)有效的降溫措施，來降低地?zé)嵝纬傻臏囟?。可用的降溫處理技術(shù)比較多，僅憑一種或者是兩種降溫處理技術(shù)，可能無法解決地?zé)釂栴}。而采取合理的降溫設(shè)計(jì)原則，采用通風(fēng)降溫、熱水封堵降溫、制冰降溫相互結(jié)合的方法，并做好溫度監(jiān)測，可有效降低地?zé)釋?duì)地下鐵路施工造成的不良影響，值得在類似工程中大力推廣應(yīng)用。