第３０卷第５期 ２ ０ １ １年１ ０月 四川水力发电 Ｖｏｌ＿３０．Ｎｏ．５ ０ｃｔ．．２ ０ １ １ Ｓｉｅｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ 地下工程施工中高地温、高温热水治理技术研究 周菊兰， 郑道明 （中国水利水电第十工程局有限公司，四川成都６１００７２） 摘要：在具有特殊地理和地质条件下的高原地下工程施工中穿越高地温、高温热水区域时，给施工人员、设备带来很大的 影响，在高地温、高温热水条件下如何综合降温、确保安全爆破并有效地在高地温、高温热水隧洞中进行施工，降低高地温、 高温热水温度的措施就显得非常重要。 关键词：高地温；高温热水；冰碛层；隧洞；地下工程施工 中图分类号：Ｘ９２８．０３；ＴＶ５５４ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１－２１８４（２０１１）０５－００８１－０４ １ 概述 施工难度增大，在高温热水环境下施工造成作业 在云南黑白水三级电站及四川娘拥水电站、 乡城水电站、新疆布仑口－公格尔水电站引水隧洞 开挖过程中，受复杂的水文地质条件及隧洞断面 人员伤病多，施工效率降低。同时，因不良地质条 件造成施工工序多，处理不良地质洞段作业循环 时间长，施工进度缓慢，施工成本增高，当有较大 的热水集中涌出时，往往造成作业面停工处理。 黑白水三级水电站引水隧洞全长２ ３１１．７ ｍ，隧洞 断面为４ ｍ×３．６ ｍ城门型，隧洞施工历时５８个 小等因素的影响，在隧洞开挖过程中出现高地温、 高温热水大量涌出的情况。当隧洞内出现高地 温、高温热水等恶劣地质条件时，造成隧洞内热气 腾腾，能见度仅为３～５ ｍ，施工人员进人工作面 月，力尽艰辛，克服各种困难，其中８００ ｍ高温热 水段隧洞施工历时３７个月才完成。 ２几座较为典型水电站的基本地质条件 ２．１娘拥水电站 后在较短时间内就会使人感觉胸闷，时间稍长即 眩晕呕吐。由于洞内高温热水涌出后产生大量的 热蒸汽，裹去了一部分氧气，使有高温热水的隧洞 内氧气含量下降而导致机械油料燃烧不完全，造 成机械出力下降３０％左右，使施工机具故障频率 增高，隧洞内进行排水的水泵由于长期抽排高温 该工程引水线路沿线河谷狭窄，山体雄厚，谷 坡陡峻，引水隧洞穿越的地层岩性为印支期斑状 黑云母花岗岩，三叠系拉纳山组下段（Ｔ３１１）灰色 厚～中厚层砂岩夹板岩，三叠系上统拉纳山组上 段（１’３ｌ２）板岩、砂岩互层。 （１）１号支洞初次出现地热异常部位是在桩 号Ｋ０＋１２０前后，爆破后岩石温度为４０％，岩性 为花岗岩且局部潮湿，并拌有渗水，花岗岩中长石 风化局部严重，风化带呈不规则分布。在桩号０ ＋１００～０＋２３０洞段的地温值为２５．８℃～３８．８℃， 地温值趋势为每１０ ｍ增长１ ｏＣ。在桩号０＋２４０ 处右侧下部有一股热泉涌出，水量约１０ ｍＬ／ｓ，导 致该部位地温值为４９．８℃，在桩号０＋２９０处爆 破后岩面温度达到４８℃一５ＯｃＣ。 热水而造成水泵的损坏率增高，洞内施工无法正 常进行。如云南黑白水三级水电站施工到桩号０ ＋１８０—１＋０００段时，隧洞埋深８０—１４０ ｍ，表层 ３０～６０ ｍ为冰碛层。该段洞内热水温度达到５８ ℃一６０ ｃ【＝，热水流量稳定并达到３００ ｍ ／ｈ以上。 在四川乡城娘拥水电站引水隧洞１号支洞下游桩 号Ｋ０＋９７２一Ｋ１＋０１７．４处，隧洞开挖穿过高温 热水断层，该段隧洞出现高温热水涌出，经实测最 大水温达７８℃，热水流量达到３０ ｍＬ／ｓ。