随着西部大开发和“一带一路”战略的深入推进, 作为先行部分的基础设施互联互通工程成为我国西部地区工程建设的重点。工程建设中, 长大、深埋、穿越地质构造活跃地区的隧道越来越多, 遇到的高地温现象逐渐增多。川藏铁路拉林段预测有9座隧道存在高地温, 隧道埋深1 200~1 800m, 预测温度32~76℃, 其中, 桑珠岭隧道预测温度最高76℃。本文以桑珠岭隧道为依托, 对高地温隧道施工技术进行研究, 可供今后类似工程借鉴。

川藏铁路桑珠岭隧道位于青藏高原东南部, 冈底斯山脉和喜马拉雅山脉交汇处的雅鲁藏布江桑加峡谷区, 隧道全长16.5km, 最大埋深约1 350m, 海拔高度3 600m左右。隧道穿越沃卡地堑东缘活动断裂F5-2, 断层上盘为糜棱岩带, 断层下盘为花岗闪长岩, 受区域构造影响, 岩体极其破碎。现场在隧道洞身及线路右侧雅鲁藏布江江边发现6个温泉, 泉水温度为48~76℃, 隧道开挖至该段时出现了高地温。设计在大里程方向距活动断裂250m处设1座832m长横洞。施工中横洞进洞65m温度出现升高迹象, 横洞掌子面岩体温度变化如图1所示。

2015年4月26日爆破后掌子面岩面温度56℃, 3 m炮孔内温度60℃;2015年10月8日爆破后掌子面岩面温度68.9℃, 3m炮孔内温度达78.9℃;施工揭示地温最高处为横洞进洞后约700 m处, 揭示爆破后掌子面岩面温度69.2℃, 3m炮孔内温度达81.9℃。目前隧道施工已通过温度最高段, 洞内温度出现逐步下降趋势。

高地温对隧道施工的影响主要体现在以下几个方面^[1]。

1) 高温下作业环境恶劣, 施工人员劳动能力降低, 单次作业时长大大缩短, 严重降低施工工效;机械设备降温效果差, 故障率显著升高, 严重降低了施工工效。

2) 隧道处于3 600 m的高海拔地区, 含氧量仅为平原地区的60%~70%, 过高温度环境下作业, 对氧气需求量增大, 施工人员舒适度大幅降低, 对施工人员健康影响较大, 高原病出现几率大增, 危及施工人员生命安全。

3) 高温环境下导爆索、雷管等爆破器材性能稳定性下降, 易出现瞎炮、哑炮等, 严重危及施工安全。

为降低施工风险, 保障施工人员安全, 提高施工效率, 隧道施工期间需采取有效措施降低隧道内环境温度。

通风降温是降低隧道内环境温度的最简单易行的方法。根据雅鲁藏布江峡谷区气象资料, 桑珠岭隧道所处地区年平均气温8.2℃~9.3℃, 最热月平均气温15.9℃~16.6℃, 最冷月平均气温-0.1℃~0.3℃, 气温可以满足降温通风要求。

高地温隧道通风要求适当加大风量, 提高风速, 以使岩体释放的热量尽快分散到空气中, 从而降低环境温度, 提高作业环境的舒适度。根据隧道内施工揭示温度情况, 为尽快降低作业环境温度, 横洞工区采用5根直径150cm风管, 2根大里程方向送风, 2根小里程方向送风, 1根回风管;送风管出风口置于距掌子面25m之内, 回风管风机置于横洞与正洞交界处。考虑高原高温缺氧环境, 掌子面风速按1.0~3.0m/s控制。施工过程中对掌子面温度进行实时监测, 动态调整风量、风速。

为加强通风, 进洞超过1km后在洞内增加接力风机加强洞内通风, 每1~1.5km设2台110k W接力风机;每2km设置1台中继回风风机, 加快排风速度;加强局部通风强度, 在掌子面、开挖台车及二衬台车等人员较多处增加通风机或局扇。

根据暨南大学水生生物研究中心及中国科学院武汉植物研究所所做的有关“西藏雅鲁藏布江水质时空特征分析”^[4], 桑珠岭隧道所在段雅鲁藏布江水温半年时间不超过13℃, 全年不超过19℃ (见图2中羊村曲线) , 是天然的冷源。隧道横洞洞口下方即为雅鲁藏布江, 施工期间可抽取江水作为降温系统冷源, 并向洞内洒水或喷射雾状冷水^[5]。

施工期间于横洞洞口雅江边设置1座泵站, 洞内铺设1条 高压水管作为降温专用水管, 实时进行喷雾、洒水作业;降温水管上每隔20m设置一处喷雾器, 靠近掌子面地段适当加密, 风管出风口处设置一处。在放炮后和出渣过程中, 对掌子面围岩及洞碴洒水降温。

于隧道洞口附近设置制冰房, 采用大功率冰柜、冷却制冰机制冰。在隧道内施工人员较多处运用冰块降温, 根据洞内温度每处放置3~5组冰块, 可有效降低周边范围温度。根据现场量测周边3m范围内可降温3~5℃。

