陆传宗

摘 要：本文结合川藏铁路中拉月隧道段特殊的水文地质条件，为确保施工期间安全高效，通过分析会影响施工期间的热害因素，针对性地提出了解决高地温、富热水隧道施工期间热害的降温技术方案，为解决未来隧道施工过程中所以遇到的热害问题提供了一条全新的技术路线。

关键词：隧道;高地温;富热水;降温技术;降温系统;热害

1 概述

川藏铁路东起四川省成都市，向西行经雅安、康定、昌都、林芝、山南到拉萨市。其中，新建雅安至林芝段长1 013 km。全线共设24座车站、93座桥梁、72座隧道，其中10 km以上的重难点隧道35座。全线地质条件复杂、线路桥、隧占比高94.52%，施工难度大。川藏铁路沿线高地温分布范围广、段落长，根据现有勘察、设计资料显示，全线共有高地温隧道23座。存在严重热害隧道共5座，其中拉月隧道热害最为突出。

拉月隧道设计为两座单线隧道，全长31 676.27 m。隧道最大埋深2 080 m，进口高程2 121 m，出口高程2 777 m，隧道为人字坡，最大坡度30‰。进口、出口均经辅助横洞进洞，采用“7横洞+全钻爆”分修方案。隧道土建工期94个月。

2 工程水文地质情况

2.1 工程水文地质特征

2.1.1 气象特征

隧道进口段：平均气温13℃，最高气温37.8℃，最低气温-8.0℃，多年平均降水量1 276.0 mm;隧道出口：平均气温6℃，最高气温26.7℃，最低气温-18.5℃，多年平均降水量704.9 mm。

2.1.2 地质构造

受雅鲁藏布江缝合带影响，断裂构造极其发育，与隧道相交的断裂共计13条。隧址区有3处温泉出露，其中拉月温泉水温约42℃，排龙温泉水温76℃，通麦长青温泉水温约95℃。拉月隧道正線正常涌水量为87 471.6 m³/d，最大涌水量为232 159.3 m³/d。

2.1.3 隧道围岩级别划分及主要不良地质

该隧道Ⅱ级围岩长750 m，Ⅲ级围岩长20 806.502 m，Ⅳ级围岩长7 745 m，Ⅴ级围岩长1 255 m，Ⅵ级围岩长790 m。

隧址区先后多次穿越发育断层，地质地层复杂多变，附近钻探亦揭示存在高地温现象，沿线钻孔所揭示温度为20.7℃～93.5℃;拉月隧道地温预测结果如下表（表1）。

2.1.4 高温热水最不利情况分析

根据勘查资料，结合工区施组方案，划分了两个典型高温热水段落：一个温度最高而水量相对小（t>60℃、长170 m，最大涌水量2 876 m3/d）;一个水量最大而温度相对低（50℃

2.2 高地温富热水隧道施工危害

高地温隧道通过岩温和热水进行热辐射和热交换方式向隧道环境散热，造成隧道施工期间的高温、高湿热环境，其对人体健康、劳动效率、安全生产和结构安全均会造成威胁和危害。

2.2.1 人体伤害

高温、高湿作业环境，会造成作业人员体温调节障碍、水盐代谢紊乱、生命系统功能失常等一系列生理功能的改变。导致人员出现胸闷、热痉挛、热虚脱和热射症、眩晕呕吐等中暑症状。

2.2.2 工效大幅降低

根据国家高温作业分级标准，洞内作业高温分级为Ⅳ级，施工环境温度在30℃～42℃之间，连续工作时间不得超过10 min～60 min。长期在地下高温高湿环境中作业，会造成人精神恍惚、疲劳无力、昏昏沉沉，是劳动生产率低下的主要原因。

2.2.3 机械功效降低、寿命缩短

高温湿热环境会造成隧道施工机械效率降低，机械零部件磨损加剧，电气元件故障率大大增加，严重影响机械设备的使用寿命。

3 拉月隧道热源分析

隧道内高温产生主要有两方面，一方面是自然因素，即水文、地质等造成的地热因素，拉月隧道受控于板块缝合带、地壳拼接带、深大断裂或埋藏较浅岩浆囊和断陷盆地以及不同方向断裂交汇位置，导致地热异常造成的高岩温和高温热水;另一方面是人为因素，施工带来的各种热害因素，包括机械散热、爆破散热、人员及水泥水化散热。

（1）隧道内热水散热。隧道热害范围15 992 m、占全隧50.5%、正线正常涌水量87 471.6 m³/d，最大涌水量取为232 159.3 m³/d。热水与风流之间的热交换强度要比风流与岩体之间的热交换强度高。影响热质交换的因素主要有：热水的温度、风流温度、风速、接触面积等。

