现代隧道技术
MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY
文章编号：1009-6582 (20 丨 9)06-000 卜 10
DOI: 10.13807/j.cnki.mtt.2019.06.001
高地温深埋特长隧道热害综合防治关键技术研究
范蟲
(中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031)
摘要在高地温地区修建特长隧道存在较高的风险，给隧道施工及运营带来极大挑战。文章以我国在建的
最长交通隧道——
大理至瑞丽铁路高黎贡山隧道为工程背景，开展特长隧道热害综合防治成套关键技术研究，通
过研究确定了高地温隧道热环境控制标准及施工热害控制的合理区域，形成了热害隧道通风降温、制冷降温、地下 热水治理相结合的成套降温设计方法，提出了高地温条件下的隧道衬砲结构支护体系及防开裂措施;通过室内模型 试验研发了适用于高温热害环境下的成套新型建筑材料;根据传热学理论,建立三维非稳态传热模型，模拟研究了 隧道运营环境温度场，并制定了隧道运营期间采用通风井分段进行纵向通风的降温对策。
关键词高地温特长隧道热害综合防治通风降温制冷降温地下热水超前预注浆处理双层复合式隔
热衬砌结构衬砌变形缝耐热建筑材料运营环境控制
中图分类号：U455.2
文献标识码:A
1引言
的理念进行了探讨;邵珠山等131开展了高地温隧道 随着铁路交通向地形困难及地质复杂艰险山区 温度场、位移场和应力场的热弹性理论解分析；白国 的延伸，隧道工程朝着深埋特长化方向发展,洞身需 权等141通过有限元软件模拟了高地温隧道不同隔热 穿越更多的复杂地质单元。尤其是近年来，在西部 层厚度所对应的冷能补给量；王玉锁等151通过室内 模型试验开展了隔热层的设置对隧道支护结构受力 山区隧道工程需穿越难以绕避的高地温等不良地 的影响分析。以上研究仅针对隧道热害的局部影响 质。在高地温地区修建深埋特长隧道，高温湿热将 问题，在认识上还不统一，尤其缺乏在高地温深埋特 恶化隧道施工环境，使得人员在隧道内无法正常作 长隧道热害综合防治方面的系统、深人研究。而在 业;而且可能导致常温条件下的隧道衬砌结构、建筑 高地温地区修建铁路隧道工程的现实需求又十分迫 材料及施工工艺不适用于高地温地区隧道工程，对 切，因此破解高地温热害隧道修建技术难题的意义 隧道结构的安全性和耐久性造成极大威胁,严重者 十分重大。本文以我国大瑞铁路高黎贡山隧道为依 还可能会恶化隧道的正常运营环境，影响隧道的正 托工程，开展热害综合防治关键技术的研究。
常使用功能[11。
近年来，在多条铁路选线中地质勘探揭示拟建 2工程概况
隧道工程需穿越高地温地层，而且个别隧道在施工 2.1隧道概况
中也遇到局部热害段，对隧道施工及运营带来极大 大理至瑞丽铁路高黎贡山隧道为设计时速140
挑战。但相关热害防治研究尚处于起步阶段，大多 km/h的客货共线电气化铁路隧道，隧道全长34.538
仅开展了探讨性的研究。杨翔等121结合玉磨铁路旧 km,为目前我国最长的交通隧道，也是亚洲最长的 寨隧道地下热水特征，对洞内热水排放或封堵处理
越岭交通隧道。该隧道位于云南省保山与芒市之
修改稿返回日期:2018-11-23
基金项目：铁道部科技研究开发计划项目（2008G028—B).
作者简介:范磊（1977-)，男，工学硕士，高级工程师，主要从事隧道与地下工程勘察设计及科研工作，E-mail: 12345@ 126x.om.
