摘 要：本文针对禄劝铅厂引水隧洞突发性高地温地质情况，分析了高地温的热源及产生原因，说明了高地温给施工带来的困难及危害；介绍了施工中采取的各种综合技术措施，研究探讨了高地温隧道通风降温的计算方法及应用，进行了用于指导施工的通风降温计算。可供类似工程参考。Regarding a geological phenomenon happening, as high ground temperature was appearing in headrace bore at Luquan Lead Smelter, the paper analyses the cause of high ground temperature, and its heat source to explain the difficulties and hazards brought to the construction by high ground temperature. It also presents various comprehensive measures taken for the construction, study of probing calculation method of lowering temperature for the ventilation in tunnel with high ground temperature, and calculation for lowering temperature of ventilation as a guide for construction to provide a reference for similar projects.

1  工程概况

禄劝铅厂水电站工程位于云南省昆明市禄劝县境内的普渡河下游，电站装机容量2×57MW，工程规模为中型。我单位施工的C2、C3标为发电厂引水隧洞SD0+100-SD5+690段，隧洞开挖为圆形断面，开挖直径为786～810cm，初期支护断面为77cm，如图1所示。隧洞沿线地表坡度变化大，前后段山体宽厚，中部缓和，冲沟切割较深，岩体倾向右岸，形成有前后两级陡岩组成的向普渡河倾斜的大斜坡地貌，隧洞最大埋深为380m，由3条支洞施工，洞身穿过围岩岩性为震旦系灯影组，含硅质条带白云岩，岩体性脆、质硬。受区域断裂影响，隧洞附近河左岸猫得村出露一热泉，其矿化度较高；库外枢纽下游多处发育热泉，含硫量大，矿化度高，出露于普渡河背斜倾伏段。

普渡河流域地处低纬亚热带高原湿润季风气候区。本流域具有年降雨量集中程度高，光热资源条件好，降雨量丰富，干湿季分明的特点。根据气象站资料统计，多年平均气温在14.7℃～15.8℃，极端最高气温在31.4℃～33.4℃，极端最低气温在-7.8℃～6.5℃，最热月（7月）平均气温19.7℃，最冷月（1月）平均气温7.7℃，多年平均降雨量约986.0mm，多年平均降雨日数134.6d。

图1  开挖断面图（临时支护）

该项目于2007年1月开工，采用无轨运输施工，2008年1～12月为高地温围岩施工期。高地温地段以外，围岩一般温度为22℃～23℃，按30℃以上为高地温段，高地温地段里程为SD1+300-SD2+500；其中，70℃以上高温岩层地段为SD1+734-SD1+842，该段局部极端岩温达76℃，上报资料75℃为平均值；K1+500-K2+100段有少量裂隙水，水温最高达70℃；高地温岩层分别由1号、2号支洞施工，分界里程为SD2+100，分界点围岩温度为40℃。

2  高地温隧道施工技术措施

禄劝铅厂引水隧洞在施工时突然遇到了国内没有、国外罕见的高地温，隧道穿越高地温岩层时，施工作业环境恶化，严重威胁到施工人员的健康和安全；隧道内的高温还导致机械设备的工作条件恶化、效率降低、故障增多，装载机、汽车经常熄火。禄劝铅厂引水隧洞1号支洞掘进至SD1+300以后，围岩温度不断升高，当围岩温度达到50℃以上时，施工环境严重恶化，采用加大通风量、喷雾洒水措施降温，初始还能维持施工，但当岩温达到60℃时，由于施工人员的中暑反映及机械设备的故障，使施工一度被迫中断。

由于事发突然，国内还没有60℃以上大断面或接近大断面的无轨运输高地温隧道施工经验，借鉴国内外矿井施工的有关降温措施，研究了适合高地温隧道施工的通风降温计算方法，改善了施工条件，使施工安全、顺利进行，保证了进度、质量。主要技术措施如下。

