长大隧道高地温段落施工技术研究

引言

随着国内重难点工程全面开始建设，具有特殊不良地质段落的隧道工程越来越多，施工难度越来越大。高地温隧道往往面临着洞内降温通风和作业环境改善等难题，特别是传统压入式通风下，特长隧道存在风流不连续、风压小、电负荷大、掌子面供风量不足等一系列问题，极大程度上阻碍了施工进度，无法保障现场作业人员的正常作业[1][2]。为了使具有高地温的隧道满足施工环境要求，对此进行了研究，从施工机械设备、现场施工技术、洞内降温措施、作业人员高地温段健康管理等方面，开展了方案优化，并取得了一定效果。

本文以彝良隧道高地温段落现场施工为工程依托，提出高地温段落现场施工技术研究，有效改善现场作业环境、降低环境温度，此方法能够为相似隧道工程的施工技术方案设计提供借鉴。

1 工程概况

1.1 工程设计概况

彝良隧道穿越高地温段，主要存在于 1 号斜井工区大里程至 2 号斜井工区小里程段落，埋深 340～920m，利用 3 个地质深钻孔实测洞身范围温度超过 28℃，实测洞身范围最高温度为 42℃。

1.2 工程地质概况

隧址洞身地质岩性为志留系中统大路寨组(S，d)泥灰岩、钙质泥岩夹灰岩，嘶风崖组(S，s)页岩、砂岩。其中，大路寨组(S，d)地层为该高地温段热储层，地下热能的赋存形式为热水型，该段 6.6km 范围隧道最大涌水量为 7775m3/d，整体工程地质条件复杂。

2 高地温对隧道施工的影响

聚焦高地温对深埋长大隧道施工的不利影响，总结高地温对隧道施工的影响主要体现在三个方面：一是，危害人体健康；二是，严重影响隧道工程实体质量以及工程施工进度。通过现场实际解决高地温段落施工措施并结合其他隧道的成果研究，进一步分析高地温对特长隧道内作业施工、人、机、料、结构与围岩力学特性等方面的不利影响，具体表现如下：

2.1 施工降效严重

高地温对施工效率的降低主要表现在施工人员和机械设备作业效能的下降。一方面，隧道内通风效果差，高温环境中氧气含量稀薄，作业人员在高温、氧气含量不足的环境下作业，容易出现眩晕、恶心、呕吐等不适症状，现场实际作业时一般采用两班倒或者三班倒的形式交替作业，这使得单次作业时间缩短，作业效率显著下降。另一方面，隧道内的高温高湿环境恶化了机械设备的工作条件，装载机、运渣车等设备易出现水箱过热、频繁熄火等问题，这不仅降低了机械效率，还影响了设备的使用寿命[1]。

2.2 混凝土性能受影响

在普通配合比条件下，高温环境会使混凝土内部水分快速挥发，虽然早期会有强度提升，但后期强度会明显降低，从而削弱结构的承载能力。

2.3 恶化施工环境、影响人员健康

高地温段落施工由于洞内机械设备、爆破施工、作业人员增加等，耗氧量剧增，容易造成现场氧气含量不足的情况,施工环境恶劣，严重影响作业人员健康和生命安全，在这种作业环境下，人员更换频繁。

2.4 爆破器材受影响

在高地温段落施工时，导爆索、雷管等爆破器材的性能稳定性会降低，容易出现拒爆等现象，这将对施工安全构成严重威胁。

2.5 影响机械设备施工工效

洞内高温环境中机械设备效率下降且故障率上升，挖掘机、装载机、出渣车等设备在洞内作业超 60 分钟后极易出现水箱过热现象；出渣车、吊车、运输车、罐车等车辆经常出现发动机功率不足、制动性能变差、爆胎等故障，影响车辆的运行安全以及施工进度。

3 高地温隧道施工技术

3.1 混凝土的选择

在不同温度的高地温条件下，隧道混凝土材料的性能和力学指标会受到不同程度的影响。因此，在高地温环境下，隧道衬砌结构应选用适应热环境的建筑材料和配合比，以确保结构的承载能力和耐久性达到设计要求[13][6]。

（1）喷射混凝土

通过选用、调整、控制原材料的质量、性能的方式来进一步保证混凝土的工作性。提高各类材料进场检测频次，严把进场材料质量关，并依据原材料质量的动态变化及时优化混凝土施工配合比。