第56卷第6期(总第389期)，2019年12月出版
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Vol.56, No.6(TotaI No.389), Dec.2019
视代隧道技术
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高地温深埋特长隧道热害综合防治关键技术研究
间，为直线隧道;洞内线路纵坡为人字坡，最大纵坡 762.59 m，2号竖井深640.22 m。斜、竖井均设置为 为23.5%c，隧道进口轨面高程为842.24 m，出口轨面 主副井，且为国内交通隧道中设置的最长斜井和最 高程为1 217.09 m,最大埋深为1 155 m。
深施工生产竖井(图1)。
隧道洞身穿越高黎贡山横断山脉，山体浑厚，地 2.2隧址区域气候条件
形条件极为复杂。根据施工组织需要,并兼顾排水、 高黎贡山隧道进口位于保山市境内，出口位于 运营通风、防灾疏散、消防救援以及近期增建n线工 龙陵县境内。根据隧道附近保山、龙陵气象站2000 程等相关要求，辅助坑道采用“贯通平导+斜井+2座 一 2010年间各月份气象资料，经统计整理后其大气 竖井”的设置方案。其中，平导设置于预留n线线 基础参数如表1、表2所示。
位，长34.586 km, 1号斜井长3 850 m，
1号竖井深
2.3隧道热害特征
34586m
I,^^^^•5587.88801
3
平导
I
瑞丽_
»
_口掏
图1高黎贡山隧道辅助坑道布置平面示意
Fig. 1 Layout of auxiliary adits of Gaoligongshan tunnel
表1保山市大气参数
Table 1 Atmospheric parameters of Baoshan city
项目1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月年平均值温度/(尤）9.7311.7614.7117.5719.5821.6821.4621.3420.1418.0413.4410.1316.65大气压力/kPa83.5583.5383.4183.3883.2283.0383.0283.1383.4183.6683.7383.7283.40相对湿度/(%)
66.09
62.09
58.73
63.09
71.18
75.36
80.91
82.27
81.27
79.55
75.18
72.73
72.36
表2龙陵县大气参数
Table 2 Atmospheric parameters of Longling county
项目1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月年平均值温度作）7.729.5212.4415.7718.3420.0820.1220.3319.5017.2512.439.1115.25大气压力/kPa84.8484.8284.6984.6584.4684.3084.2784.3584.6284.8884.9784.9784.65相对湿度/(%)
83.09
79.55
76.64
78.91
85.82
91.18
93.09
91.91
89.82
89.18
86.00
85.18
85.91
高黎贡山隧道区域地质条件极为复杂，具有“三 段加深地质工作及专题地质研究，通过大量的地质 高”（高地温、高地应力、高地震烈度）、“四活跃”（活 勘探和测试分析，对越岭段30多个线路方案进行了 跃的新构造运动、活跃的地热水环境、活跃的外动力 长达10年的论证和隧道设计方案的比选。结合地 地质条件和活跃的岸坡浅表改造过程）的地质特 质勘探成果揭示的黄草坝断裂具有阻水隔热的工程 征161,其中对隧道修建影响最大的是高地温。高黎 地质特性，最终选择了位于黄草坝断裂南东盘相对 贡山越岭段内出露温泉群123个，其中高温泉(60~ 低温通道内的34.5 km隧道方案叭通过地质选线绕 951) 12处，沸泉（> 95T) 1处，温泉出水口最高水 避了高黎贡山越岭区域热害严重的超髙温带。
温达1021。勘察选线期间开展了高黎贡山越岭地 2
高黎贡山隧道热害成因为断裂深循环型地下热
2
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水。隧道洞身分布有帮迈-邵家寨断层、帮迈-邵家 寨次级断层、怒江断层、镇安断层等4条导热水断 裂，在导热水断裂带可能出现局部热水突出。结合 洞身地质深孔勘探资料，预测最高水温为50T。受 地下热水影响，全隧地温高于28^的段落长度共计 10 122 m，接近全隧总长的1/3,其中岩温介于28〜 37T；的热害轻微段落总长8 716 m，岩温介于37 ~ 39T的中等热害段落总长1 406m。高黎贡山隧道 地温分布纵断面如图2所示，高黎贡山隧道地温分 布预测如表3所示。
时可能存在粘结强度低或喷射困难的问题，以及隧 道衬砲混凝土浇筑时可能存在人模温度过高，或热 害条件下水泥水化热不易散发影响混凝土强度，危 及结构安全。隧道建成并交付运营后，虽然列车活 塞风能适当改善洞内空气环境，但洞内环境温度仍 然过高，进而会影响洞内的机电设施和维修养护。
4高地温隧道施工降温处理
4.1隧道热环境控制标准
我国《煤矿安全规程》规定141:生产矿井采掘工
作面空气温度不得超过261，机电洞室的空气温度 不得超过30丈。当空气温度超限时，必须缩短超温 地点工作人员的工作时间，并给予高温保健待遇。 采掘工作面的空气温度超过30丈、机电洞室空气温 度超过34T时，必须停止作业。