2.1  通风降温

依据传热学原理，参照有关围岩与风流间传热量的计算方法，研究开发适合高地温隧道施工的通风降温计算公式、计算方法。通过对流换热过程的理论分析，借鉴矿井热环境调节理论，依据国内外学者对不稳定换热系数的定义，根据大断面或接近大断面无轨运输隧道施工的特点，研究60℃以上高地温的大断面或接近大断面的无轨运输施工隧道风流的热交换和风温计算公式，确定围岩散热所需的通风量。通风降温采用《公路隧道施工技术规范》有关规定，隧道内气温不宜高于30℃。

在通风量计算时，应尽量加大洞内风速，最低应按1级软风标准(0.3～1.5m/s)，确保洞内风速不小于0.3m/s，使人感觉相对舒适。

2.2  喷雾洒水降温

采用喷射混凝土的喷头做喷雾器，接高压风、水管路，进行喷雾洒水作业。在出渣前，对爆破作业后新暴露的岩面、岩块、碎渣喷水洒水降温；施工时，采用2～4台喷雾器配合通风降温。

2.3  热水防治

热水对风流的加热作用相当显著。在裂隙水温较高的地段，挖积水坑，采用抽水机将热水排出出，降低工作面的热源。

2.4  采取有效的个体防护

据有关资料介绍，个体防护的方法是让施工人员穿戴冷却背心或冷却帽。我们认为研制冷却帽、冷却背心周期长、成本高，不太现实。决定利用普通冰柜，使用矿泉水瓶、塑料袋灌水制作冰块，用于施工人员个体防护。先期进洞拉风管及实施喷雾洒水的工作人员在高温环境下工作，应在安全帽内放置冰块，使用挎包携带10～20块(约5～10kg)冰块，置于胸前、背后灵活使用，冰块融化升温后随时更换，通过冰块降温消除工作时的闷热感，起到了很好的防护作用。

2.5  工作面人工制冷降温

根据隧道施工人员多集中在掌子面范围的特点，采用制冰厂订制、运输冰块到掌子面作为施工降温预案。

2.6  强化人员健康管

改8h作业为3h作业，对施工人员全面体检，禁止有高血压、心脏病的患者及循环器官有异常的人员参加劳动，同时配备医务人员进行热痉挛症、热虚脱症和热射症等中暑症的防治工作。

2.7  无轨运输设备防高温措施

装载机、汽车作业时，随时注意水温表的指示读数，要求不能超过80℃。装载机出渣作业时，使用经改进的喷射混凝土喷头，不间断地对装载机喷雾洒水降温，每隔半小时在装载机水箱内加注冷水并投放适量冰块，防止装载机因为高温造成的故障，在驾驶室内搁置自制冰块，配合设备的空调系统为操作人员创造舒适的工作条件；汽车进洞前在水箱内加注冷水，投放适量冰块，驾驶员携带冰块配合空调降温；加强行车路面的洒水降温工作，防止爆胎；利用钻孔时间，对装载机、自卸汽车进行保养，确保设备运转正常。

2.8  加强监测工作用数据指导施工

对洞内外温度进行全天候检测，考虑当地白天热晚间凉的特点，充分利用风凉的夜间施工；当进风温度不能满足通风要求时，采用进风制冷、出风冰块降温作为预案。在预定通风时间内，风流温度达不到预期目的时，应延长时间或加大通风流量。

施工时，必须对洞内有害气体进行检测。岩温量测应尽量利用掌子面残孔，使用32cm长的温度计插入，要尽量早测、深测，测量要靠近受风流影响小的边、角、底部，每次不少于3个孔。

采用GPR地质雷达法进行隧道地质超前预报，探测掌子面前方23m范围内的地质情况，预防大量温泉水的涌入。

3  隧道通风降温计算数学模型及公式

3.1  围岩与风流间传热量及通风流量的一般计算公式

隧道围岩与风流间的传热是一个复杂的不稳定传热过程。隧道开掘后，随着时间的推移，围岩被冷却的范围逐渐扩大，其所向风流传递的热量逐渐减少。因此，隧道围岩与风流间的传热量可依据由牛顿冷却公式得来的壁面与流体间的对流换热量公式进行研究，该公式为：

