CN106988749A - 超高地热条件下特长引水隧洞施工工法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了超高地热条件下特长引水隧洞施工工法，涉及高地热条件下隧洞的施工工法，主要包括步骤：1）施工准备：采取通风、喷雾和辅助降温措施降低作业环境温度；2）隧道开挖：钻取炮孔，建立炮孔冷却循环系统，装药爆破；3）出渣；4）初期支护：采用湿喷机高压喷射拌和混凝土于岩壁表面；5）二次衬砌。本发明针对超高地热条件下，隧洞的开挖、支护技术提出了新的施工思路，并提前进行施工准备，设置施工环境控制设备，降低隧洞内温度，确保了施工在安全可控的条件下进行，同时在岩壁温度较高情况下，实现喷射较少量混凝土拌合物得到质量较高的初期支护效果，加快了施工进度，缩短了工期，提升了施工质量，提高了经济效益。

Description

超高地热条件下特长引水隧洞施工工法

技术领域

本发明涉及隧洞施工工法，尤其涉及高地热条件下隧洞的施工工法,具体的说，是超高地热条件下特长引水隧洞施工工法。

背景技术

目前，我国隧洞建设中，对于高地热情况，多是对地热成因分布以及改善作业环境研究较多，针对隧洞结构稳定和运营安全方面研究涉及较少，随着水电隧洞向长大、深埋方向发展，未来高低热问题必将引起隧道界的广泛重视，高地热隧道的设计思路和施工方法亟待拓展。据国内外研究文献显示，超高地热条件下隧洞的施工较为少见，其施工中存在着诸多问题，如：降温系统不完善；隧道施工通风模拟计算时，大多把污染物浓度分布作为主要控制目标，考虑温度场的研究较少；对施工作业面的降温方法考虑较少；地热隧道开挖施工技术较少，在高温条件下的钻爆工艺相对欠缺；由于温度过高，混凝土难以粘接，隧道支护的初衬施工回弹量大，粉尘浓度高。

简而言之，在超高地热条件下施工的关键就是如何降低隧洞内温度，以及在岩壁温度较高情况下如何喷射较少量混凝土拌合物实现质量较高的初衬作业。

发明内容

针对现有超高地热施工技术中存在的问题，本发明提出一种超高地热条件下特长引水隧洞施工工法，从气、固、液三方面进行降温，以使隧洞空气温度、施工作业掌子面温度和岩体炮孔温度保持在安全的施工温度条件下，并减小高热岩壁初衬施工时混凝土拌合物的消耗量、回弹量、粉尘浓度等。

超高地热条件下特长引水隧洞施工工法,包括以下步骤：

步骤一，施工准备：采取通风降温、喷雾降温和辅助降温措施降低作业环境温度；

步骤二，隧道开挖：钻取炮孔，建立炮孔冷却循环系统，装药爆破；

步骤三，出渣；

步骤四，初期支护：采用湿喷机高压喷射拌和混凝土于岩壁表面；

步骤五，二次衬砌。

其特征在于，步骤一施工准备中所述喷雾降温措施为用于降低掌子面及周围岩体温度的喷雾降温系统，包括：带增压泵的第一冷水输送管，所述第一冷水输送管分接为支管和用于向掌子面输送冷却水的分水管，所述支管上均匀布置有离心式喷嘴，所述掌子面附近25m～40m处挖设有集水坑。

步骤一所述施工准备步骤包括建立用于降低隧洞内部空气温度的通风降温系统、建立用于降低岩体温度的喷雾降温系统和辅助降温措施，优选的，根据对作业环境通风降温的通风量、风压计算，设置通风降温系统，所述通风降温系统包括：设置于洞口的通风机，设置于支洞和主洞下游方向的大口径通风筒，在支洞与主洞交叉口和主洞下游均匀布置的射流风机；所述辅助降温措施包括：向集水坑注入冷水的第二冷水输送管，用于抽排集水坑中热水的抽水输出系统。

步骤二所述隧道开挖步骤包括在掌子面上钻取炮孔，建立炮孔冷却循环系统和装药爆破，优选的，所述钻取炮孔的方法为湿式凿岩法，利用安装有多台凿岩机的钻孔台车双台阶开挖断面，全断面一次成孔；

所述炮孔冷却循环系统包括抽水输送系统、分散制冷系统和抽水输出系统，所述抽水输送系统包括带抽水泵的第三冷水输送管，所述第三冷水输送管与分散制冷系统连接；所述分散制冷系统包括设置在钻孔台车上的分水器，所述分水器上设置有多个带分水阀闸的钢管，所述钢管直接通入炮孔；所述抽水输出系统包括所述集水坑和带污水泵的专用污水输出管道；