《铁路隧道设计规范》规定|51:隧道内温度不得 高于28T。
3高地温对隧道修建的影响
在高地温地区修建深埋特长隧道，当隧道洞身
围岩温度为35T左右、相对湿度达80%以上时，高 地温问题将变得尤为突出，高温湿热会恶化洞内施 工环境，增大隧道施工安全风险，严重影响隧道施工 进度。对于热害隧道，在高温围岩表面喷射混凝土
11^2
观
音山矿洞断
i
J沒 ^
i
理
田田
头头賭寨賭下勐&1-膳街|断勐断8
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II
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大山头断3
上马头帮别断；
打香坡向
|g1234567891011
J—
D1X193 DIX195 D1K197 DU1» D1S201 D1K263 D1E205 D1K207 D1E209 D1I211 D1K213 D1X215 D1K217 D1I219 D1K221 D1I223 D1I225
** Egg 灰老
长石石英砂岩花岗岩S
Rasa &5# 3
断居角味
se
I J I侏罗系I T |三叠系 legn2!槊陶系公养河群
I 0
丨典陶系
片老 变®砂岩
|e3s2|奥陶系沙河厂组
|时代不明
|e3b2|奥陶系保山组二段 | eabM奥闻系保山组一段 | yg |燕山期|
图2高黎贡山隧道地温分布纵断面示意
Fig.2 Profile of ground temperature distribution of Gaoligongshan tunnel
表3高黎贡山隧道地温分布预测
Table 3 Prediction of ground temperature distribution of Gaoligongshan tunnel
序号
温度/(丈）<2828〜幻94328〜幻74328 〜<375028〜彡375028 〜<37彡28
里
程
长度/m5 1584 2961356271541 2561431 9701491 39219 258
备注无热害—
帮迈-邵家寨导热水断裂
—帮迈-邵家寨次级导热水断裂
—
怒江导热水断裂
—镇安导热水断裂
—
无热害
D1K192+302-D1K197+460D1K197+460〜D1K201+756D1K201+756-D1K201+891D1K201+891〜D1K202+518D1K202+518-D1K202+672D1K202+672 〜D1K203+928D1K203+928〜D1K204+071D1K204+071〜D1K206+041D1K206+041〜D1K206+190D1K206+190〜D1K207+582D1K207+582〜D1K226+840
------------------------------- --------------------------Jis>
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高地温深埋特长隧道热害综合防治关键技术研究
根据对隧道、矿井工程施工环境温湿度控制标 准的调研，高黎贡山隧道施工环境温度控制标准为 干球温度不大于28T。
4.2隧道热环境控制区域
热量按式(3)计算：
Qe = 1^ • Nj
为机电设备散热折算系数。(4)水泥水化放热
水泥水化放热量按式(4)计算：
(3)
式中：M为同时使用的机电设备总额定功率UW);
高地温隧道施工热环境控制的主要目的是为洞 内施工人员提供适宜的作业环境条件，确保人员健康 作业，并避免因热害引发安全事故。铁路隧道的施工 工序主要包括开挖作业、支护作业、衬砌作业及出碴 作业等，二次衬砌仰拱距开挖面不超过50 m,拱墙二 次衬砌距离掌子面的距离为IV级围岩不大于90 m、V 级围岩不大于70 m。为避免热环境控制范围过大而 增加高温热害处理难度和工程投资，隧道施工热环境 控制的合理区域范围为洞内人员集中作业区域。
因此，结合地热处理难度以及适应掌子面主要 作业区域施工工序安排需要，高黎贡山隧道施工热 环境控制区域为掌子面附近100 m范围；洞内其它 区域的施工运输、养道维护作业人员较少且较为分 散，以个体防护为主。
4.3隧道降温解析计算方法
Q,-qsx F,
为每掘进循环的锚喷面积(m2)。4.3.2通风降温管路传热计算方法
(4)
式中为水泥水化时单位面积放热量(kW/m2)
假设风筒安装在温度为h的隧道中，风筒中流 动的空气温升值可按式(5)计算：
ukl
ta — td ~ (td ~ tn) e \"'''r (5 )
式中士为风筒人口温度(丈）；k为风筒出口温度
a)…为隧道中风流温度(丈）；u为通风管周长(m)， 且u = W,;A为传热系数(W/m2tC);Z为通风管长度 (m);mf为风流流量(kg/s);c,,为流体的比热(J/kgH 4.3.3制冷降温计算方法
(1) 隧道开挖面需冷量
隧道开挖面机械制冷降温的冷负荷计算是确定 整个制冷降温系统的基础，其需冷量计算公式如下：
4.3.1隧道内热源散热计算方法
隧道内施工环境主要受围岩放热、地下热水散 热、机械设备散热、爆破散热、运输中碴石放热、施工 人员放热、水泥水化散热等诸多因素的共同影响，其 主要热源的热交换计算方法如下：
(1) 隧道围岩与风流热交换
隧道围岩向风流放热，主要通过对流和传导来 进行。围岩与风流间的传热量可按式(1)计算：