用围岩与风流间的不稳定换热系数Kτ替换公式(1)中的α，用UL替换F，用(tτ-t)替换Δt，可得出隧道围岩与风流间的传热量为：

设在长度L范围内t为变量，长度dl隧道壁散热量使风流温度升dt。当长度L=0时，t=t0，则

分离变量

两边积分、整理，得通风量计算公式：

3.2  考虑围岩温度变化的计算公式

公式(4)没有考虑岩温随开挖长度的变化因素，实际开挖后围岩的温度随暴露时间的增加不断被风流冷却，也就是随开挖长度的增加逐渐降低，围岩与风流间传热如图2所示。假定在开挖后的一段时间内，岩温在短距离内变化为。

式中  tτ0——开挖面围岩原始温度／℃；

        k——围岩温度变化系数。

图2  围岩与风流间传热量示意图

将式(5)代入式(3)，即得：

整理得：

微分方程(7)的通解为：

根据边界条件：t=t0时，L=0，即得L处平均风温计算公式：

当岩温变化系数为零时，公式(9)就可变换为公式(4)，可以认为公式(4)是公式(9)的简化式。公式(4)使用简捷、方便，实际使用时，可以按公式(4)计算通风流量，再按公式(9)验证或修正。根据热力学第二定律，物体内的热量通过热传导作用不断地从高温点向低温点流动，使物体内温度逐步均一化。所以，公式(9)中的岩温变化系数k随着时间的增加、围岩内温度逐步均一化而衰减并趋于零，公式(9)的计算结果适用于围岩开挖暴露后至围岩明显冷却这一时段。

3.3  掘进头近区围岩不稳定换热系数

围岩与风流间的不稳定传热系数k：是指隧道围岩深部未被冷却的岩体与空气间温差为1℃时，单位时间内从每m2隧道壁面上向空气放出（或吸收）的热量。由于不稳定传热系数的解析解相当复杂，没有统一的计算方法，一般参照矿井空调设计中的简化公式或统计公式计算。掘进头近区围岩不稳地内换热系数可按吴超主编的《矿井通风与空气调节》书中给定的公式确定。表1所示为岩石的热力学性质指标。

表1    常见岩石的热学性质指标

3.4  风管出口风温计算

风流通过通风机后，其出口风温一般可按下式确定：

风管出口风温依据实测数据，在没有实测数据的情况下进行通风降温计算时，可按公式(11)计算的通风机出口风温增加2℃～4℃考虑，或参照有关公式进行计算。

4  禄劝铅厂引水隧洞降温通风量计算

因为开挖掘进的工作面随着循环作业有规律地向前推进，每一个开挖循环都有新的围岩暴露，新暴露的围岩热交换强烈。受风流热交换影响，随着时间的推移，围岩被冷却的范围逐渐扩大，其所向风流传递的热量逐渐减少，围岩温度随着暴露时间的增加不断下降。对于60℃以上高地温隧道来说，高温随开挖出现，随风流降低。爆破后，受风流影响时间短的开挖面附近壁温高，距开挖面远、受风流影响时间长的壁温低。

隧道掘进期间，人员并不是沿全隧工作，一般只在掘进面或衬砌段工作。本隧洞高地温施工期间还没有开始衬砌作业，我们只需关心工作面一定长度范围内的的温度即可，一般选择掘进头工作长度为100～120m进行通风计算比较合理。因为热量主要来源于岩温，为简化计算，不考虑围岩温度以外的机械设备放热、弃渣放热等其他热源影响。

4.1  计算参数选择

(1)通风断面半径：R=3.85m，周长U=24.19m。

(2)导热、导温系数：因事发突然，计算参数只能查阅参照有关资料，根据表1：白云岩的导热系数λ=2.52～3.79×10-3 [kW/(m·℃)]，取平均值λ=3.155×10-3·[kW/(m·℃)]；导温系数a=1.075～1.479×10-6 (m2/s)，取平均值a=1.277×10-6 m2/s=4.5972×10-3 m2/h。选取的结果与用实验方法确定的糯扎渡电站洞室相关数值接近。糯扎渡电站洞室岩石导热系数λ=3.283W/(m·℃)，导温系数a=1.43×10-6 m2/s，

