高地温公路隧道处治措施研究.pdf

工程技术与应用 822023 年 第 12 期 总第 140 期 工程技术研究摘要：高地温会使隧道衬砌的工作性能与耐久性劣化，影响结构安全与使用寿命，同时对施工人员效率及机械设备的使用性能均有较大不利影响。文章依托云南地区某拟建高地温隧道，分析隧址区的隧道地热来源和高地温等级，提出不同地温对隧道的影响程度，然后阐述高地温对隧道工程施工的影响，最后提出了一系列处治措施，为同类型高地温隧道的设计提供参考。关键词：隧道工程；高地温；结构设计Abstract:High ground temperature will deteriorate the working performance and durability of tunnel lining,affect the safety and service life of structure,and have a great adverse impact on the efficiency of construction personnel and the performance of mechanical equipment.Based on a proposed tunnel with high ground temperature in Yunnan,this paper analyzes the geothermal source and high ground temperature level of the tunnel site,puts forward the influence degree of different ground temperatures on the tunnel,then expounds the influence of high ground temperature on the tunnel construction,and finally puts forward a series of treatment measures to provide reference for the design of the same type of tunnels with high ground temperature.Key Words:tunnel engineering;high ground temperature;structural design分类号：U4521 研究背景我国幅员辽阔，地热资源丰富，分布较广，尤其高地温公路隧道处治措施研究李志伟中交公路规划设计院有限公司，北京 100010Research on Treatment Measures for Highway Tunnels with High Ground TemperatureLI ZhiweiCCCC Highway Consultants Co.,Ltd.,Beijing 100010,China027.DOI:10.19537/ki.2096-2789.2023.12.在我国西部青藏高原、云贵高原等地区隧道修建过程中高地温问题更加突出。近些年来，受技术提升及项目复杂程度逐渐提升的影响，穿越高地温带的隧道越来越多，地热对隧道的结构安全与施工均有较大的影响，因此需对隧道内的热害进行处治。王卓等1结合高黎贡山高地温的成因与机理，提出了优化通风系统降低隧道内温度的措施，通过增加施工通风量的方式降低掌子面附近的空气温度。苗永旺等2总结了桑珠岭隧道高温段的施工经验，得到了施工过程中的常用降温措施，为高地温隧道的施工提供了指导。霍建勋3基于高黎贡山隧道的地热特点，研究了高地温隧道开挖过程中的温度控制技术，分析了隧道高地温的来源，提出了多方式综合降温的处治措施，为同种类型高地温隧道的降温方式提供参考。陈乾阳等4通过对多种通风方式进行对比，发现降低隧道通风口气温可有效控制隧道内环境温度。扶凤姣等5研究了高温高湿环境下的衬砌及围岩劣化状态，分析了高温影响隧道结构寿命的原理，推演了高温热害对围岩的影响，为地热隧道的处治提供了理论依据。刘星辰6等通过数值仿真模拟，分析了在不同地温条件下不同厚度隔热材料的隔热效果，并指出隔热材料导热系数随温度的升高呈非线性增大趋势。吴根强等7通过模糊评价法分析了不同隔热铺设方式方案对隧道温度控制效果，得到了不同敷设隔热层方式的优缺点，研究表明隔热层宜采用夹心式，厚度适宜范围为 5 10 cm。