高地温隧道修建关键技术研究

高地温隧道修建关键技术研究

? 高地温隧道修建关键技术研究高地温隧道修建关键

技术研究李国良，程磊，王飞(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043) 摘要：随着我国交通基础设施的不断增多，高地温地区修建隧道逐渐成为工程界遇到的新难题。依托拉日铁路，提出高地温地区隧道选线原则和隧道施工降温除湿等系列技术；通过XRD衍射和SEM试验，探明特高地温隧道模拟养护条件下混凝土抗氯离子渗透性

能和抗碳化性能低于标准养护的原因；通过高地温隧道温度场和结构影响规律研究，因地制宜提出高地温隧道合理有效的施工组织模式；制定合适的隧道支护体系、混凝土配合比及衬砌结构防裂措施，同时提出保温隔热层、衬砌内置冷却管、耐热型复合防水板及新型防水材料等隧道隔热防水措施。关键词：高地温；铁路隧道；修建技术；隔热材料；支护体系1 概述拉萨至日喀则铁路位于青藏高原西南部，

线路起于青藏铁路拉萨车站，沿拉萨河南岸而下进入雅鲁藏布江峡谷区，顺年楚河抵达日喀则市。线路全长253 km，

为单线铁路，全线设29座隧道，总长72.4 km，其中地热异常段落共涉及隧道8座，分布在雅江峡谷区内[1]，总长40.9 km。2 地热地质特征拉日铁路位于藏南高温水热活动区，即那曲—当雄(羊八井)—尼木水热活动带的南部[2]。该地热

带与线路走向基本为大角度相交，线路无法绕避[3]。本段地质以闪长岩为主，岩质坚硬，峡谷区构造发育，发育有多条大断裂。高地温是本段最主要的工程地质问题，沿线的水热显示有温泉、温热泉、热泉、泉华等类型。帕当山隧道雅江边热泉温度达77 ℃，吉沃希嘎隧道深孔测温达60 ℃，达噶山隧道江边热泉温度30～80 ℃，泉水流量10～40

m3/d[4]。高地温对隧道工程的不利影响主要表现在：恶化施工作业环境，降低劳动生产效率，威胁作业人员健康和安全；需研究适应高地温条件的混凝土配合比及防排水材料；高地温产生的附加温度应力会引起隧道初期支护及二次衬

砌开裂，影响结构安全和耐久性等[5]。3 高地温隧道线路方案优化根据高地温选线原则：线路在考虑绕避不良地质的基础上，线位尽量靠近雅江；纵断面选择时拔高线路高程，置隧道于地下热水排泄基准面之上，避开循环热水对隧道工程的影响，降低安全风险(图1)。选择典型隧道分述如下。图1 雅江地下热水循环示意3.1 甫当隧道勘察发现隧道出口端靠江边有一处44 ℃温泉水出露。原方案线路顺直，但离雅江江边较远，隧道埋深大，遇到高地(水)温的概率高，风险较大；为此，将线路平面位置向雅江边靠近约300 m，并适当抬高线路高程，后经施工验证，未出现45 ℃以上的高岩(水)温。3.2 帕当山隧道勘察发现隧道雅江边热泉温度达77 ℃。线位受雅江江边地热温泉及帕当山错落控制，

优化后将线路平面位置向雅江江边靠近约250 m，后经施工验证，未出现45 ℃以上的高岩(水)温。3.3 吉沃希嘎隧道勘察发现隧道进口地温达65 ℃，将线路向雅江边移动240 m，实际隧道施工中最高岩温为55 ℃，未出现地下热水[6]。隧道进口地温曲线如图2所示。图2 吉沃希嘎隧道进口地温曲线4 高地温隧道施工降温除湿技术根据拉日线所经地

区地热(地温)赋存状态，前期按水热型(蒸汽型、热水型)、干热岩型进行预案设计。水热型地热采用帷幕注浆、局部径向注浆、疏流排水等措施，防止大量热量传递进入洞内，并采用加强通风、隔热、冷水(冰块)降温等方式进行降温；对干

