艱險山區(qū)高地溫長大隧道熱害處治措施研究

高鵬興GAO Peng-xing；段曉彬DUAN Xiao-bin；何佳銀HE Jia-yin；鄭勇ZHENG Yong；陳俊武CHEN Jun-wu；沈劍卿SHEN Jian-qing

（①云南省交通規(guī)劃設計研究院有限公司，昆明 650011；②云南交投集團投資有限公司，昆明 650103）

0 引言

我國西南橫斷山脈地區(qū)高地溫問題較為突出，高地溫處治已成為該地區(qū)隧道施工面臨的重難點。橫斷山脈地區(qū)的高地溫主要表現(xiàn)為地熱水，地熱水沿斷裂帶循環(huán)運動形成導熱斷裂，因此高地溫熱害段落通常與斷層破碎帶重合，給隧道的設計與施工帶來了巨大挑戰(zhàn)。

目前，國內外對高地溫隧道的研究主要可分為施工階段熱害防治措施與結構熱害處治措施兩方面。魏豪杰等[1]通過實驗研究了高地溫環(huán)境下噴射混凝土的碳化性能，發(fā)現(xiàn)高溫養(yǎng)護會加深噴射混凝土的碳化深度，其抗碳化性能明顯降低；黃麟堯等[2]提出了長大隧道施工階段圍巖散熱量計算公式，并據(jù)此指導施工方案調整；李建高等[3]基于典型的高地溫隧道案例—大瑞鐵路高黎貢山隧道，針對不同熱害等級提出了多種熱害處治方案。于健[4]詳細闡述了制冷站作冷源的施工降溫措施以及使用冰塊作為冷源的降溫系統(tǒng)的處理方法。趙文龍[5]基于引水隧洞施工實例，分析了高溫地熱隧洞爆破施工難點及對應的解決方案。

本文基于國道G219 線瀘水至騰沖段高黎貢山騰越隧道施工案例，針對地熱水導致的熱害問題分析不同熱害等級下長大隧道施工降溫措施的效果，探討長大隧道熱害施工處治以及結構防治技術方案，以期為高地溫隧道設計、施工提供參考。

1 工程背景

國道G219 線云南瀘水至騰沖段位于我國西南橫斷山脈，以隧道形式橫穿高黎貢山，騰越隧道全長10.49km，為一座設計時速80km/h 的兩車道隧道。由于地表保護區(qū)用地限制，該隧道設置了一座平行導洞以輔助通風與施工，如圖1 所示。

圖1 高黎貢山騰越隧道鳥瞰圖（效果圖）

隧址區(qū)地質勘查資料顯示該隧道熱害主要源于地熱水，隧址區(qū)內分布有三個構造水熱活動帶，斷裂構造與密集節(jié)理帶是地熱水的主要運移通道，地質勘探已查明8 條導熱斷裂與3 條密集節(jié)理帶，并在地表觀測到對應溫泉，導熱斷裂特征列于表1。

表1 導熱斷裂特征一覽表

通過與相鄰的大瑞鐵路高黎貢山隧道相關資料對比，分析得出該地區(qū)地熱系統(tǒng)屬于典型的中低溫對流型地熱系統(tǒng)，其熱儲溫度低于150℃，地下深處無附加熱源（無巖漿囊或正在冷卻的大型巖基），深部基巖自身透水性很弱，主要靠裂隙和構造破碎帶導水。根據(jù)勘察報告的圍巖熱水預測溫度對隧道段落進行熱害分級，分級標準及相應段落長度見表2 與圖2。

圖2 騰越隧道熱害段落長度

表2 熱害分級標準

2 高地溫對隧道的危害

目前國內山嶺隧道施工仍以鉆爆法為主，大量工人在隧道高溫高濕的環(huán)境中進行高強度作業(yè)，不僅勞動效率會顯著降低，而且身體健康也會受到極大的威脅，此外，機械設備與電氣設備的工作效率與安全性也會受影響，參照《鐵路隧道工程施工安全技術規(guī)程》（TB 10304-2020）[6]，隧道施工環(huán)境溫度宜不高于28℃，高溫條件下的施工作業(yè)應采取防暑降溫措施。

圖3 隧道高地溫危害

隧道襯砌結構也會受高溫環(huán)境的影響。在高溫變溫的養(yǎng)護環(huán)境下初支和二襯混凝土的水化反應過早結束，會導致混凝土強度降低，且微觀裂隙較多，碳化速率加快，出現(xiàn)開裂、鋼筋銹蝕等現(xiàn)象，耐久性得不到保證。山嶺隧道施工常采用鋼花管注漿作為輔助施工和堵水措施，圍巖的高地溫環(huán)境會縮短漿液凝固時間、增大漿液黏度、降低析水率等，嚴重影響注漿的擴散范圍和加固效果。

3 熱害處治措施

基于調研相關高地溫隧道案例，結合高黎貢山騰越隧道地熱情況，本文整理了對應不同熱害等級的熱害處治措施。

3.1 施工降溫措施

3.1.1 無熱害段落

無熱害段落指圍巖熱水溫度小于40℃的段落，其施工環(huán)境溫度主要與掌子面出水量和水溫相關，采用變頻節(jié)能軸流風機+長風筒加強掌子面通風，同時從洞外河流引入低溫水，利用霧炮、噴淋等輔助降溫手段，基本可將無熱害段落的施工環(huán)境溫度控制在28℃以內。