爆破后 岩石表面温度达到６Ｏ℃一７２℃，炮孔内温度达 到６２℃一７５℃，隧洞爆破后洞内环境温度达到 ５０℃。通风３０ ｍｉｎ后，岩石表面温度下降４ｑＣ一 ６￣Ｃ，洞内环境温度下降６℃～８ｃＩ＝。由于隧洞内 高地温、高温热水恶化了隧洞施工环境，使隧洞的 收稿日期：２０１１－０５４３６ （２）下游隧洞开挖至Ｋｌ＋０１７．４时，花岗岩 锈染严重，局部风化，洞壁潮湿。随着开挖的推 进，温度呈逐渐升高的趋势。在桩号Ｋ０＋９８６处 分布一条左旋逆冲断层，即热水断层，产状Ｎ２０。 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ田 周菊兰：地下工程施工中高地温、高温热水治理技术研究 ２０１１年第５期 ＥＮＷＬ８５。，该处为花岗岩与拉纳山组下段分界 线，上盘为拉纳山组下段的砂板岩，下盘为花岗 岩。桩号１＋０１７．４处掌子面中下部分布一出水 ３．１ 高地温的规定 在地下工程隧洞施工过程中，隧洞中出现高 地温、高温热水涌出时，使施工环境和隧洞内条件 点，流量约３０ ｍｌＭｓ，水质透明，无味，泉眼周围有 较多钙质沉积，水温高达７８℃。 变得恶劣，隧洞内的高地温、高温热水实质上是劳 动保护问题，也是生产安全问题。为改善施工条 件，确保施工人员的劳动安全，国家有关部门对隧 洞施工作业环境的卫生标准均作了有关规定。 （１）铁道部在隧洞施工中作了明确规定：隧 （３）该工程热水断层的空间展布特征为：断 层走向为近ＳＮ～Ｎ２０。Ｅ之间，倾向ｗ或ＮＷ，倾 角６Ｏ。～８０。，断层带宽２０—４０ ｍ，断裂带由强烈 构造作用形成的构造岩（片状岩、破裂岩、碎裂 岩）及少量的断层泥构成，总体挤压紧密，断层面 平直，可见明显的擦痕及阶步，显示左旋走滑断层 特征，擦痕侧伏角约２５。，水平错距约３００ ｍ，长度 大于２０ ｋｍ。 ２．２黑白水水电站 该工程高温热水洞段长８００ ｍ，地表５—６０ ｍ 为冰碛层，隧洞通过洞段岩性为深灰～灰黑色页 岩，间夹砂质页岩及薄层砂岩，岩石由强风化至弱 风化，岩石软弱，节理发育，局部地段有少量裂隙。 特别是在热水塘背斜轴（桩号０＋４２０）前后，岩层 倾角小，掉块较多，还经常出现裂隙水集中突涌现 象。 桩号０＋６３６～０＋６５７段为Ｆ２断层破碎带， 围岩受高地温、高温热水影响，胶结极差，部分角 砾填充物泥化，在与热水相互作用后，填充物呈流 体状。 ２．３布仑口．公格尔水电站 该工程施工区位于高程２ ６００～３ ４００ ｍ的高 原山区，隧洞最大埋深约１ ６００ ｍ，引水隧洞全长 约１８ ｋｍ，隧洞穿越的地层岩性主要为Ｑｌ半胶结 含碎石土、黑色石墨片岩、长石石英片岩、绢云母 石英片岩、二云母石英片岩、绿泥石石英片岩、黑 云母花岗岩。在隧洞施工过程中，２、３、４号施工 支洞都出现了高地温现象，隧洞掌子面最高温度 为６７￣Ｃ，掌子面岩体钻孔孔内最高温度达８２％。 经设计分析认为引水隧洞主洞桩号Ｋ２＋６８０一Ｋ６ ＋７７９段存在高地温。该段隧洞围岩岩性为云母 石英片岩夹石墨片岩，隧洞内干燥，未见地下水出 露。产生高地温的原因主要是高原区域热流值背 景下地质结构的不均匀性导致热传导条件的空间 变化和不均匀性引起的，并由热传导条件较好的 石墨片岩的局部区域相对集中所引起。 ３ 高地温的规定与高温对施工人员的影响 四Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ 洞施工过程中，隧洞内气温不得超过２８℃。 （２）交通部也对隧洞施工中的温度作了明确 规定：在隧洞施工过程中，隧洞内气温不宜高于 ３０℃。 （３）水利部在水工建筑物地下开挖工程施工 规范中也有明确规定：洞内平均温度不应高于２８ ℃和作业区的噪声值不应大于９０ ｄＢ。 （４）根据国外一些资料介绍：在隧洞施工过 程中，日本规定隧洞内温度应低于３７￣Ｃ。 ３．２高温对施工人员的影响 在高地温条件下施工与常规气温条件下的施 工环境存在很大差异。当在高地温隧洞施工中， 掌子面气温达到４３￣Ｃ时，洞内蒸气腾腾，能见度 仅为３—５ ｍ，施工人员进入工作面在很短时间内 即感觉胸闷，时间稍长就会出现眩晕呕吐，施工人 员无法正常作业。由于隧洞内恶劣的工作环境造 成施工人员伤病多，工效低。在高地温、高温热水 条件下施工时，对施工人员主要应防止中暑症的 发生。中暑症又分为热痉挛症、热虚脱症、热射症 三种类型。 （１）热痉挛症：由于洞内温度较高，施工人员 出汗过多，体内的水分、盐份损失过多而引起的病 症。其症状是施工人员在作业时和作业后产生阵 发性肌肉痉挛和疼痛。施工人员应充分补充盐水 予以缓解症状，严重者应到医院输液治疗。 （２）热虚脱症：施工人员在高地温、高温热水 的影响下，体内水分由于出汗而大量流失，同时又 没得到及时的补充，使施工人员出现热虚脱症。该 症的主要状况为血压降低、脉搏加快，头晕、头痛、 呕吐、全身无力、脸色苍白，体温也产生变化。应及 时把热虚脱人员送到阴凉、通风处静卧休息，并增 ＪＪｎｌｔ，充葡萄糖盐水，严重者应及时送医院处理。 （３）热射症：由于施工人员较长时间在高温 环境中工作，虽然补充了盐水，但环境温度远高于 第３０卷总第１４７期 四川水力发电 ２０１１年１０月 人体体温，使人体体温调节中枢失调，体温上升： 其特征为：体温高、兴奋、乏力和皮肤干燥等。应 孔的顺序进行，按先装低温孔，再到高温孔的装药 顺序实施。 （６）全部炮孔装药完成后，应用最短的时间 堵塞炮孔，堵塞材料用泥土加沙做成泥条堵塞炮 在温度、湿度、通风较好的地方休息静养，结合药 物治疗，严重患者应及时送医院治疗。 施工单位应根据隧洞内高温程度，增加班次， 缩短每个班的作业时间，隧洞内应保证供水，经常 孔，严禁使用含硫化物的岩粉作炮孔堵塞材料。 （７）当炮孔内温度为６ＯｏＣ～８０℃时，应对炸 送绿豆汤到现场供施工人员饮用，并提供舒适的 休息场所。为确保施工正常进行，必须保证施工 人员的健康和安全，加强健康管理，对患有高血 压、心脏病、肝炎、身体欠健康、岁数偏大者均不适 宜到高温的隧洞内工作。 ４高温下的爆破作业要求 由炸药的性能可知：炸药的热分解是一种缓 慢的化学变化，其特点是化学变化的反应速度与 环境温度有关，当通风散热条件不好时，分解热不 易散失，很容易使炸药温度自动升高，进而促成炸 药热分解加剧而导致炸药热分解反应转变为燃烧 或爆炸。值得注意的是：炸药在不同的反应形式 下，其能量的释放速度和释放形式不同，一旦炸药 由热分解意外地转化为燃烧甚至爆炸，极易造成 重大事故。 所以，在高地温洞段进行爆破施工时，为确保 隧洞内施工人员的安全，炮孔装药时应严格遵守 下列规定： （１）高地温洞段的爆破是危险作业，要制定 特殊的管理制度、操作规程和事故应急救援预案 等制度，并对爆破人员进行严格培训。在装药前， 要根据现场情况制定完善的爆破方案和事故应急 救援预案，指定专人现场负责指挥。 （２）装药前应及时清场，把场内与装药和放 炮无关的其他施工人员清理离场后再进行装药作 业。 （３）炸药、雷管、起爆体应在清场完成后及时 送到装药现场，以减少高温对炸药、雷管、起爆体 的影响。 （４）装药前应测定工作面与炮孔内的温度， 炮孔内的温度不应高于炸药安全使用温度，装药 前应加强通风，用低温水冲洗炮孔，采取齐头喷雾 水降温。 （５）装药时，应多派熟练的炮工进行装药，根 据掌子面大小、炮孔的多少安排４—７人同时装 药，每位炮工应分片装药，应从易装炮孔到难装炮 药进行保护，用石棉织物将炸药包裹完好，使炸药 不与炮孔岩壁接触，从向炮孔内装药至起爆的相 隔时间不应超过１ ｈ。 （８）在装药过程中，应安排专人全程监护，发 现炮孔内逸出棕色浓烟等异常现象时，应立即报 告爆破现场指挥人员，并迅速组织现场施工人员 撤离。 （９）当炮孔内的温度为８０％～１４０％时，应 采用石棉织物或其它绝热材料把炸药条严密包装 好，这时，炮孔内起爆体不准装雷管，可采用防热 处理的黑索金导爆索起爆，装药至起爆的间隔时 间应经过模拟试验确定。 （１０）孔内温度超过１４０￣Ｃ时，所有爆破器材 应采用耐高温爆破器材。 ５综合降温措施 针对高地温、高温热水洞段（隧洞内出露的 温泉水温达到７８。【＝、岩石表面温度为６０℃～ ７２￣Ｃ、炮孔温度为６２￣Ｃ～７５ｑＣ、爆破后环境温度 为５０℃）的实际情况，为改善隧洞内恶劣的施工 条件、确保施工人员身体健康和劳动安全，隧洞开 挖作业面的温度不宜超过２８ ｏ【＝，隧洞内最适于施 工人员作业的温度是１５℃～２０％。所以，在高地 温、高温热水隧洞施工中，必须采用多种综合技术 措施进行降温，加强通冷风、增加冷水掺入量、加 强抽排水、加强齐头２０ ｍ冷水喷雾等综合措施。 （１）加强洞内抽排水：为减弱热水蒸发面积、 使洞内气温和蒸气饱和度充分的减小，缩短热水 在洞内与空气中进行热交换的时间，有利于降低 洞内环境温度。应根据洞内渗水量的大小配备抽 水设备，把洞内热水及时有效的抽到洞外，并应配 备备用抽水泵。 （２）加强通风：通风是降低洞内环境温度、抽 出洞内有害烟尘、改善洞内作业环境最重要的方 法。在隧洞高地温环境下，采用常规的压人式通 风难以达到降低洞内环境温度的作用，采用混合 通风方式，一台风机压入、一台风机抽出，可以有 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ圜 周菊兰：地下工程施工中高地温、高温热水治理技术研究 ２０１１年第５期 效加强洞内空气对流，抽出风桶的出口应离压入 ３５ｃＣ以内。当满足雷管安全存放的温度条件、装 风机入口３０ ｍ远，避免风机把排出的热空气再次 药准备工作就绪后，由熟练的炮工快速进行炮孔 压人到洞内。采用混合通风方式，加快洞内空气 装药，总装药时间原则上不宜太长。 循环，减少洞内热气散发和蒸气浓度。如果洞内 ６结语 环境温度较高，输人空气经降温后再压人到隧洞 隧洞在高地温、高温热水条件下施工时，从多角 中才能达到降温的目的。 度、多方法采用综合降温措施是有效的、切实可行的 （３）注入冷水降温：在洞内高温热水出露点 方法，特别是在断面较小的隧洞施工中，在采用复杂 开挖集水坑，让高温热水集中在坑内进行抽排，同 的设备降温困难的情况下，综合降温措施在技术可 时，从洞外抽冷水掺人到高温热水池中进行降温， 靠方面有其优越眭。但应注意以下几 要求： 以达到洞内热水的部分热量被冷水吸收的目的， （１）在高地温、高温热水隧洞段的开挖中，必 减少热水散发在洞内空气中的热量，有利于降低 须制定严格的爆破措施及相应的应急救援预案和 洞内环境温度，水泵抽水容量应根据洞内高温热 爆破操作规程等方面的管理制度。