①水泥：选用初终凝时间长，与减水剂、速凝剂有较好相容性、适应性的水泥

②粉煤灰：严格控制粉煤灰的烧失量、需水量比。

③碎石：选用吸水率低的地材。

④减水剂：在常规混凝土上增加保坍、缓凝成分，并对每批进场的减水剂进行试拌调整，确保坍落度经时损失、凝结时间满足现场需求。

（2）衬砌混凝土

高地温段落衬砌混凝土主要控制混凝土的和易性、保坍性、流动性及耐久性（开裂），为确保到达现场混凝土能够有较好的流动性能，避免混凝土出现堵管及浇筑不密实脱空的实体质量缺陷。选用具有合适水化热的水泥，有效改变混凝土的保坍及凝结时间、并控制观测现场混凝土的温度变化，防止混凝土与隧道围岩环境温差过大，以免引起混凝土开裂。

3.2 施工降温技术

3.2.1 高地温隧道热害控制标准

施工降温措施的选择与隧道热害等级紧密相关，必须明确隧道热害的控制标准。在热害评估过程中，需结合隧道岩温及水样调查，分析热源分布情况，绘制地温等值线图，并据此划分低温、中温、高温等不同区域。

3.2.2 施工降温措施

为优化高地温隧道洞内施工条件、减少施工风险，高地温隧道施工需采取降温措施。一般降温手段有通风降温、冰块降温、局部风扇降温等[1][4]。施工降温方法需根据高地温类型、热害等级、气候条件以及隧道内作业环境要求等要素确定，并结合现场监控量测信息进行动态调整。

（1）通风降温

施工图中设计通风方式为独头压入式通风。釆取在斜井吊顶的方法将风送到井底，再接力送到工作面，也是间接串联的类型，该方法的首要问题是风渠内的泥沙、水汽 使得空气质量变差，其次投入大、用电多，再有堵漏、排水、塌掉石块不易处理。

通过工期、安全、经济等方便比较，工区决定采用单机单管独头压入式通风方式。

① 洞口风机布置

通过计算，斜井洞口各布置 4 台通风机，采用压入式供风。

② 正洞风机布置

在斜井工区左线、右线大里程、左线、右线小里程洞内各设置 1 台接力风机，用于加大风速流通，改善洞内作业环境。(2)冰块降温

冰块降温需结合现场具体情况实施,在洞口处设置制冰房，每天制作 30 吨冰块，运送至洞内各个掌子面、仰拱及衬砌施工位置，在隧道内施工人员密集作业的区域局部放置冰块。

①掌子面：采用通风+冰块+局扇的方式进行降温，在工人施工时，将冰块放置在距离掌子面约 20m 的位置进行降温。②仰拱：采用冰块+雾炮机+局扇的方式进行降温，在工人施工时，将冰块放置在上一板已施工完成填充面上，向着仰拱施工方向进行喷雾+吹风进行降温。

③衬砌：采用冰块+雾炮机+局扇的方式进行降温，在工人施工时，将冰块放置在未施工衬砌侧且完成的填充面上，向着砌施工方向进行喷雾+吹风进行降温。

根据现场实测数据,采用加强通风+冰块降温+局部风机、雾炮机时，隧道内整体环境温度可降低约2~3℃，冰块前方 20米范围内温度下降最为显著。

(3)喷雾洒水降温

施工期间可利用隧道内冰块融化水，配合雾炮机进行喷雾洒水以实现降温效果。这种喷雾洒水降温方式通常适用于以高岩温为主要热害因素的环境[4][6]。在隧道作业期间实施喷雾洒水，可有效降低隧道内环境温度，现场实测结果显示，洒水可使隧道内温度降低 2^∘C～3^∘C 。

3.3 高地温段落健康管理

（1）为了缓解疲劳，施工人员需要在温度适宜、湿度适中的环境中获得足够的休息时间[8][11]。比如：钻炮眼及立架工进行 2 班倒；仰拱及衬砌钢筋工班进行 3 班倒，混凝土浇筑工班进行 3 班倒。

（2）对施工人员进行全面体检，禁止患有高血压、心脏病以及循环器官异常的人员参与劳动。同时，严禁过度疲劳、空腹、睡眠不足或酒醉的人员进入隧道。此外，洞内应配备淡盐水、维生素、凉茶等物资及防暑降温应急救援箱[9][10][12]。（3）为每位施工人员配发适量的防中暑药品。同时，依托当地共建卫生所，定期安排医护人员开展热痉挛、热衰竭和热射病等中暑症状的预防与治疗工作。对高温段施工人员发放竹制反光背心，有效缓解施工人员体温过高。