（2）围岩散热：隧道爆破开挖后，传热开始发生，随着时间的推移，围岩被冷却的范围逐渐扩大，向风流传递的

热量逐渐减少。围岩散热量与开挖壁面周长、开挖长度、初始岩温有关。

（3）风流压缩热：地面空气经横洞外通风机压缩后，风流在向掌子面流动时的自身压缩热，造成空气温度升高。

（4）机械设备放热：机械设备电机或发动机所消耗的电能或化学能，最终将转化为热能，并引起掌子面附近空气温度上升，散热量计算根据机电设备功率和散热折减系数等计算。

（5）火药爆炸散热：在钻爆法掘进段炸

药爆炸产生的爆破热造成环境空气温度升高，散热量根据炸药爆热和炸药量进行计算。

（6）水泥水化热：锚喷混凝土衬砌及模筑混凝土过程水泥水化散热量会长时间造成隧道环境空气温度升高，前期比较明显，后期散热速度减缓。

（7）施工人员放热：作业人员劳动过程会散发一定热量，根据不同劳动强度等级分别统计，根据作业人数和个体劳动强度等级散热量得出。

（8）其他热源包含隧道内运输石渣作业引起的石渣沿途散热量。

4 拉月隧道降温技术方案

4.1 引入自然冷风降温方案

前期，通过现场调查，隧址地区气候环境温度曲线，洞外环境温度常年较低，日均最高温度23℃、日均最低温度-5℃，2019年平均温度11℃，隧道洞内外温差较大，见图1。

以拉月隧道6号横洞为例，全长4 km，若T外=11℃，对正常普通风筒供风条件下，进行的温升计算如下表：

通过以上计算结果可以看出，当室外温度为11℃时，风筒末端出口温度为32.2℃。此外，若按规范取林芝地区夏季通风室外计算干球温度19.9℃，相对湿度61%计算，此时的风筒末端出口温度为35.01℃。因此，通过引入室外自然冷风可解决过渡季节及夜间的降温需要，但无法满足隧道掌子面夏季高温天气的降温需求，需要进行机械制冷降温。

4.2 机械制冷降温方案

4.2.1 需冷量计算

通过上面对引起拉月隧道热害的各种热源分析，设计以6号横洞机械降温为例，对区需冷量进行了计算，结果见表3。

通过需冷量计算，当岩温37℃<t≤50℃时，需冷量为2 847 kW;岩温50℃<t≤60℃时，需冷量为3 232 kW;当岩温60℃<t时，需冷量为4 072 kW。由于岩温50℃<t≤60℃的施工段占比较大，机械制冷设备选型以此为基础进行设备选型。当施工岩温60℃<t段时，建议根据气候条件合理安排工期，尽量安排在室外温度较低的季节进行施工。

4.2.2 机械制冷降温思路、原理

本工程降温的原理为：在隧道中设置空气冷却器（简称空冷器），使得热空气与冷冻水进行热交换，从而达到将隧道中热空气降温的目的。在此过程中，主要有三个重要环节，冷源、长距离输冷管路和末端空冷器。

5 高地温富热水隧道施工应对与处置

根据隧道高岩温、高温热水情况，为有效改善各个作业面工作环境温度，提高作业效率，可采取以下几方面措施进行综合降温，改善施工环境。降温措施以机械制冷降温（结合洞外天然冷源）、高压风幕隔热降温为主，辅以喷淋冷水雾降温、个人防护、制冰降温等。

5.1 机械制冷降温（结合洞外天然冷源）

通过现场调查，隧址地区气候环境温度曲线，洞外环境温度常年较低，日均最高温度23℃、日均最低温度-5℃，2019年平均温度11℃，隧道洞内外温差较大;且隧祉区地表水系分布较广泛，洞外冷水进洞也可作为部分横洞施工期间的冷源，减少或替代机械降温设备的冷源。因此，在施工期间，应结合每个横洞段的实际条件，将机械制冷降温和洞外天然冷源条件相结合起来，实现经济高效运行。

5.2 喷淋冷水雾降温

为有效改善拉月隧道高温高热的恶劣环境，在隧道二衬地段，从高压水管开口引入150 mm钢管，钢管两端密封，中部间隔20 cm～30 cm设置喷头及开关，当掌子面不用高压水钻孔时，开启喷头闸阀，向空中及二衬表面喷水，可以同时实现降低环境温度和粉尘，保证正常施工。

5.3 高压风幕隔热降温

高地温隧道掘进中，在封闭、狭长的空间内，热空气流动缓慢，随着进尺增加，在洞内不断聚积，加上爆破作业和设备尾气等产生的颗粒粉尘的阻碍作用，是隧道散热慢的主要原因。在拉月隧道内利用高压风幕形成分段阻隔效应，通过风机组联合送、排风的方式，将洞内热空气经通风管道排至洞外，可实现高地温、长距离、大断面隧道的高效降温。该方法是在压入式通风的基础上，增设高压风幕装置、作业面压出式接力风机组。风幕隔离、接力通风示意图详见图3。

5.4 人员个体防护

如采用综合降温措施后，局部环境温度仍超过30℃及以上，根据高温作业允许持续接触热时间要求，须对施工人员进行个体防护，配置防护冷却服。

5.5 制冰降温

当高地温类型为高温热水（汽），高水温达到60℃及以上时，通风、喷淋冷水、水雾难以达到降温效果时，可辅以制冰降温方式。制冰降温成本相对小，实施方便，高地温富热水隧道施工应对与处置但会增加作业环境湿度。

6 结语

根据川藏铁路中拉月隧道段特殊的水文地质条件，从多角度分析了拉月隧道高温热害形成的原因，制定了针对拉月隧道这种高地温、富热水型隧道的降温技术方案，同时通过对6号横洞分别采用“引入自然冷风降温”和“机械制冷降温”两种方案的计算，给出了两种方案如何相结合使用的条件要求及技术思路，并对高地温、富热水型隧道在施工过程中的应对与处置办法提出了合理化建议。

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