Q = M(U-i2) (6)
式中：M为通过空气冷却器（蒸发器）的质量风量 (kg/s);i,为空气冷却器入口风流的焓(kJ/kg);i2S 空气冷却器出口风流的焓(kj/kg)。
(2) 制冷负荷
隧道制冷降温系统的制冷负荷主要由载冷剂从 风流中吸收的热量、管道冷损和水栗的加热量三部 分组成，制冷系统制冷量应满足式(7):
Q, = KTUL{tm-t) (1)
式中：认为隧道围岩传热量(kW);l为围岩与风流 间的不稳定换热系数(W/(nf •丈））；t/为隧道周长 (m) ;L为隧道长度(m) 隧道中平均风温(丈)。
(2) 隧道内热水散热
隧道内揭示的热水直接与空气进行热湿交换， 并对空气进行强烈地加热、加湿，其对空气的放热量 可按式(2)计算：
= aF (tv - t)+ /3F (pa - pw)
为平均原始岩温(^);«为
式中:为第;需冷点
空气冷却器产冷量(W);XC入‘为第;支管道冷损(W)〇
制冷降温系统设计计算中总制冷量取：
(8)
(2)
4.4高黎贡山隧道施工热害控制
式中:a为水面对空气的对流传热系数(W/( m2 ));
f为水的散热面积(m2) ;t„为水的温度(X：) ;/8为水蒸 气对空气以气压表示的传质系数(J/(S. N));/),为水温 的饱和水蒸气压(Pa)
(3) 机械设备放热
机械设备电机或发动机所消耗的电能，最终将 转化为热能，并引起掌子面附近空气温度上升，其放
4
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本文以高黎贡山隧道斜井工区D1K198+193~
D1K203+795段为例，开展施工期间热害控制技术 的研究。结合高黎贡山隧道地热分布情况以及洞外 气温条件，采用通风降温措施控制洞内作业环境温 度；当通风降温不足以控制洞内施工环境温度时，采 用通风与制冷相结合的降温措施。
为空气的水蒸气分压(Pa)。
高地温深埋特长隧道热害综合防治关键技术研究
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4.4.1通风降温
温<341时，仅采取通风降温可满足作业环境要求;当 斜井工区施工平导和正洞采用巷道式通风，利用 岩温介于34 ~
391时
，一
般需在4 ~ 10月份的不利时
副斜井供送新鲜风，主斜井排污风。风机布置于副井 间段采取强制制冷降温措施;而对于距斜井位置较远 底部附近，新鲜风通过风机、风筒供送至隧道掌子面， 的 D1K202+900 ~ D1K203+795 段(895 m)，因供风距 风流经过开挖面时在新掘进的岩面上强烈地进行热 离较长，需在2 ~ 11月采取强制制冷降温措施。交换，以降低掌子面附近作业区域的环境温度。为增 4.4.2
制冷降温
强通风降温的有效性，风管采用双层隔热风筒。
(1) 制冷降温系统选择
根据通风降温热力计算分析，当风量达到一定 本工区热害以岩温为主，平导通过1条导热水断 量值后，继续增大风量对隧道作业区域降温的作用 裂，正洞通过2条导热水断裂，其中正洞的1条导热水 不明显，且因供风量太大，经济性较差。经模拟比较 断裂是在平导贯通后施工穿越的，预测本工区导热水 分析，正洞掌子面处风量按不小于1 200 m3/min、平导 断裂最高温度不超过43T。因此1号斜井工区正洞 掌子面处风量按不小于1 100 mVmin确定较为经济、 和平导掌子面适宜采用冷风机组进行局部降温，即在 合理。对于采用通风措施不足以将作业面环境温度 每个正洞或平导掌子面附近的风筒中安装冷风机组， 降低到28T的情况，则尚需采取强制制冷降温措施。
直接冷却风筒内即将流入开挖面的风流，并于1号斜 本隧道I拼工区地温异常段降温措施如表4所示。井洞口地面采用冷却塔排热，冷却水循环使用。
根据通风降温热力学计算结果，当本工区隧道岩
(2) 需冷量
表4 1号斜井工区隧道降温措施
Table 4 Cooling measures for the No. 1 inclined shaft work area
起点里程
终点里程
围岩温度
降温措施
/(X)1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月
D1K198+193D1K198+90030-32AAAABBBBBAAAD1K198+900D1K199+50033-34AAAAABBBBAAAD1K199+500D1K200+00035AAABBCCCBBAAD1K200+000D1K200+30036AABBBCCCCBBAD1K200+300D1K200+50037AABBCCCCCBBAD1K200+500D1K200+80038-39AABBCCCCCCBAD1K200+800D1K201+10038ABBCCCCCCCBBD1K201+100D1K201+80036-37ABBBCCCCCCBBD1K201+800D1K202+90035BBBCCCCCCCBBD1K202+900
D1K203+795
34
B
C
C
C
C
C
C
C
C
C
C
B
注:A为通风降温，正洞风量不小于1 200mVmin，平导风量不小于1 100m3/min;B为通风+局扇降温，正洞风量不小于1 200mVmin， 平导风量不小于1 100 mVrnin，对掌子面、二次衬砌等作业人员相对集中处，应增设局扇，以加快空气流通，改善作业人员的热感 应舒适度;C为通风降温+强制制冷，除按上述风量通风外，需采用机械制冷方式冷却风筒出口段新鲜空气.