步骤二中所述装药爆破具体包括：先测量冷却炮孔恢复到规范要求的35℃需要的具体时间，再根据测得的具体时间，在所述时间内完成装药作业，并分次爆破。

优选的，步骤二所述装药爆破中的爆破参数应根据围岩类别和地温状况及时调整，装药作业中采用导热系数较低的PVC管事先盛装好定量的炸药。

优选的，步骤四所述初期支护工作为采用湿喷机喷射混凝土进行岩壁喷护工作，在所述湿喷机上还设置有用于向混凝土拌合物中加入液态速凝剂的高压速凝剂添加泵，所述湿喷机的高压喷嘴后端设置有用于混合所述液态速凝剂与混凝土拌合物的混合腔。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）依据风流、岩体温度变化的规律，确定通风设备布置，综合通风降温和喷雾降温对隧洞内部作业环境进行降温，并采取不间断中和集水坑热水温度和抽排热水的辅助措施配合降低作业环境温度，使隧洞空气温度、施工作业掌子面温度均保持在安全作业温度范围内。

（2）采用湿式凿岩工艺，建立炮孔冷却循环系统，将炮孔温度降低在爆破作业的安全温度以下，保证了高温条件下的爆破安全作业。

（3）在混凝土湿喷机上设置高压速凝剂添加泵，利用压缩的高压空气输送液态速凝剂，喷射前在喷嘴后方的混合腔中与混凝土拌合物混合，混合了液态速凝剂的混凝土拌合物立即从喷嘴喷射至岩壁，湿喷至岩壁上的混凝土能迅速初凝。通过在喷射前添加液态速凝剂，增加了混凝土拌合物的粘聚性，减少了混凝土拌合物的回弹量和粉尘量，并快速得到较高的早期强度，高温下保证凝结可靠，因此后期强度损失较小，提高了喷射混凝土衬砌的耐久性。

（4）本发明针对超高地热条件下，隧洞的开挖、支护技术提出了新的施工思路，确保了施工在安全可控的条件下进行。首先从气、固、液三方面进行降温，使隧洞内气体温度、岩体温度均达到施工作业的安全温度，同时降低洞内水温并排出，防止热水在隧洞内传导热量；另外，设置高压速凝剂添加泵和混合腔，将液态速凝剂与混凝土拌合物混合后立即喷涂至岩体，既能增加混凝土拌合物粘聚性，实现高热岩体上的混凝土快速凝固、得到较高早期强度，又能避免因加入液态速凝剂而喷射效果较差的问题。

附图说明

图1为本发明实施例流程图；

图2为本发明实施例中通风降温系统示意图；

图3为本发明实施例中喷雾降温系统示意图；

图4为本发明实施例中施工准备步骤管线布置截面示意图；

图5为本发明实施例中隧道开挖步骤分散制冷系统示意图；

图6为本发明隧道开挖步骤抽水输出系统示意图；

其中1-通风机；2-通风筒；3-射流风机；4-增压泵；5-输排水管组；6-离心式喷嘴；7-集水坑；8-钻孔台车；9-污水泵；51-第一冷水输送管；52-第二冷水输送管；53-热水排出管。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

某山区拟修建水电站引水隧洞，该引水隧洞路线长，围岩岩体坚硬，且该引水隧洞部分地段穿越高地热山脉，该高热地段温度可达80℃。由于岩体坚硬，不适于机械开挖，适宜采用钻孔爆破法开挖，而在温度过高的高热地段，远远超过人体正常工作所能承受的极限温度，而且温度过高也不利于钻孔爆破作业，不仅如此，开挖完成后岩壁温度过高情况下，喷射混凝土初衬的粉尘量大，其回弹量约为30%～50%，难以粘结，凝固后也存在容易脱层掉块的缺陷，难以达到封闭围岩和初期支护的效果。因此该工程采用本发明的施工工法进行施工，从气、固、液三方面进行降温，以使隧洞空气温度、施工作业掌子面温度和岩体炮孔温度保持在安全的施工温度条件下，并减小高热岩壁初衬施工时混凝土拌合物的消耗量、回弹量、粉尘浓度等。

一种如图2～图6所示的本发明的超高地热条件下特长引水隧洞施工工法，具体包括以下施工步骤：

步骤一，施工准备

（1）建立通风降温系统：经过对风流温度场变化规律的计算，确定最优通风参数，选取功率为2×37/115KW的通风机1置于洞口，选取直径为1400mm的通风筒2连接通风机，利用通风机1和通风筒2将洞外新鲜空气输送至洞内；再在洞内每间隔150m设置一台风向一致的射流风机3，增加洞内热浊空气流动速度，使洞内热浊空气能更快速排出。通过通风机1、通风筒2和射流风机3配合使洞内热浊空气有效更换为的洞外新鲜空气，使洞内气温得到有效降低。

