高地溫超長超深隧道斜井施工技術(shù)研究

廖 郁

(四川路橋盛通建筑工程有限公司，四川 成都 610066)

0 前 言

隨著建設(shè)的發(fā)展,高地溫隧道斜井逐漸成為地下工程施工中遇到的熱點(diǎn)問題。與常溫隧道斜井的施工不同,因特殊的施工環(huán)境為高地溫隧道斜井帶來許多施工難題,造成了人員危害，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)效率低下、周圍作業(yè)環(huán)境不能滿足人員作業(yè)要求。高地溫隧道斜井研究與實(shí)際工程緊密相關(guān),促進(jìn)高地溫隧道斜井的發(fā)展與研究。本文依托樂漢高速金口河隧道斜井工程,通過對高地溫段施工進(jìn)行介紹,提出了有關(guān)高地溫隧道斜井施工的幾點(diǎn)建議,為其他類似高地溫隧道斜井工程施工提供科學(xué)依據(jù)。

1 金口河隧道斜井概況

擬建金口河隧道為樂漢高速的控制性工程之一,地處中高山峽谷之內(nèi),金口河隧道長度達(dá)到8 km,進(jìn)口位于四川省峨邊彝族自治縣宜坪鄉(xiāng)群力村巖門子下方官料河左岸陡坡中下部。

全遂設(shè)置通風(fēng)斜井一座，斜井地處高地溫段內(nèi)，設(shè)計(jì)雙斜井二區(qū)段分段縱向式通風(fēng)方式。擬建金口河隧道斜井位于四川省樂山市峨邊彝族自治縣楊村鄉(xiāng)土地堂。斜井左線全長1 700.541 m，樁號范圍：ZXK0+010.459～ZXK1+711；右線全長1 630.312 m，樁號范圍：XK0+015.688～XK1+646，斜井平均縱坡10.9%。

2 高地溫段判斷

2.1 判斷依據(jù)

為了保證斜井施工人員進(jìn)行正常的施工作業(yè)，相關(guān)部門對斜井施工作業(yè)環(huán)境要求都作了具體規(guī)定。其中，鐵道部規(guī)定隧道斜井施工區(qū)域內(nèi)溫度應(yīng)在28 ℃以下；交通部規(guī)定隧道斜井施工區(qū)域內(nèi)溫度應(yīng)在30 ℃以下。國外相關(guān)資料中也作了規(guī)定，其中，日本規(guī)定隧道斜井施工區(qū)域內(nèi)溫度應(yīng)在37 ℃以下。

2.2 判斷方法

1)在洞內(nèi)掛溫度計(jì)進(jìn)行溫度監(jiān)測。

2)當(dāng)施工區(qū)域地溫很高時，在隧道斜井開挖面前方一段長度處，采用平導(dǎo)進(jìn)行超前鉆探，通過取樣觀察施工區(qū)域前方的地質(zhì)條件，若鉆孔過程中出現(xiàn)熱水冒出，則通過在平導(dǎo)內(nèi)安放降排水設(shè)施和鉆孔將隧道內(nèi)的水位維持在安全高度范圍內(nèi)。

3 高地溫段施工工藝

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報

金口河隧道及斜井地質(zhì)條件極為復(fù)雜，隧道斜井施工地處高地溫區(qū)域內(nèi)，在隧道施工時應(yīng)將施工區(qū)域洞內(nèi)探測與洞外地面調(diào)查相聯(lián)系、長距離總體預(yù)報和短距離精確預(yù)報相聯(lián)系、地探和物探途徑相聯(lián)系，進(jìn)行多角度、多手段的綜合超前地質(zhì)預(yù)報，利用超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)保證金口河隧道及斜井施工的順利實(shí)施。

3.2 高地溫段通風(fēng)

在金口河隧道斜井高地溫段施工降溫過程中，采用加強(qiáng)通風(fēng)的技術(shù)手段對隧道斜井進(jìn)行降溫處理，如圖1所示。在隧道施工時，通過設(shè)計(jì)合理的通風(fēng)方案加大隧道內(nèi)風(fēng)的流動速率，將熱能排出隧道外，將隧道斜井內(nèi)的溫度控制在正常施工范圍內(nèi)。