1号斜井工区平导、正洞不同时施工导热水断裂， 表5斜井工区需冷量
掌子面局部制冷的需冷量按该工区最高围岩温度 Table 5 Required refrigeration capacities in inclined
39丈，并兼顾1个作业面施工穿越导热水断裂的不利 shaft work area
工况进行确定。根据热力学计算，掌子面附近l〇〇m 范围内进行局部制冷降温所需的制冷量如表5所示。
项目空冷器前焓 空冷器后焓
风量
需冷量
/(kj/kg)/(kj/kg)/(kg/s)/kW(3)降温设备配置
正洞112.24105.5420.63138.23斜井工区热害段各掌子面均配置1台ZLF型系 平导
108.11
101.28
17.51
119.56
列冷风机组进行局部制冷降温，功率不小于235
kW。制冷设备配置如图3所示。学状态计算分析，通风模式下掌子面处的环境温度 4.4.3导热水断裂热害处理
>31弋，为地热恶劣区域，需采取“通风降温+制冷降 针对本隧道通过的导热水断裂，当掌子面100
温+地下高温热水处理”的综合治理措施。
m范围内涌水量为100 m3/h,且水温>43丈时,经热力
为防止热水涌出而恶化隧道施工环境,地下热
第56卷第6期(总第389期>,2019年12月出版 S
Vol.56, No.6(Total No.389), Dec.2019
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图3斜井工区制冷降温系统布置示意
Fig.3 Layout of the refrigeration cooling system in inclined
shaft work area
水处理采取“以堵为主、限量排放”的原则，施工采取 超前帷幕注浆封堵地下热水，注浆加固圈半径为8
m,堵水标准为5m3/m*d。对于未完全封堵的地下 热水，采用隔热管道集中引排，并需确保热水在掌子 面后方20 m处归管，以减少热水散热面积及蒸汽在 洞内散发。4A4
辅助降温措施
对于高地温隧道，除采用通风降温、制冷降温措 施外，还可采用洞内低温水利用、围岩封闭隔热、个 体防护及劳动保护等辅助措施。
(1) 洞内低温水利用
对于高岩温及局部基岩裂隙热水，可利用洞内 低温水进行冷却降温，并及时封闭围岩，以避免高温 围岩或热水伤及施工人员。
(2) 个体防护
针对距掌子面较远且遭受热害的作业个体，宜 采用个体防护措施，可穿配备有干冰、压缩空气、冷 水及自冷却作用的冷却服。
(3) 劳动保护措施
结合本隧道所在区域的气候条件，可通过增加 低温休息室、提高局部风速、减少劳动作业时间等措 施进行防护。
(4) 优化调整施工组织
施工中应加强施工组织管理，地热段应尽量安排 在气温较低的季节施工，以减少机械制冷运行成本。
5高地温隧道结构与材料
5.1隧道地热段衬砌结构
在高地温地区修建隧道工程，热害可能引起隧 道衬砌结构内外侧温差过大而出现混凝土开裂现 象，从而影响结构耐久性，降低结构承载能力，甚至 还可能引起隧道运营环境温度过高,恶化隧道运营
6
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高地温深埋特长隧道热害综合防治关键技术研究
环境。由于高温差引起的温度应力是导致高地温隧 道结构出现开裂等病害的根本原因，因此可通过设 置变形缝来降低温度应力对衬砌结构的影响，或采 取隔热措施降低热传递速率，使隧道衬砌结构基本 处于一种相对正常的环境温度中，以有效降低热害 对结构和运营环境的影响。
5.1.1高温条件下衬砲结构温差控制标准
结合高黎贡山隧道热害分布特征，为确保衬砌
结构耐久性，并兼顾隧道运营环境温度控制要求，热 害隧道衬砌结构内外侧温差按不大于15T控制 5.1.2热害段隧道衬砌结构
通过热力耦合数值模拟计算，以及室内模型试 验测试，隧道地温<401的地段采用复合式衬砌结 构；隧道地温超过40^0的地段共分布有4条导热水 断裂,其地温分别为43T；或50丈,为控制衬砌结构内 外温差，并兼顾特长隧道运营环境温度控制要求，需 采用隔热衬砌，其结构型式为“初期支护+防水板+ 模筑衬砌（外衬）+隔热层+防水板+二次衬砌（内 衬)”的结构体系（图4)。
图4双层复合式隔热衬砌结构断面
Fig.4 Section of the double-layer composite thermal insulation
lining structure
隔热层的厚度设置，除有利于控制衬砌结构内 隔热层的厚度设置，除有利于控制衬砌结构内外温 差以外，还应有利于改善洞内运营环境温度。本文 以距高黎贡山隧道进口 10 800 m ~ 11 800 m的地热 影响段为例，分别取无隔热层及隔热层厚度为1
cm,2 cm, 3 cm,4 cm,5 cm 和 6 cm等7 种工况，分析
不同隔热层厚度情况下隧道内的温度分布情况，其 计算结果如图5所示。
根据图5计算结果可知，当隔热层厚度从0增加 为3 cm时，隔热效果较为明显；随着隔热层厚度的 逐渐增加，隔热的效果愈加不明显，即隔热层厚度的
高地温深埋特长隧道热害综合防治关键技术研究
10800 10900110001110011200113001140011500116001170011800
进洞距离x/m
图5不同厚度隔热层的降温对比曲线
Fig.5 Correlation curves of the cooling of thermal insulation
layer with different thicknesses
增加对隔热效果的敏感度越来越低。特别是隔热层