为减少隧道内热量供应, 施工中沿开挖轮廓采取适当隔热措施。隧道初期支护喷射混凝土中添加0.05%的引气剂, 使喷射混凝土内部形成不连续的封闭气泡, 降低导热系数。根据现场量测情况, 采用添加引气剂的喷混凝土可将洞内环境降低2~3℃。

桑珠岭隧道掌子面及前方岩体温度可达70~80℃, 施工中部分地段存在高温水, 高温水喷射或溅射到施工人员身上易造成烫伤。为防范可能存在的高温热水, 施工中加强超前地质预报^[6], 现场采用50m长超前钻孔对掌子面前方进行探测, 每次施作3孔, 分布于拱顶、两侧边墙, 每次搭接长度10m;同时采用红外探水预测, 每次预报30m, 搭接长度5 m。超前钻孔钻进过程严禁人员在孔口附近及正对孔口方向停留, 避免涌水烫伤施工人员。

为降低掌子面附近环境温度, 对施工中出现的裂隙水及施工废水进行集中引排。首先引入掌子面附近的临时蓄水池, 临时蓄水池采用遮盖保温板方式保温, 同时通过保温水管将热水引至掌子面后方150m后的水沟排出洞外。

普通导爆索、导爆管在环境温度达到60℃时, 性能不稳定, 易出现瞎炮、哑炮, 危及施工安全。施工中根据炮孔温度选用了不同的炸材^[7]:炮孔内温度<50℃时, 采用普通爆破器材, 雷管置于孔底反向起爆;炮孔内温度>50℃且<70℃时, 采用耐80℃高温的导爆管、导爆索, 雷管置于孔底反向起爆;炮孔内温度>70℃时, 采用耐120℃高温的导爆管、导爆索, 并改进装药结构, 将雷管置于孔口, 导爆索与炸药装入炮孔, 由雷管在炮孔口激发导爆索, 导爆索在孔底反向起爆炸药。

高地温段隧道开挖炮眼布置与普通段炮眼布置相同, 采用不耦合装药, 采用 号岩石乳化炸药, 炮孔直径45mm。为解决高地温段经常出现瞎炮、哑炮造成的光爆效果不理想问题, 施工中辅助眼采用连续装药方式增加装药量, 并采用双雷管激发, 确保激发正常, 提高了光爆效果。

长时间高温环境作业, 应采取有效的人员防护措施, 并对施工人员健康进行有效管控。

1) 洞内施工人员应配备内置冰袋的冷却背心, 降低人员体外温度。

2) 高温环境中施工, 工人易出现维生素、水分及盐类的缺乏, 需及时进行补充;为消除疲劳需在适温、适湿的环境下适当休息。为此在洞内建立降温休息室, 配备淡盐水、维生素、凉茶等物资及防暑降温应急救援箱。根据隧道内的环境温度、劳动强度和施工人员劳动效率, 合理安排高温作业时间, 施工人员每隔一定时间或感觉体温过高时, 可进入降温休息室休息, 补充水分及盐类, 保证施工人员的健康和安全。

3) 高海拔地区氧气稀薄, 高温环境下缺氧更加严重, 为保障施工人员健康, 提高劳动效率, 在隧道掌子面附近采用制氧机进行弥散式供氧, 确保工作面含氧量不低于平原地区的80%。

4) 对施工人员进行体检, 对有高血压、心脏病等疾病的人及存在过度疲劳、空腹、睡眠不足、酒醉等的人禁止进洞, 并给每个施工人员配备一定数量的防中暑药物。

目前, 桑珠岭隧道施工已通过地温最高地段, 隧道内温度已开始逐步降低。隧道施工过程中成功解决了高地温隧道面临的作业环境恶劣、人员设备能力降低、爆破安全风险大等一系列问题, 提高了施工工效, 确保了施工人员健康。主要经验及体会如下。

1) 采用加强通风、喷洒低温江水、掌子面放置冰块、隔热等降温措施可有效降低高地温隧道内环境温度。桑珠岭隧道采取上述措施后掌子面环境温度基本控制到了45℃以内, 较掌子面岩体温度低10~20℃, 如图3所示。

2) 隧道施工中需加强超前地质预报, 掌握掌子面前方高温水赋存情况, 避免突发涌水伤害施工人员。对高温地下水及施工用水需有序引排, 尽量减少高温水热量扩散。

3) 需根据炮孔内温度, 选取合适的爆破器材及装药方式, 保证高温环境下的爆破安全。可采用辅助眼连续装药、双雷管激发等措施控制瞎炮、哑炮率, 提高光爆效果。

4) 高温环境下应加强施工人员的安全防护及健康管理。可采用穿戴冷却背心, 设置低温休息区等措施降低人体温度, 采用弥散式供氧, 及时补充水分及盐类, 确保施工人员健康。