圖1 金口河隧道進(jìn)口端工區(qū)劃分示意圖

3.2.1 通風(fēng)方式

1)斜井工區(qū)。將金口河隧道左右洞送排風(fēng)斜井施工劃分為斜井工區(qū)，該工區(qū)包括斜井進(jìn)口到與主洞聯(lián)通的施工過程。該工區(qū)采用獨(dú)頭壓入的通風(fēng)方式。

2)斜井輔助工區(qū)。從斜井與主洞聯(lián)通處到合同分界點(diǎn)為斜井輔助工區(qū)，里程:K64+650～K65+380(合同分界點(diǎn))，該工區(qū)劃分為兩個區(qū)段。

1)第一區(qū)段：獨(dú)頭壓入式通風(fēng)，里程：K64+650～K64+880(洞內(nèi)聯(lián)系道)，獨(dú)頭壓入最大長度1 940 m。

2)第二區(qū)段：巷道式通風(fēng)，里程：K64+880～K65+280(合同分界點(diǎn))，獨(dú)頭壓入最大長度400 m。

3.2.2 需風(fēng)量計(jì)算

開挖面送風(fēng)量計(jì)算按照以下幾個因素分別計(jì)算，取最大值作為送風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)的控制風(fēng)量，具體按各因素計(jì)算結(jié)果如下。

1)按洞內(nèi)工作面同時工作的最多人數(shù)計(jì)算送風(fēng)量：

Q人=q·n·k

(1)

式中，q為洞內(nèi)工人的用風(fēng)量，取3 m3/min·人；n為斜井工區(qū)和斜井輔助工區(qū)作業(yè)面最多人數(shù)，分別為60人和80人；k為備用系數(shù)，取1.6。

金口河隧道用風(fēng)量在斜井工區(qū)為：Q人=288 m3/min

在斜井輔助工區(qū)為：Q人=384 m3/min

2)按隧道內(nèi)最小允許風(fēng)速計(jì)算送風(fēng)量：

Q風(fēng)速=S·V

(2)

式中，S為隧道斜井工區(qū)和輔助工區(qū)的開挖面積；V為隧道內(nèi)最小允許風(fēng)速，通過現(xiàn)場實(shí)地勘察，將最小允許風(fēng)速取為0.5 m/s。

金口河隧道斜井工區(qū)和斜井輔助工區(qū)最大開挖面積分別為57.4 m2和78.6 m2。因此，斜井隧道按上述條件計(jì)算得到：

斜井輔助工區(qū)送風(fēng)量為：Q風(fēng)速=1722 m3/min

斜井輔助工區(qū)送風(fēng)量為：Q風(fēng)速=2358 m3/min

(3)

式中，t為送風(fēng)時間，取30 min；A為爆破炸藥量，取200 kg；b為每kg炸藥爆炸釋放CO量，取40 L/kg；L為排煙安全距離，m；P為風(fēng)管首尾端送風(fēng)量之比，取1.2；C為送風(fēng)要求達(dá)到的CO濃度，取0.025%。

排煙安全距離：

(4)

代入可得：

Q炸藥=1 333 m3/s

4)按無軌運(yùn)輸洞內(nèi)計(jì)算送風(fēng)量。通過無軌運(yùn)輸?shù)姆椒ㄟM(jìn)行洞內(nèi)送風(fēng)量計(jì)算時，還需考慮對機(jī)器設(shè)備產(chǎn)生的尾氣進(jìn)行降解處理，供風(fēng)量應(yīng)大于尾氣降解速率，以滿足對尾氣的降解要求。

在《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF60-2009)中規(guī)定應(yīng)按4.5 m3/(kW·min-1)對釋放出的尾氣進(jìn)行降解處理。在金口河隧道作業(yè)面區(qū)域內(nèi)布置液壓反鏟機(jī)1臺、裝載機(jī)1臺、掌子面附件自卸汽車2臺；其工作功率分別為120、160、210 kW。

Q內(nèi)=H·q·k

(5)