3.1.2 Ⅰ級熱害段落

若隧道掌子面滲水量較大且水溫超過40℃，僅靠通風與灑水很難將施工環(huán)境溫度控制在28℃以下，需對圍巖熱水進行注漿封堵，根據(jù)出熱水位置可選擇采用Φ42小導管徑向注漿或掌子面帷幕注漿（圖4），對于集中股狀出水采用水管引排，保證施工作業(yè)點出熱水量小于5m3/h，同時防止熱水在隧道內漫流，盡快歸槽排出。

圖4 注漿堵水措施示意

3.1.3 Ⅱ級熱害段落

當圍巖熱水溫度達到50～60℃時，除注漿堵水措施外，可在洞外利用河水制冰，將冰塊運輸?shù)蕉磧群笸ㄟ^射流風機擴散冷空氣，通過調節(jié)風機功率與冰塊數(shù)量可在一定程度上控制掌子面施工環(huán)境溫度。

3.1.4 Ⅲ級和Ⅳ級熱害段落

當圍巖熱水溫度達到60℃以上時，采用冰塊制冷效率降低，可采用機械制冷方式降低作業(yè)面施工環(huán)境溫度，騰越隧道的熱害主要是圍巖熱水引起的，高溫環(huán)境主要集中在掌子作業(yè)面附近，采用局部移動式制冷系統(tǒng)經(jīng)濟適用，配合通風灑水、注漿堵水、冰塊降溫等措施可將施工環(huán)境溫度控制在28℃以內。

對于Ⅱ級以上熱害段落，圍巖熱水溫度超過了50℃，即使采取了降溫措施，施工作業(yè)面仍存在局部高溫點，工人流動作業(yè)頻繁接觸高溫環(huán)境，易發(fā)生脫水、中暑等事故，每班作業(yè)時長需從8h 縮短至4～6h，同時增加作業(yè)班數(shù)、保證防護用品供應等。

3.2 結構處治措施

為防止熱害造成的混凝土性能劣化和開裂，高地溫段落隧道支護結構需采取熱害處治措施。

3.2.1 初期支護

對于Ⅱ級和Ⅲ級熱害段落，噴射混凝土中需摻入減水劑（1%）及粉煤灰（20%）；對于Ⅳ級熱害段落，噴射混凝土中需摻入減水劑（1%）、粉煤灰（20%）和鋼纖維（40kg/m3），以往大量工程實例證明摻入鋼纖維對預防混凝土干裂剝落的效果較好。

3.2.2 二次襯砌

對于Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級熱害段落，二襯混凝土中需添加減水劑（1%）、礦粉（20%）、粉煤灰（20%）。

3.2.3 隔熱層

對于Ⅰ級和Ⅱ級熱害段落，高地溫對隧道結構的影響較小，不需要設置隔熱層；對于Ⅲ級和Ⅳ級熱害段落，需在初支與二襯之間設置隔熱層。目前隧道常用的隔熱材料有硅酸鹽復合隔熱材料和硬質聚氨酯隔熱材料（圖5），硬質聚氨酯隔熱材料的價格較高，但隔熱性能相對更好，基于騰越隧道特點設計選用導熱系數(shù)更小的硬質聚氨酯泡沫板，厚度為5cm，硬質聚氨酯隔熱材料的主要技術指標如表3。

圖5 隔熱材料示意

表3 硬質聚氨酯隔熱保溫材料主要技術指標

3.2.4 防水層

對于Ⅰ級熱害段落，高地溫對EVA 防水板基本無影響；對于Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級熱害段落，隧道常用的EVA、PVC 等材質的防水卷材在高溫環(huán)境下會出現(xiàn)軟化、變質等現(xiàn)象，嚴重影響其耐久性，隧道防水層需采用耐熱型復合防水板。

3.2.5 注漿漿液

對于Ⅱ級、Ⅲ級和Ⅳ級熱害段落，通過在注漿漿液中摻入15%-30%的礦粉，可改善漿液的流動度，降低漿液黏度，降低水泥水化熱，減少漿液的泌水和離析，使?jié){液擴散范圍更遠，對巖體注漿固結的效果更好。

3.2.6 隧道路面

路面層與圍巖無直接接觸，熱害影響相對較小，對于Ⅳ級以下熱害段落隧道路面結構無需處理，對于Ⅳ級熱害段落，為防止高溫環(huán)境加速瀝青路面老化，在基質瀝青中摻加樹脂聚合物、橡膠聚合物等改善瀝青的高溫穩(wěn)定性，同時在直接臨空的上面層SMA 瀝青混合料中適當添加礦粉以減小孔隙率，增強瀝青層動穩(wěn)定性。

4 結語

本文依托沿邊國道G219 線瀘水至騰沖段高黎貢山騰越隧道工程，根據(jù)地質勘查資料分析得出該地區(qū)地熱系統(tǒng)屬于典型的中低溫對流型地熱系統(tǒng)，劃分隧道熱害等級及對應段落，并分析高地溫環(huán)境對隧道施工與襯砌結構的危害，據(jù)此提出對應的施工降溫措施與結構處治措施，可以為后續(xù)高地溫長大隧道熱水型熱害處治提供參考。