厚度从5 cm增加至6 cm时，其隔热效果的差异几乎 不明显。
由此说明，当隔热层厚度超过其临界厚度5 cm 时，单纯地增加隔热层厚度，并不能达到最优的隔热 效果。因此，衬砌隔热层厚度采用5 cm。5.1.3热害段隧道衬砌变形缝设置
由于隧道纵向地温变化较大，当衬砌混凝土的 温度应力为拉应力，且所受拉应力小于或等于其极 限拉应力时，可不设置变形缝;当隧道衬砌混凝土拉 应力大于混凝土的极限拉应力时，衬砌混凝土会产 生裂缝;若在混凝土会产生裂缝处设置环向变形缝， 则可避免结构在该处产生开裂。变形缝设置的纵向 间距可按公式(9)计算确定：
[Z, ] = 1.5 V/^arccosh c, dT -£—
p
(9)
式中:£为混凝土弹性模量;t为衬砌厚度;为水平 阻力系数;er为混凝土材料线膨胀系数;^为混凝 土极限拉应变。
经计算分析，当隧道岩温异常段衬砌结构内外 侧温差不大于1〇丈时
，一
般可不设置变形缝;当隧道
衬砌位于岩温或水温突变的导热水断裂等特殊地 段，且结构内外侧温差超过10 ~ 15丈时，宜设置衬砌 变形缝，其变形缝纵向间距可按不大于25 m设置。 变形缝宽度按衬砌混凝土裂缝的最大宽度确定，经
计算，结构内外侧温差介于1〇~ 15丈时，其裂缝最大 宽度为0.8 ~ 1.1 mm不等，衬砌变形缝宽度可设计为 2 cm，并按规范要求在变形缝处采取防水措施。
S.2隧道地热段耐热建筑材料及施工工艺
为确保热害段衬砌结构的耐久性，地温异常段 的隧道结构均需采用具有耐热性能的建筑材料。 5.2.1耐热型喷射混凝土
为避免高温造成喷射混凝土中的水分蒸发太 快，以及喷射混凝土与围岩之间的粘结强度太低等
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问题，通过室内模型试验开展了喷射混凝土的耐热 性、粘结强度等力学性能研究。试验结果表明，50尤 高温环境下喷射混凝土初期强度较常温条件下的 大，后期的粘结强度及抗压强度均出现倒缩现象。
通过在普通喷射混凝土材料中掺加矿粉替代部分水 泥来降低热害影响，并掺加WJS-1速凝剂和保湿 剂，可使热环境下喷射混凝土力学性能稳定性提高， 满足地温50T条件下的强度要求。5.2.2防水板
根据防水板耐热性能、高温湿热环境下透水性 能试验及力学性能试验研究结果，EVA(乙烯-醋酸 乙烯共聚物）防水板可满足50^C高温湿热环境下的 防水要求;地温50T以上的地段，为控制材料性能劣 化，可选择耐热性能更好的HDPE或NJ型防水板。 5.2.3隔热材料
通过对目前的隔热材料开展调查研究，从材料 的导热性能方面看，适宜选择的隔热材料分别为硬 质聚氨酯板、酚醛泡沫隔热保温板和硅酸盐复合绝 热材料。
根据隔热材料吸水率、导热系数及高地温热环 境下隧道模型试验的研究结果，硬质聚氨脂隔热材 料具有较高的抗压强度、低压缩性、导热系数低、吸 水率小，其隔热性能最优，可满足隧道热害段衬砌结 构隔热材料的性能参数要求。因此,本隧道热害段 隔热材料选择硬质聚氨酯泡沫保温板，其性能及指 标为:密度35 kg/m3，导热系数0.020 W/( m2 • k),抗压 强度250 kPa,抗弯强度200 kPa，断裂伸长率5%,长 度 1 000 mm,宽度500 mm,厚度 50 mm。5.2.4耐热混凝土
在室内开展高温环境下衬砌混凝土材料的力学 性能研究，试验结果表明，通过添加高性能外加剂、 复合掺合料等，可获得工作性能高、高温性能稳定、 耐久性好的衬砌混凝土。主要性能表现为：
(1)
基准混凝土长龄期高温(80T)抗压强度比
常温(20T)强度下降10%左右，而相同条件下掺粉 煤灰和矿粉改性混凝土的抗压强度可增长5.0%。
(2)
改性混凝土在60T条件下90 d的电通量仍
处于下降态式，而基准混凝土相同条件下37 d的电通 量略有增加，由此说明改性混凝土更适应高温环境。
(3)
高温硫酸盐浸泡条件下，基准混凝土60T：硫酸盐中浸泡5个月的抗压强度损失8.7%，而 改性混凝土仅损失2.3%。
(4)
根据试验结果，建议高地温段C35衬砌混
凝土配合比(kg/m3)为：水泥:砂:石:水：减水剂：粉 煤灰:矿粉=209:788:1 087:152:3.8:95:76。
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Vol.56, No.6(Total No.389), Dec.2019
在
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5.2.5地热环境下结构王要施工工艺
(1)
喷混凝土工艺：当在干燥围岩喷射混凝土
时，可向岩面喷淋冷水以保湿和降温;对潮湿围岩， 需合理减小喷混凝土的水灰比，并采用降温措施，降 低作业环境。
(2)
衬砌混凝土施作工艺：降低混凝土材料的
温度或掺加碎冰，减少水灰比，养护过程中注意保 湿,防止干湿循环引起混凝土干燥收缩裂缝。
项目
表6隧道通风计算结果
Table 6 Calculation results of tunnel ventilation
风量/(mVs)
764586
风速/(m/s)
2.41.42.7
隧道进口一1号竖井段1号竖井一 2号竖井段2号竖井一隧道出口段
考虑近期每天通行17对列车的活塞通风作用，根据
传热学理论，建立三维非稳态传热模型m,经模拟计
(3) 严格控制衬砌混凝土浇筑长度，地热恶劣
区域宜按6~ 10 m控制，必要时可于衬砌内设置循
环冷却水管降温，以避免养护期间因衬砌混凝土内 外温差过大而引起开裂。
6高地温隧道运营环境控制
本隧道为客货共线电气化特长铁路隧道，对于