式中，H為內(nèi)燃設(shè)備總功，kW；q為內(nèi)燃設(shè)備單位功率供風(fēng)量，4.8 m3/(min·kW-1)；k為功率系數(shù)，取為0.6。

經(jīng)計(jì)算可得：

掌子面附近的內(nèi)燃機(jī)作業(yè)送風(fēng)量均為：Q內(nèi)=2 016 m3/min

綜上所述，金口河隧道施工通風(fēng)斜井送風(fēng)量應(yīng)為2 016 m3/min，通風(fēng)斜井輔助區(qū)送風(fēng)量應(yīng)為2 358 m3/min。

3.2.3 通風(fēng)方案

1)斜井工區(qū)。在斜井工區(qū)采用壓入式通風(fēng)，左線送排風(fēng)斜井和右線送排風(fēng)斜井均布置壓入式軸流風(fēng)機(jī)1臺和局扇通風(fēng)機(jī)1臺，其工作功率分別為160 kW和7.5 kW。軸流風(fēng)機(jī)置于距斜井進(jìn)口30 m處，風(fēng)管前端距掌子面10 m。局扇置于二襯臺車前方20 m處，以防發(fā)生局部瓦斯聚集現(xiàn)象。通風(fēng)布置如圖2所示。

圖2 斜井工區(qū)通風(fēng)示意圖

2)斜井輔助工區(qū)。

(1)第一區(qū)段。里程：K64+650～K64+880。斜井與主洞聯(lián)通后開始斜井輔助主洞施工第一區(qū)段，采用壓入式通風(fēng)，通風(fēng)方案如圖3所示。隧道左線和右線通風(fēng)設(shè)備布置相同，包括：壓入式軸流風(fēng)機(jī)各1臺、局扇通風(fēng)機(jī)各1臺；功率分別為160 kW和7.5 kW。軸流風(fēng)機(jī)置于斜井口后方30 m處，風(fēng)管前端與掌子面間距10 m。局扇置于二襯模筑臺車前方20 m處，以防發(fā)生局部瓦斯聚集現(xiàn)象。

圖3 斜井輔助工區(qū)第一區(qū)段通風(fēng)示意圖

(2)第二區(qū)段。里程：K64+880～K65+380。洞內(nèi)聯(lián)系道貫通后，采用巷道式通風(fēng)方案，如圖4所示。隧道左線和右線通風(fēng)設(shè)備布置相同，包括：Ф1.6m軟風(fēng)管、壓入軸流風(fēng)機(jī)各1臺、射流風(fēng)機(jī)4臺和局扇風(fēng)機(jī)各1臺；功率分別為160、15、7.5 kW。軸流風(fēng)機(jī)置于洞內(nèi)聯(lián)系道后方30 m處，風(fēng)管前端與掌子面間距10 m。射流風(fēng)機(jī)分別于左線斜井1臺，左右線主洞和洞內(nèi)聯(lián)系道各布置1臺。局扇置于二襯模筑臺車前方20 m處，防止發(fā)生局部瓦斯聚集現(xiàn)象。

圖4 斜井輔助工區(qū)第二區(qū)段通風(fēng)示意圖

4 總 結(jié)

通過對樂漢高速金口河隧道斜井高地溫段施工進(jìn)行介紹，從通風(fēng)降溫的角度出發(fā)，對高地溫區(qū)域內(nèi)的隧道斜井施工技術(shù)做了較為全面的總結(jié)。通過公式計(jì)算通風(fēng)量并設(shè)計(jì)合理的通風(fēng)方案對隧道斜井進(jìn)行相應(yīng)的降溫措施，有效地降低了施工區(qū)域內(nèi)的環(huán)境溫度，將隧道斜井施工區(qū)域內(nèi)的環(huán)境溫度控制在28 ℃左右，環(huán)境溫度能夠滿足隧道斜井施工的要求，機(jī)械設(shè)備與施工人員在高地溫區(qū)域能正常作業(yè)，保證了金口河隧道施工的順利進(jìn)行，同時也為其他高地溫隧道斜井施工提供了科學(xué)依據(jù)。

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