（2）建立喷雾降温系统：使用带增压泵4的第一冷水输送管51将河水输送至隧洞作业面附近，再将第一冷水输送管51分接为用于向掌子面输送冷却水的分水管和带离心式喷嘴6的支管，所述离心式喷嘴6均匀布置在所述支管上，所述离心式喷嘴6的喷雾范围部分交叉，确保全面覆盖周围岩体，所述分水管直接通往掌子面冲淋降温，在距离掌子面附近25m～40m处挖设集水坑7，用于收集喷雾降温系统产生的热水和岩体中渗出的热水。引入洞外冷水，将冷水雾化，在冷水排走之前最大化地利用冷水快速吸收热量，再用冷水直接冲淋掌子面强制降低温度，使洞内岩体的温度得到有效降低，尤其降低了施工作业的掌子面的温度。

（3）采取辅助降温措施：设置向集水坑7注入冷水的第二冷水输送管52，用于抽排集水坑7中热水的抽水输出系统，所述抽水输出系统包括污水泵9和热水排出管53。集水坑7中的水为吸收了岩体热量的河水和岩体中渗出的热水，这些带有热量的水会与周围岩体、空气发生热传递，不利于降温，因此向集水坑7中注入冷水用于降低水温，使集水坑7中的水能保持较低的温度，再将集水坑7中的热水通过污水泵9和热水排出管53排出隧洞。通过冷进热出，降低隧洞内热水的温度，带走隧洞内水体的热量，避免向周围已经降低温度的环境传递热量。

步骤二，隧道开挖

（1）采用湿式凿岩法钻取炮孔，设置安装有多台凿岩机的钻孔台车8，双台阶开挖断面，全断面一次成孔，将压力水通过凿岩机送入孔底，以抑制岩尘产生和湿润、冲洗并排出产生的岩尘。

（2）钻取炮孔的同时建立炮孔冷却循环系统，在钻孔台车8上设置多个分水器81，所述分水器81与带抽水泵的第三冷水输送管连接，所述分水器81上设置有多个带分水阀闸的钢管，所述钢管直接通入炮孔，利用不断送出的冷水冲洗炮孔，带走炮孔岩体的热量，降低炮孔温度；启用集水坑7、污水泵9和热水排出管53，不间断排出高热量的废水。

（3）炮孔钻取完成，且炮孔温度降低后，进行装药爆破。首先仪器测量炮孔由最低温度恢复到规范要求的35℃需要的具体时间，技术人员在温度恢复至35℃的时间内完成装药作业，并迅速撤离至安全距离，分次爆破岩体。所述装药爆破步骤中的爆破参数应根据围岩类别和地温状况及时调整。

进一步的，为了加快装药作业的速度，并且防止岩石的热量过快、过早传递给炸药，在装药作业中采用导热系数较低的PVC管事先盛装好定量的炸药。

步骤三，出渣

由于该隧洞直径、施工体量较大，采用装岩机配合运输车出渣，对于本领域技术人员来说，该施工技术属于本领域现有技术，在此不做详述。

步骤四，初期支护

清除隧洞内岩渣、浮石后，立即采用湿喷机喷射混凝土进行岩壁喷护工作，在所述湿喷机上设置有用于向混凝土拌合物中加入液态速凝剂的高压速凝剂添加泵，在湿喷机的高压喷嘴后端设置一混合腔，经湿喷机压缩的高压气流将液态速凝剂输送至混合腔与混凝土拌合物混合，混合了液态速凝剂的混凝土拌合物立即从喷嘴喷射至岩壁，湿喷至岩壁上的混凝土能迅速初凝。

通过在喷射前添加液态速凝剂，增加了混凝土拌合物的粘聚性，试验数据证实，地热段原喷射混凝土技术回弹量为30%～50%，加入低碱聚合物液态速凝剂后的回弹量在10%以内。混凝土拌合物的利用率提高，隧洞内的粉尘量相应降低，且能快速得到较高的早期强度，在高温下保证可靠挂壁凝结，不容易产生与岩体脱离或脱层的病害现象，提高了混凝土初衬的可靠性、耐久性。

步骤五，二次衬砌

初期支护的验收合格，将隧道基底虚渣、杂物、泥浆、积水等清理干净，并用高压风将隧底吹洗干净后，开始进行二次衬砌工作，对于本领域技术人员来说，该施工技术属于本领域现有技术，在此不做详述。