运营环境控制，需采取换气通风以满足卫生条件，并 采取通风控制洞内运营环境温度。关于隧道运营环 境温度控制标准，按《TB10068-2010铁路隧道运营 通风设计规范》规定，隧道内气温应低于28丈的温湿 环境标准|61〇
6.1隧道运营换气通风
结合本隧道热害分布特征及辅助坑道设置情 况，针对隧道运营换气通风分别研究了全纵向通风 方案和分段纵向通风方案。经过方案分析比选，險 道热害位于1号竖井前后段,且该竖井距两侧的导 热水断裂均较近，从有利于洞内换气通风及控制洞
内运营环境温度的角度考虑，本隧道采用“1号竖井 主井送风+2号竖井副井排风”的分段纵向通风方 案。其通风方案平面示意如图6所示。
隧道换气通风按“天窗”维修时间90 min计，按 网络通风计算各区段的需风量如表6所示。
在机械换气通风作用下，洞外送入的低温风流 与隧道衬砌之间进行热交换，可降低洞内环境温度。 洞外风流温度按年度周期性变化作为边界条件，并
窆日+9L5
34538
图6隧道分段纵向通风方案示意(单位:m)
Fig.6 Plane sketch of segmental longitudinal ventilation
(Unit: m)
8 第56卷第6期(总第389期)，2019年12月出版
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算可得隧道贯通后第1，3,5,10年的洞内运营环境 温度，其温度分布如图7所示。根据图7的模拟计算结果，得到换气通风条件 下隧道内的平均气温和最高气温，如表7所示。隧 道贯通后的通风初期，围岩调热圈较小，隧道纵向风 流温度分布基本取决于原始岩温;随着通风时间的 增加，洞内热量不断释放，隧道围岩调热圈逐渐形成 并达到一定厚度，洞内环境温度呈逐年下降趋势,但 下降趋势随着时间的推移趋于稳定。由于机械换气 通风风速较小，难以将洞内运营环境温度控制在 281以内。
6.2隧道地温异常段通风降温
为控制隧道地温异常段的运营环境温度，在“ 1号 竖井主井送风+2号竖井副井排风”的分段纵向换气通
隧道纵向长度/m
图7机械换气通风条件下隧道温度场
Fig.7 Temperature field of tunnel under mechanical ventilation
表7换气通风条件下隧道温度分布
Table 7 Temperature distribution of tunnel under
ventilation
隧道进口一
1号竖井一2号竖井一1号竖井区段
2号竖井区段隧道出口年限
平均最高平均最高平均最高温度
温度温度温度温度温度丨{°〇KX.)/(t)/(X.)/(T：)/($)1年33.4136.1230.232.528.9429.65年31.8734.2128.6529.228.5229.310年
31.05
32.25
28.52
28.7
28.2
28.8
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风的基础上，需进一步增大洞内风速。经模拟分析, (1) 高地温隧道施工热环境控制区域为掌子面
隧道进口一 1号竖井主井区段的洞内风速需由换气风 附近100 m范围，采用干球温度28T作为隧道施工 速2.4 m/s增大至4.1 m/s, 1号竖井主井一2号竖井副 环境的评价标准，隧道开挖面空气干球温度应不大 井区段的洞内风速需由1.4 m/s增大至2.8 m/s。降温 于281。当隧道开挖面空气干球温度介于28 ~ 301 通风模式下洞内温度场分布如图8所示。
时，宜采取加大风量或局部调节风速等非人工制冷 的降温措施，并缩短工作时间；当隧道开挖面空气干 气
1次气2次球温度大于30丈时，应采取综合制冷降温措施，将气 气3 次气
4 次
温降到28T以下。
(2)
对于洞身穿越的导热水断裂，当掌子面附
近100 m范围内涌水量为100 m3/h，且水温>431时， 为地热恶劣区域，需采取“通风降温+强制制冷+地 隧道纵向长度/m
下高热温热水超前预注浆处理”的综合治理措施，控 制湿热散逸。
图8加强通风条件下隧道温度场
(3) 热害隧道地温<40丈的地段采用常规的复 Fig.8 Temperature field distribution of the tunnel under
合式衬砌结构。对于地温为40T及以上的地段，从 enhanced ventilation
控制衬砌温度应力及洞内运营环境的角度考虑，宜 采用双层复合式隔热衬砌结构,其结构型式为“初期 根据模拟计算结果(图8 )，开通运营的前2年内， 支护+防水板+二次衬砌外衬+隔热层+防水板+二次 随道降温通风频率宜为每天通风2次，开通第3年起 衬砌内衬”的双层复合式隔热衬砌结构体系，隔热层 每天通风1次;通风时间尽量选择在“天窗”维修时间
设置厚度为5 cm。
或行车间隔时间进行，每次通风时间按90 min考虑。
(4) 当隧道岩温异常段衬砌结构内外侧温差不 此外，为动态监测隧道运营环境温度，在洞身地 大于1
时,二次衬砌可不设置变形缝；当隧道衬砌
温异常段设置温度监测仪，主要设置于地温较高的 位于岩温或水温突变的导热水断裂等特殊地段，且 随道4条导热水断裂和预测最高岩温为37 ~39T 结构内外侧温差超过10 ~ 15T时，需设置衬砌变形 处，共设置5处。运营期间可根据洞内温度监测情 缝，其变形缝纵向间距可按不大于25 m设置。
况，确定机械通风降温的启动时机，以满足隧道正常 (5)
通过大量的室内试验，针对不同地温量级
运营环境要求。
的高岩温、高水温条件下的喷射混凝土、衬砌混凝 7结论