文章以云南地区某拟建高地温隧道为例，对其地热来源及高地温对隧道的影响开展针对性研究，分析了在不同温度下隧道建设应采取的措施，指出了湿热型高地温隧道设计施工过程中的主要注意事项。作者简介：李志伟，男，硕士，助理工程师，研究方向为隧道设计与科研。工程技术与应用 83工程技术研究 第 8 卷 总第 140 期 2023 年 6 月2 隧址区地温情况分析2.1 隧道地热来源拟建隧道地质以古生界崇山群变质岩为主，沿断裂带有侵入岩、喷出岩等火成岩分布，隧址区附近深大活动断裂带有多处地热异常，水热活动强烈，有多个温泉出露点，最高温泉温度可达 91。（1）热源。隧址区内地下水由大气降水通过断层或断裂破碎带向下渗透，在地下深循环过程中不断吸收围岩中的热量，变为不同温度的热水，然后通过断层在断裂交汇处以温泉或热泉的形式出露地表，形成一个循环系统。由于隧址区内无大规模岩基，且侵入岩浆体年代久远，并未发现有新生代侵入岩体分布，年代较为久远的酸性侵入岩浆岩体已充分冷却，在地壳浅部残留余热的可能性小，所以隧址区内热源主要为大地热流供热。（2）热储。隧址区基岩风化壳以下自身渗透性差，富水性弱，地下水主要依靠切割深度及影响范围较大的断裂带完成深循环增温径流的过程。地热水形成后的上升和储存空间主要是断裂带及其影响带。（3）热通道。热通道即地下热水上升的通道，工作区地热水从深部上升的通道主要是断层带及其影响带的贯通裂隙。综上，该区域的主要地热形式为地下水沿途吸收和积蓄具有较高大地热流背景的围岩热量，并在压力差及温度差的作用下向上运移上涌出露于地表成泉，形成一个循环系统。2.2 高地温等级划分针对不同隧道温度带来的影响，结合铁路工程不良地质勘察规程（TB 100272022）对隧道地热等级进行区分，地温带等级的划分如表 1 所示。3 高地温对隧道工程施工的影响3.1 高地温对机械设备的影响由于湿热型隧道存在大量的热蒸汽，会裹去一部分氧气，导致机械油料因氧气含量降低而燃烧不完全，造成机械效率下降将近 30%，同时热蒸汽会导致设备故障频率增高，影响设备正常运行。同时，隧道内用于排水的水泵长期抽排高温热水会导致损坏率增高，增加维护、维修费用。3.2 高地温对衬砌结构的影响当衬砌两侧存在温度差时，结构内部会产生附加温度应力，导致衬砌两侧受力不均匀，严重时会引起初支二衬开裂，同时温度升高会使隧道衬砌结构各部位产生应力重分布。根据计算分析发现，初期支护的最大拉应力随围岩温度升高而增大，最大压应力随围岩温度升高而减小。随着温度升高，二次衬砌逐渐由受压控制转为受拉控制，不考虑耐久度影响的前提下，50 岩温以下对衬砌结构强度影响较小，但对湿喷混凝土的力学性能有一定劣化作用，温度越高、影响越明显，当温度超过 50 时，水热作用会影响混凝土的抗拉强度。高地温除对结构强度造成影响外，还会导致衬砌的耐久性变差。由于地热水长期持续的作用会影响混凝土的抗变形能力与整体强度，干湿交替环境下会使混凝土耐久性劣化，地热水中富含的氯离子等在湿热环境下对混凝土中的钢筋腐蚀性较大，水温较高时，对隧道中常用的防水板耐久性也有一定影响。3.3 高地温对施工人员的影响较高的环境温度会影响工人的施工效率，损害工人身体健康。人在长期的高温环境中作业，体温调节易发生障碍，大量失水会引起人体水盐平衡紊乱；高温对人的中枢神经系统同样存在一定影响，会造成施工人员疲劳、无力，在高温环境隧道内的劳动效率仅为常温隧道（洞）的 30%40%；同时高温会使工人注意力不集中，进而导致事故率急剧升高。4 高地温隧道处治措施根据勘察资料揭示，地热是该拟建隧道面临的主要问题，其中热害轻微段长约 3.7 km，热害中等段长1.34 km。针对隧道特有的水热情况，通过专题研究总结出以下措施。4.1 提高衬砌支护强度对于热害轻微段的隧道衬砌可不进行特殊处理，针对热害中等段的隧道，根据不同等级的围岩适当加地温带分级温度 t 界限/断裂导热水能力热害分析评估标准降温处治措施常温带 28差无热害无须处理低高温带（）28 t 37弱热害轻微非制冷（加强通风）中高温（1）带37t6037 t 50中等热害中等 人工制冷中高温（2）带50 t 60较强热害较严重人工强制冷高温带（）60强热害严重 专题研究表 1 地温带等级划分一览表工程技术与应用 842023 年 第 12 期 总第 140 期 工程技术研究强衬砌，根据结构设计与验算，对于级围岩，衬砌在 60 围岩温度以下时受力影响较小，可不进行特殊加固措施。