3.4 机械设备防高温措施

在装载机出渣作业期间，使用改良喷头持续喷雾洒水降温，并且每隔半小时向水箱注入冷水及适量冰块，以防止发动机因高温出现功率下降、制动性能变差等故障[11][12]。同时驾驶室内存放冰块并配合空调制冷降温。加强行车路面洒水降温，防止爆胎。利用设备停机钻孔时间，对装载机和装渣车进行保养，确保设备正常运转。

3.5 加强监测工作指导施工

加强洞外环境温度的全天候监测，具体包括：一是监测洞外的天气温度；二是监测洞内的空气温度；三是每隔 25 米在左右边墙钻 3 米深的孔，使用岩温计检测岩体温度。

4 技术应用与增效

4.1 技术应用

（1）通风设备的选型及应用

经过精密的理论计算、专家评审的通过以及现场实际应用试验，合理规划通风机的布置，最终以最低的成本得到最显著的通风效果。

（2）研发一种设备联合降温成套工装

局扇配合冰块同步进行物理降温，冰块变成冰水之后自动注入雾炮机进行喷洒降温，达到利用效率最大化的效果。

（3）其他降温技术措施

通过轮班作业、定期体检、教育培训、发放劳保用品及药物、机械设备防高温措施等保证现场施工人员安全。4.2 实施成效

（1）隧道工效提高

隧道洞内高温环境的改善，工效翻倍提升，由原来的 2 天 1 循环提升至 2 天 2 循环。

（2）改善隧道高温施工环境

通过一系列技术降温措施最终使洞内温度降低 3℃～5℃，真正做到了改善洞内施工高温环境。

（3）施工人员安全保障

随着洞内高温环境得到了改善、合理的施工组织、劳保用品的及时发放，机械设备、施工人员安全风险大幅度降低，从数人晕厥中暑到现在晕厥率为 0%，真正的做到了安全施工保障。

目前，隧道正在高地温段落进行施工，通过采取加强通风+冰块+雾炮机喷雾+局扇的综合降温措施，使隧道内的温度得到了有效的控制，可使隧道内施工环境温度降低 3^∘C～5^∘C 。在后续施工中，将持续强化降温措施，逐步攻克隧道高地温段落施工中作业环境差、人员与设备效能降低、安全风险高等诸多难题，提升施工效率，保障施工人员健康。同时，施工过程中积累了丰富经验，为类似工程提供了参考。

5 总结

随着交通建设的不断发展和隧道工程的日益增多，高地温隧道现场施工情况会越来越多，针对高地温隧道的施工工艺研究是对传统隧道施工技术的一种革新，为隧道施工技术的创新和发展提供了新的思路和方法，通过各项技术手段来改善高地温段落的施工环境。在隧道施工中，该技术的应用不仅显著提升了施工质量，还极大地提高了施工效率，增强了施工安全性和可靠性。在多个隧道工程中得以应用，效果显著，展现出广阔的应用前景和较高的推广价值。

综上所述，该技术的研究应用为隧道施工带来了新的解决方案和技术突破。未来，该施工工艺将在智能化升级、多功能拓展、环保节能以及标准化推广等方面得到进一步发展，对此技术有着以下改进方向：

（1）研发一种实现高地温智能预测和施工温控的智能化系统

确立深埋隧道温度监测的关键参数，构建集数据采集、处理、存储、分析与预警于一体的监测系统；收集并整理隧道施工过程中的温度数据，通过数据预处理和特征提取，运用数据挖掘和机器学习算法，探究温度变化与施工环境、工艺等因素的内在联系，构建隧道施工温控模型，实现温度的实时预测与调控。

（2）构建施工温控信息化平台

设计并开发数据采集、通信、控制、用户界面等关键模块，实现软硬件的完美融合。在实验室环境下进行模拟测试，以优化系统性能。最后在选定的工程现场进行应用示范。

（3）隧道机械设备优化

通过电力机械设备替代传统内燃设备是实现能源转型与碳减排的关键路径。电力驱动系统通过直接利用清洁电能，可消除燃烧过程中的尾气排放，同时能量转化效率较内燃机提升 30%-50%，减少耗氧量，提升通风效果。

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