热岩型地热考虑采用加强通风、洒水喷雾、冷水(冰块)降温、机械制冷降温等技术。由于线位优化，施工中以干热岩型地热类型为主，主要技术措施如下。4.1 设置适宜的辅助坑道利用峡谷区地形条件，结合地热处理，在存在地热的隧

道内尽量选取横洞作为辅助坑道施工，将地热隧道划分为若干段，以利地热处理和降低施工难度。峡谷区地热隧道均加设横洞(斜井)，工区长度一般小于2 000 m。4.2 通风降温根据雅江峡谷区气象资料，隧道区年平均气温6.7～6.9 ℃，最热月平均气温14.6～15.0 ℃，最冷月平均气温-3.5～

-2.9 ℃，全年内大多数时间，大气气温可以满足降温通风要求。施工采用压入式通风方式，地热隧道按加大风机供风

量设计，采用轴流风机增大送风量、射流风机提高风速的方

式，以提高巷道风速，将岩体放出的热量尽快排出洞外，降低环境温度。4.3 利用雅江水(冰)降温雅江水温半年时间不超过12 ℃，全年不超过17 ℃，是天然的冷源。高地热(地温)隧道均沿雅江两岸行进，洞口及辅助坑道口靠近雅江。部分高岩温工区采用抽取低温雅江水向洞内喷(洒)水方式降温，效果良好。4.4 其他措施利用隧道内洞室设置降温、供氧室，放置降温冰块；使用隔热服等个人防护用品，施工组织上合理安排高温作业时间等。5 高地温隧道结构体系研究5.1 高岩温对隧道温度场、结构的影响规律对高岩温隧道开挖温度场研究，力学分析时围岩采用摩尔-库伦本构模型，初期支护采用各向同性线弹性模型，热分析本构模型为各向均质热力学模型[7]。围岩初始温度场的温度越高，开挖对

围岩温度场的影响范围越大。隧道拱顶上方围岩温度的影响范围最大，(3.0～3.5)D(D为洞径)，边墙两侧和仰拱下方围岩的影响范围较小(2.0～3.0)D。随着开挖进行，隧道周边围岩温度降低，内表面温度逐渐接近洞内温度。如图3所示。

5.2 高地温条件下防水材料选择通过室内实验，当岩温升高，EVA防水板和止水带的各项力学性能指标均降低；岩温在50 ℃以下可采用EVA防水板；50 ℃以上应采用耐热型

复合防水板，推荐HXHC耐高温、耐腐蚀防水材料。防水板性能试验参数见表1。图3 隧道拱顶围岩温度随开挖时间变化曲线表1 防水板在55 ℃、50 ℃下的性能试验参数防

水板类别NJ-129耐热复合防水板HXHC耐高温、耐腐蚀防水材料EVA防水板技术条件试验温度/℃505550555055拉

伸强度/MPa伸长率/%撕裂强度/(kN/m)纵向

21.220.22928.619.621.5横向19.11822.322.617.116.4纵

向722730726704675662横向695683748738640600纵向136131162161124126横向

130127160157113110≥18≥650≥100 5.3隔热材料选择

普通喷射混凝土初期支护适用于围岩温度45 ℃以下；普通

素混凝土的二次衬砌适用于围岩温度60 ℃以下。当围岩温

度在80 ℃以上时，环境温度对初期支护和二次衬砌的强度

及耐久性影响较大，属特高地温隧道，此时支护结构可考虑设置隔热层。通过试验比选，硅酸盐复合隔热材料和硬质

聚氨酯隔热材料均具备隔热性能优良、结构强度较高、耐酸耐碱、施工便利等优点，对隧道工程，硬质聚氨酯隔热材料能发挥出更好的隔热效果[8]。5.4 高温低湿条件下衬砌混凝土研究5.4.1 高地温对衬砌混凝土力学性能和耐久性能

的影响规律峡谷区隧道施工环境中相对湿度在35%～60%，实验室模拟现场环境，对不同配合比的混凝土力学性能、耐久性能和微观机理开展研究，结论如下。(1)对于特高岩温

隧道，普通或掺矿物掺和料的喷射混凝土早期抗压强度高于标准养护强度，但最终抗压强度低于标准养护强度。(2)掺

聚丙烯纤维的喷射混凝土：在岩温60 ℃时，抗压和抗拉强