对于、级围岩，初期支护采用 C25 喷射混凝土时，考虑到水热作用对衬砌存在较大影响，因此初支中宜增加钢纤维，提高混凝土韧性，改善混凝土的力学性能，二衬均采用钢筋混凝土结构。当水温在 60 以上时，应针对隧道内的湿热环境进行专门研究。可在混凝土中加入引气剂，使混凝土内部形成不连续的封闭气泡，达到隔热的效果。4.2 敷设隔热层当隧道在高地温段穿越断层破碎带时，衬砌结构受力复杂，结构耐久性变差，提高二衬混凝土强度与厚度并不能有效改善衬砌受力，而增大配筋率易导致应力重分布后钢筋拉裂混凝土。为改善二衬两侧温差带来的不利影响，可在衬砌中敷设隔热材料，隔热材料应导热系数尽量小，另外需要具备憎水、耐火等多种特征。常用的材料有苯乙烯和聚氨酯泡沫塑料，厚度一般为 5 10 cm，隔热层存在多种铺设形式。目前常采用的方式为，将隔热层设置于初期支护与二衬之间，或者在二衬与初支之间预留空腔。4.3 优化施工组织施工过程中尽量提高机械化，减少现场人员的工作量，改善施工组织，加强人员轮换。当隧道温度较高时，施工人员更易产生疲劳，因此应缩短施工人员的每班工时，并为施工人员提供必要的盐分、维生素等。同时增强对机械的维护管理，受高温影响，设备耐久性会有所降低，因此应增加洞内机械设备的配置。4.4 超前帷幕注浆根据隧道地热成因机理的分析可以发现，湿热型高地温隧道的热量来源主要依靠断层传递，因此高地温带和断层带的区域往往是叠加的，而由于勘察的不确定性，在隧道开挖前很难明确隧道的断层具体位置，因此在施工过程中应在地热段采用超前水平钻并在孔内测温，预测掌子面前方的地温情况。对于富含热水的断层破碎带区域应根据涌水量的大小采用全断面帷幕注浆或径向注浆，防止施工期产生涌突水或运营期持续热水对衬砌耐久性产生影响。4.5 多措施综合降温当掌子面附近环境温度超过 30 时应采取措施进行降温，可在掌子面前方增加风机与喷雾机，通过热交换的形式对掌子面进行降温；另外，可在工人劳动强度较大的区域额外增设大功率风扇，通过空气流动快速降低温度。洞身段可采用分段式接力通风，并在洞口处增设大功率风机，改善隧道内作业环境。当空气温度在达到 40 以上时，无法简单通过通风完成降温，此时需要进行人工制冷，可在掌子面附近建立空调房，通过独立移动式制冷机进行制冷。对于湿热型隧道，应避免采用冰块降温；对于存在股状渗水的段落，应及时注浆封堵排出热水，排水时需采用保温措施，避免热水通过排水沟将温度传递到隧道中。4.6 改变开挖方式隧道施工是一个随着时间和空间变化的过程，高地温隧道施工过程中，热量的释放与在掘进过程中的开挖步长和时间有关。经统计发现，当掌子面裸露围岩释放热量后，掌子面前方围岩温度随围岩深度的变化而变化，在同等围岩初始温度条件下，开挖进尺越短，裸露围岩蓄积的热量越易散出，掌子面前方围岩在释放热量时，其调温圈范围在 1 m 左右，而更深处围岩尚未来得及发生温度变化，因此，隧道施工应尽量采用短进尺开挖。5 结论（1）高地温隧道应结合地热成因机制进行针对性的设计，干热岩型隧道应宜用喷雾冰块的方式降温，湿热型隧道宜采用注浆堵水引走热源的方式降温。（2）对于湿热型隧道，当温度较低时可不进行特殊处治，当水温高于 37 时，衬砌耐久性会受到一定影响，应对衬砌进行加强。（3）对于断层破碎带中的高地温隧道，应增加隔热层，防止热水长期作用于衬砌进而降低结构的安全性。若涌水量较大，应及时采用注浆的方式隔离热水，减少地热对隧道施工及运营的影响。参考文献1 王卓,张亮.高黎贡山隧道施工热环境通风降温计算方法应用研究J.隧道建设(中英文),2020,40(S2):144-150.2 苗永旺,陈佐林,彭学军,等.高原、高地温隧道施工爆破及降温措施的探讨J.高速铁路技术,2019,10(4):95-98.3 霍建勋.铁路高地温隧道施工技术研究J.铁路工程技术与经济,2020,35(5):16-20.4 陈乾阳,陈寿根,陈奇,等.不同通风参数对高温隧道掌子面温降效果研究J.四川建筑,2019,39(2):141-143.5 扶凤姣,胡玄旺,吴银芳,等.高地温热害对隧道及围岩影响的研究进展J.建筑施工,2022,44(3):602-605.6 刘星辰,黄锋,周洋,等.高温隧道隔热层厚度优化及衬砌热力耦合响应分析J.现代隧道技术,2022,59(5):108-117.7 吴根强,王志杰.高地温铁路隧道隔热层方案研究J.铁道科学与工程学报,2017,14(8):1715-1726.