(3)计算长度：根据钻孔、出渣、初期支护的工作的需求，选取掘进头长度l3=110m。

(4)通风时间：时间长影响进度，时间短增加投资，本次计算按爆破通风3h后，人员进洞工作考虑，掘进头通风时间τ3 =3h。

(5)围岩温度：隧洞掘进到SD1+600时，出现60℃高地温，需要进行通风量降温计算，因为高地温的出现为不可预料事件，当时只能按预计最高岩温70℃计算，取平均值tτ=65℃。实际掘进面测点极端最高岩温76℃，实测距掘进面110m处岩温开挖后冷却为50℃～55℃，实际最高岩温段110m距离内平均岩温小于65℃，实测平均岩温与预计相差不大。没有实测数据时，掌子面岩温依据地质资料，距掌子面100～120m处岩温按掌子面岩温的60%～80%计（tτ0乘以0.6～0.8的系数），开挖后根据实测数据修正。

(6)洞内初始风温：实测风管出口风温18℃～20℃，风管出口距掌子面6m时，风管出口附近风温19℃～22℃。对于小断面的巷道来说，风管出口风温即初始风温，但对于大断面或接近大断面的隧道来说，情况就复杂了，可按洞内初始风温大于风管出口风温1℃～3℃考虑，本次计算取初始风温t0 =20℃。

最高温施工期为2008年5～6月，根据气象资料，当地5月平均气温21.1℃，极端最低11.3℃，夜间平均气温一般为14℃左右，实测环境温度14℃时，取通风机入口处的风温t0l=14℃；通风机放热系数Kb=0.6；通风机的吸风量取27.47m3/s即Mbl=33.0kg/s；风机功率取150kW。

代入参数，按公式(11)计算得通风机出口风温：

若按计算值增加2℃～4℃估算风管出口风温，与实测数据相差不大，其误差原因与计算参数选取有关。

(7)根据工作需求，长度L=110m处平均风温t=30℃。

4.2  通风量计算

根据选择的参数采用公式(11)、公式(4)，计算通风量得：

结果与按公式(4)计算时选取的30℃相差不多，不需要修正。

4.3  计算不同时段的通风流量

假定开挖后停止掘进，环境温度为恒温，通风为连续的，计算不同时段降温所需的通风流量并绘制降温通风时间与流量关系曲线，用于分析比较。

图3  降温通风时间(d)与流量关系示意图

根据图3，平均岩温65℃时，连续降温通风3h，需要23.35m3/s的通风量可达到平均风温30℃的目的，但30d后，通风流量趋于平稳，仅需要2.02m3/s就可达到同样的目的。这种变化也揭示了围岩的冷却过程，用来解释为什么隧洞贯通后仅依靠自然通风就可以使围岩表面温度维持在32℃左右。因为通风是不连续的，进风温度随天气、时段不断变化，掘进时爆破会给围岩带来新的热量，加之时间对不稳定换热系数的影响、热源及距离等原因；所以，实际围岩的冷却过程并没有曲线表示的那么快，图3只能反映变化规律，并不完全符合实际情况。

4.4  计算结果分析

2008年12月份1号支洞与2号支洞贯通，贯通后拆除了通风设备，仅依靠自然通风，2009年1月实测，曾经是最高温度段的岩温32℃～33℃。根据图2所示曲线，随着通风时间的延长，所需的降温通风量不断下降，完全符合隧道围岩的暴露时间越长，围岩的调热圈就越大，围岩表面随时间不断冷却，温度相应降低这一规律。

根据通风量随时间的变化规律，高温围岩随时间的推移不断冷却，通风量随时间的推移不断减少，但随着隧道的掘进，新开挖的高温不断出现，所以选择掘进头进行通风降温计算是合理可行的。为什么有的隧道原预测有高地温，但实际施工时发现并不高呢？对于大断面隧道而言，施工本身就需要很大的通风量，不算很高的岩温在不知不觉中被通风冷却了，也就被忽视了。

5  通风量、风压计算及设备选择

施工时，预计极限高温在SD1+900处，从支洞口到SD1+900长为1 529m，通风管长度按1 500m计，选用直径为1 400mm风管。实际上，70℃以上高地温到SD1+ 842止，按1 500m计算降温通风量符合需求。