土、防水材料及隔热材料的力学性能及材料配比开 展研究，研发了适用于高地温环境的成套新型耐热 高黎贡山特长隧道位于地下热水极为活跃的高 建筑材料，并制订热害隧道初期支护、二次衬砌的相 温异常区域,洞身中部超过10 km的区段位于高地 关施工工艺。
温异常带，且分布有4处导热水断裂，最高水温达 (6)
根据传热学理论，建立高地温隧道运营环
50T。结合本隧道的工程特点、热害特征及自然环 境温度预测的三维非稳态传热模型,结合隧道自然 境条件，建立了高地温隧道施工环境温度综合防控 通风、列车活塞风、机械换气通风等因素，开展隧道 体系,采取通风降温、利用洞内低温水等天然冷却源 贯通后不同年限的洞内气温场的预测和评价，提出 降温为主，强化地下高温热水防治，设置机械强制制 利用隧道热害段深大竖井分段纵向通风降温及增大 冷的综合降温降湿措施，提出了高地温隧道衬砌结 供风量加强通风的运营环境控制对策，即利用隧道 构热害设防体系，研发了适用于高地温环境的新型 热害段的施工生产竖井作为运营期间的通风井，直 耐热建筑材料，构建了高地温隧道运营环境评价与 接将洞外冷空气压送至洞内高温热害段进行冷却降 保障体系，形成了高地温隧道热害综合防治的成套 温。运营期间降温通风时机，宜尽量选择“天窗”维 技术及设计方法，主要结论如下：
修时间或行车间隔时间进行。
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Study on the Key Techniques for Comprehensive Control of Heat Harm of the
Deep-buried and Super-long Tunnel with High Ground Temperature
FAN Lei
(China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610031)
Abstract It is of high risks to build super-long tunnels in the area with high ground temperature which brings great challenges to the tunnel construction and operation. Based on the Gaoligongshan tunnel on Dali-Ruili railway, the longest under construction in China, the key techniques for comprehensive control of heat harm of the super- long tunnel are studied, the standard of thermal environment control and the reasonable area of heat harm control are determined, a series of combined cooling methods like ventilation, refrigeration and geothermal water treatment are designed, and the supporting system of tunnel structure and anti-cracking measures under high ground temperature are proposed; the new construction materials suitable for high temperature environment are developed by indoor model test; a three-dimensional unsteady heat transfer model is established according to the theory of heat transfer, the temperature field under tunnel operation environment is simulated, and the cooling countermeasures of segmented longitudinal ventilation by using ventilation shafts during tunnel operation are worked out.
Keywords High ground temperature; Super-long tunnel; Comprehensive control of heat harm; Ventilation cooling; Refrigeration cooling; Pre-grouting for sealing geothermal water; Double-layer composite thermal insulation lining structure; Deformation joint of lining; Heat-resistant construction materials; Operation environment control
10
第56卷第6期(总第389期>,20丨9年12月出版Vol.56, No.6(Total No.389), Dec.2019
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