特别是在高地 水的涌出量大小进行及时调整。 温洞段的施工环境及实施爆破作业十分危险，须 （４）喷雾降温：把洞外冷水管接入洞内后，对 经常对施工人员进行安全教育，要求施工人员严 高温热水流量较集中的洞段，从冷水管上接支管 格按措施作业，装药现场雷管隔热是关键，其次是 和喷雾喷头向洞内喷射冷水雾幕，通过水雾冷却 炸药量控制上要严谨，爆破人员必须了解和掌握 洞内岩面，冷水雾和洞内热空气混合，也同样可以 不同炸药对温度的要求，确保施工安全。 较好的降低洞内温度，同时达到降低粉尘浓度、改 （２）高地温洞段施工的速度缓慢，人工、机械 善施工作业环境的作用。 效率低，施工成本较高，每循环进尺所需时间增 （５）冷冻设备降温：在高温洞内施工，有条件 大，在每循环施工过程中，采取每隔２ ｈ换班作业 的业主和施工单位可以采用机械降温的方式。冷 工作制，以降低施工人员的劳动强度。 冻设备能使水结冰，温度降到一１０℃以下。使用 （３）在高地温洞段施工时需安排专人对洞内 该设备将增大投入，加大工程造价，一般情况下不 的环境温度和岩体表面温度及钻孔后的孔内温度 采用。 进行测定，并分析原始的温度变化情况，而技术人 （６）合理安排高温作业时间：由于高地温、高 员应根据温度变化及时采取相应的降温措施。 温热水的特点而使施工人员体力消耗大、劳动效率 （４）根据所收集到的资料看：所出现的高地 低，施工中采取２ ｈ换班１次的工作制度，每天６个 温、高温热水的工程都地处高原。在高原从事施工 班交替循环作业，以降低施工人员的劳动强度。 作业，存在缺氧的气候条件，再加上地质条件上的 （７）炸药保护方法：爆破采用定型隔热药卷， 高地温、高温热水，使施工作业环境异常艰苦。因 把炸药装入特制的聚乙烯管内，药管孔底用潮湿 此，在高原上进行高地温、高温热水洞段的施工，需 粘土封堵１０ ｃｍ，药包装置到聚乙烯管后，再用潮 选用体质好的作业人员从事洞内施工作业，对有高 湿粘土封堵３５ ｃｍ，然后在聚乙烯管外包裹一层 血压、心脏病、体质较弱人员应严禁进洞作业。 隔热层。药包加工制作应由专职熟练的炮工在安 作者简介： 全地点进行。 周菊兰（１９７１－），女，四川资中人，工程师，从事水利水电工程施工 （８）当隧洞掌子面全部钻孔成孔后继续用水 技术与管理工作； 郑道明（１９５５一），男，重庆市人，副总工程师，教授级高工，从事水 进行循环降温，并测试岩体钻孔孔内温度是否在 利水电工程施工技术与管理工作． （责任编辑：李燕辉） ●●ＩＩｉ◆Ｉ◆◆ＩＩ●Ｉ◆ＩＩｉＩ◆ＩＩ◆ ●Ｉ◆ｉｌｌｌ●¨Ｈ◆●Ｉｉ◆，１◆ ●，１◆ｉｌｌｌ●，ＦＩ●，ｌＵ ｌ◆ ＩＩ◆ ◆一ＩＬ ｌ●，１◆４１１ １●，１Ｉ◆，ＩＩｉＩ●，ｌＩ◆ｑｌ￣Ｉｌ●，１１１◆ＩＩｉ◆，ｌ 水利部科技推广计划项目“水电风能互补机电仿真技术推广应用＂通过验收 ２０１１年８月１２日，水利部科技推广计划项目——“水电风能互补机电仿真技术推广应用”在杭州通过验收。专家 组验收评审意见认为：承担单位在水电风能互补机电仿真技术研究基础上，通过技术集成和创新，研制开发了一套多能 互补储能调节器，具备能量互补、优化利用清洁能源功能。在浙江海山潮汐电站建立了水电风能互补试验点，选用了能 在不同风速情况下自由切换的双叶轮风机，大幅度提高了风力机的效率。试验结果表明，水电风能互补技术可有效提高 发电综合效益，对促进我国可再生能源的发展具有积极意义。 田Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