5.1  考虑漏风因素后所需总通风量

据风管厂商提供的技术指标，采用PVC增强塑纤布作风管材料，百米漏风率正常时可控制在2%以内。本方案通风距离考虑1 500m，据此计算漏风系数：

5.2  系统风压计算

为将所需风量送入指定位置，并达到规定的风速，必须克服沿途阻力，并在出口保持一定的风速风压，则通风机应有足够的风压以克服管道系统阻力，即h机>h阻。

(1)管道摩擦阻力

采用φl 400mm风管

(2)局部压力损失

(3)其他局部阻力

使用管道通风时，h其他-般可考虑按管道摩擦阻力与局部压力损失之和的5%～10%。按5%考虑：

(4)隧道总风压

5.3  设备选型

根据计算的风压、风量，在立足现有、国产设备的基础上，选用咸阳风机厂产SDDY -1N011A11型风机，其功率为2×75kW，风量9 600～7 100m3/h，风压4 000～5 600Pa，可满足要求。风管则选用PVC增强塑纤布拉链式φ1.4m柔性风管。

6  施工中根据实测数据指导施工

开始进行通风计算时，调查的是夜间温度，按一天开挖一个循环考虑，计算参数取夜间温度14℃。实际施工时，为了满足进度要求，有时需要一天开挖两个循环，计算参数选择每日8时与20时的温度。根据实测环境温度19℃，修改计算参数，按公式(11)计算得通风机出口即风管进口风温，结合实测选取初始风温t0 =25℃。表2为计算与实测风温对照表。

表2    计算与实测风温对照表

根据实测数据指导施工的施工工艺如图4所示。

图4  通风降温施工工艺框图

7  结语

(1)禄劝铅厂引水隧洞在施工中遇到了国内隧道施工从未遇到过的高地温，由于采取的综合技术措施先进、适用、方法得当，成功地攻克了高地温无轨运输隧道施工的难题。

(2)在计算方法方面，除去围岩不稳定换热系数外，其余计算公式及方法均为我们独立研究开发，填补了国内高地温无轨运输施工隧道通风降温计算方法的空白。新的计算公式符合开挖后围岩温度随通风时间变化这一客观规律；依据岩温开挖后的变化规律，采取掘进头100～120m的长度进行通风降温计算的方法合理；通过分析、比较筛选出的不稳定换热系数计算公式切合实际；在高地温隧道施工理论研究、计算方法方面取得了新的进展。

(3)在施工中，订制运输冰块降温、进风口空气制冷预案未采用，只是占了洞外环境温度较低的便宜而已；因为地区温度的差异，季节温度的差异，在以后洞外环境温度较高的同类隧道施工中，这些方案仍可作为预案或必须实施的方案。高地温隧道的施工，关键技术是通风降温，进风要凉，流量要大，才能散热、降温；进风凉需要利用好季节、时段，当这些经济手段不能满足要求时，就需要投入一定的财力、设备，将进风空气制冷或风管出口风温降低。

(4)通过施工，验证了有关高温围岩开挖暴露后，由于比原岩温度低的风流作用，随暴露时间的增加，调热圈半径增大，隧道周围高温围岩相应被冷却，温度不断下降的规律，为同类隧道提供了宝贵的经验。

(5)通过实践否定了有关本隧洞因高地温需要特殊衬砌的说法及建议。不仅为无轨运输的高地温水工隧洞、也为同类的公路、铁路隧道施工提供了经验，高地温隧洞是否需要特殊衬砌？不能根据开挖前预测的地温决定，应根据开挖后岩温因风流的变化情况慎重考虑。

(6)降温通风计算过程，除了掌握围岩挖后的原始温度外，还需要掌握开挖暴露后距掌子面一定距离的岩温。围岩开挖暴露后的冷却过程因热源不同、地质条件不同、施工方法不同而异，隧道设计过程若能考虑这些因素的影响，提供相关数据，就可以在隧道开挖前就完成通风降温设计或为施工中的设计提供帮助。