以本具体实施方式中的隧洞为例，采用本发明进行施工，不仅确保了施工条件安全可控，在保证安全质量的前提下将施工进尺由原有的30m/月，提升至60m/月，不仅减少了支护用的混凝土材料的浪费，还大大提高了施工的操控性和施工安全质量保证，加快了施工进度，缩短了工期。从经济效益上来讲，本发明减少了人工费、材料费等直接成本，同时因施工成品可靠，也减少了修复、返工等情况，又间接提高了经济效益。

本发明针对超高地热条件下，隧洞的开挖、支护技术提出了新的施工思路，确保了施工在安全可控的条件下进行。首先从气、固、液三方面进行降温，使隧洞内气体温度、岩体温度均达到施工作业的安全温度，同时降低洞内水温并排出，防止热水在隧洞内传导热量；另外，设置高压速凝剂添加泵和混合腔，将液态速凝剂与混凝土拌合物混合后立即喷涂至岩体，既能增加混凝土拌合物粘聚性，实现高热岩体上的混凝土快速凝固、得到较高早期强度，又能避免因加入液态速凝剂而喷射效果较差的问题。本发明针对性强，简单实用，具有良好的可操作性；安全可靠，显著改善高地热隧洞段作业环境至安全状态；解决了施工环境对工程的影响，对高地热条件下引水隧洞的施工起到指导、促进和参考作用。

以上应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，该实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想。本领域的一般技术人员在应用本发明的过程中在具体实施方式及细节上均会有改变之处。因此以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.超高地热条件下特长引水隧洞施工工法,包括以下步骤：

步骤一，施工准备：采取通风降温、喷雾降温和辅助降温措施降低作业环境温度；

步骤二，隧道开挖：钻取炮孔，建立炮孔冷却循环系统，装药爆破；

步骤三，出渣；

步骤四，初期支护：采用湿喷机高压喷射拌和混凝土于岩壁表面；

步骤五，二次衬砌；

其特征在于，步骤一施工准备中所述喷雾降温措施为用于降低掌子面及周围岩体温度的喷雾降温系统，包括：带增压泵的第一冷水输送管，所述第一冷水输送管分接为支管和用于向掌子面输送冷却水的分水管，所述支管上均匀布置有离心式喷嘴，所述掌子面附近25m～40m处挖设有集水坑。

2.根据权利要求1所述的超高地热条件下特长引水隧洞施工工法，步骤一所述施工准备步骤包括建立用于降低隧洞内部空气温度的通风降温系统、建立用于降低岩体温度的喷雾降温系统和辅助降温措施，其特征在于：

根据对作业环境通风降温的通风量、风压计算，设置通风降温系统，所述通风降温系统包括：设置于洞口的通风机，设置于支洞和主洞下游方向的大口径通风筒，在支洞与主洞交叉口和主洞下游均匀布置的射流风机；

所述辅助降温措施包括：向集水坑注入冷水的第二冷水输送管，用于抽排集水坑中热水的抽水输出系统。

3.根据权利要求1或2所述的超高地热条件下特长引水隧洞施工工法，步骤二所述隧道开挖步骤包括在掌子面上钻取炮孔，建立炮孔冷却循环系统和装药爆破，其特征在于：

所述钻取炮孔的方法为湿式凿岩法，利用安装有多台凿岩机的钻孔台车双台阶开挖断面，全断面一次成孔；

所述炮孔冷却循环系统包括抽水输送系统、分散制冷系统和抽水输出系统，所述抽水输送系统包括带抽水泵的第三冷水输送管，所述第三冷水输送管与分散制冷系统连接；所述分散制冷系统包括设置在钻孔台车上的分水器，所述分水器上设置有多个带分水阀闸的钢管，所述钢管直接通入炮孔；所述抽水输出系统包括所述集水坑和带污水泵的专用污水输出管道；

步骤二中所述装药爆破具体包括：先测量冷却炮孔恢复到规范要求的35℃需要的具体时间，再根据测得的具体时间，在所述时间内完成装药作业，并分次爆破。

4.根据权利要求3所述的超高地热条件下特长引水隧洞施工工法，其特征在于，步骤二所述装药爆破中的爆破参数应根据围岩类别和地温状况及时调整，装药作业中采用导热系数较低的PVC管事先盛装好定量的炸药。

5.根据权利要求1或2或4所述的超高地热条件下特长引水隧洞施工工法，其特征在于，步骤四所述初期支护工作为采用湿喷机喷射混凝土进行岩壁喷护工作，在所述湿喷机上还设置有用于向混凝土拌合物中加入液态速凝剂的高压速凝剂添加泵，所述湿喷机的高压喷嘴后端设置有用于混合所述液态速凝剂与混凝土拌合物的混合腔。