胡 政,楊 松,艾祖斌,郭維祥,陳全勝
(1.中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司,貴州 貴陽 550081;2.中電建路橋集團有限公司,北京 100048)
在我國西南地區(qū)進行工程建設(shè),面臨諸多挑戰(zhàn),如地形地質(zhì)條件復雜、地震震害、高地應(yīng)力、高地溫、高壓涌水等[1]。西南云南省地熱資源豐富[2-3],交通、水電及國防等領(lǐng)域的地下工程建設(shè)將面臨更多的高地溫問題。高地溫區(qū)的地下工程建設(shè)存在施工環(huán)境惡劣、機械效率低、施工安全風險高(熱水害、高溫、有毒有害氣體等)、結(jié)構(gòu)安全性及耐久性、投資成本大幅增加等問題[4-8]。
施工區(qū)域環(huán)境溫度(即洞內(nèi)掌子面10 m范圍的氣溫)直接關(guān)系到隧道施工作業(yè)人員安全與健康、施工降溫方案等,目前關(guān)于高地溫隧道施工過程各環(huán)節(jié)(打鉆、爆破、出渣、初支)氣溫隨時間變化的研究尚為少見,且針對性不強。陳乾陽等(2019)[9]利用Fluent數(shù)值計算軟件,分析了不同通風速度、不同通風氣溫下隧道內(nèi)溫度場的分布,探討了較優(yōu)通風參數(shù)。高焱等(2018)[10]以祁連山隧道為研究對象,建立非穩(wěn)態(tài)的隧道溫度場模型,采用變量控制法探討不同時間、距離以及有無保溫層條件下寒區(qū)隧道洞內(nèi)空氣和圍巖溫度場的變化規(guī)律。魯華偉(2017)[11]建立拉法山隧道施工通風模型,采用數(shù)值模擬的方法對風管漏風和圍巖溫度對隧道施工段洞內(nèi)氣溫變化規(guī)律進行研究。李鐵根(2013)[12]根據(jù)溫度場的控制微分方程及有限元公式,通過理論計算及數(shù)值模擬分析,分別得到在同樣的時間周期內(nèi)相同氣溫變化對隧道調(diào)溫圈大小的影響。張先軍(2005)[13]分析了昆侖山隧道洞內(nèi)氣溫、地溫及隔熱層內(nèi)外側(cè)溫度分布特征,對多年凍土區(qū)隧道工程建設(shè)及凍害防治有一定的指導意義。仇玉良等(2004)[14]研究隧道位置地層溫度、洞內(nèi)風速變化、外界氣溫變化等因素影響下,隧道內(nèi)自然風速及洞內(nèi)氣溫的變化范圍和變化規(guī)律。夏豐勇等(2015)[15]針對單坡隧道左右線通風負荷不均衡的問題,提出了雙洞互補式通風方式,均衡了左右線隧道風量,降低能耗,節(jié)約了初期投資?,F(xiàn)有研究主要是通過數(shù)值模擬或間斷性溫度測試進行隧道整體的溫度場研究,未有針對施工區(qū)域環(huán)境溫度進行連續(xù)性監(jiān)測并建立一個完整施工循環(huán)各施工環(huán)節(jié)氣溫隨時間的變化關(guān)系的研究。
本研究以云南省紅河州建水(個舊)至元陽高速公路工程在建尼格高地溫隧道為研究對象,對隧道出口花崗巖段(里程46 754~46 737m)施工環(huán)境的氣溫進行了5個完整的施工循環(huán)的連續(xù)監(jiān)測,共采集了2 200個氣溫&時間值,分析各施工環(huán)節(jié)(打鉆、爆破、圍巖散熱、出渣)的氣溫隨時間的變化特征,將一個完整施工循環(huán)過程的氣溫變化過程劃分為4個變化階段,并建立了施工過程的氣溫-時間數(shù)學關(guān)系表達式,為針對性的施工降溫措施提供依據(jù)。
紅河州建水(個舊)至元陽高速公路為云南省“五縱五橫一邊兩環(huán)二十聯(lián)”中曲靖至呈貢、通海、建水、元陽的重要組成部分,尼格隧道位于該高速公路個舊至元陽段,隧道全長3.3 km,最大埋深640 m,施工采用進、出口雙向雙洞施工。隧道施工過程中出現(xiàn)高巖溫、高水溫、有毒有害氣體、隧道涌水、巖爆等問題,最高巖溫達88.8 ℃,為目前我國最高地溫公路隧道,施工風險高,施工難度大。
通過引進多臂鉆替換傳統(tǒng)人工作業(yè)、設(shè)置20 t制冰系統(tǒng)制冰、增加軸流風機加強通風、引進耐高溫雷管替換傳統(tǒng)雷管、掌子面附近設(shè)計空調(diào)房輪流降溫、霧炮機噴淋灑水等6項措施改善隧道內(nèi)高溫施工環(huán)境,通過配備正壓式空氣呼吸器、四合一氣體檢測儀、壓縮氧氣自救器等8項有毒有害氣體檢測和防護設(shè)備保證施工作業(yè)人員的身體健康,工程歷時2 a,于2020年6月22日實現(xiàn)雙幅貫通。本工程案例頗為典型,具有重要借鑒和類比意義。
出現(xiàn)高地溫后,對各類地溫進行了持續(xù)性測試,目前共采集地溫數(shù)據(jù)超過25萬組[16],并預(yù)埋了近百套溫度計、應(yīng)力計、應(yīng)變計等元件。對隧道出水、周邊溫泉水、地表水等取樣進行了大量水化分析試驗(陰陽離子、氫氧同位素、鍶同位素等),對隧道圍巖取樣進行了熱力學參數(shù)、巖石衰變生熱、微量元素及XRD譜等檢測,編制了隧道高地溫地質(zhì)成因、設(shè)計、施工、管理等多個專項報告。
隧道縱剖面及地溫整體情況如圖1所示。隧道穿越依次穿越三疊系中統(tǒng)個舊組(T2g)灰?guī)r、燕山期侵入花崗巖(γ53(a))。灰?guī)r段主要表現(xiàn)為高水溫,最大涌水量9~12 L/s,最高水溫63.4 ℃,最高氣溫達41 ℃;花崗巖段主要表現(xiàn)為高巖溫,最高溫度達88.8 ℃,最高氣溫達56.4 ℃。隧道干燥無出水,圍巖堅硬程度及完整程度均較好。
圖1 尼格隧道縱剖面及地溫實測簡圖Fig.1 Schematic diagram of measuring longitudinal section and ground temperature of Nige Tunnel
為了測量隧道各施工環(huán)節(jié)的施工環(huán)境(掌子面附近10~20 m范圍)氣溫變化特征,需設(shè)計一套自動溫度記錄裝置。
氣溫測量裝置設(shè)計如下(如圖2所示):(1)測溫儀選擇,選用溫度自記儀(98 mm×49 mm×25 mm),測量范圍-50~100 ℃(測量精度±0.3 ℃),記錄長度30 000 點,測量前進行儀器標定。(2)保護裝置設(shè)計,隧道施工過程的爆破飛石、震動、灑水等可能造成測溫儀損壞、失效等,需設(shè)置保護裝置,可用鋼板(厚約1~3 mm)焊接一保護盒,在保護盒底部預(yù)留一測溫探頭出口,并在下部邊緣設(shè)置擋水板。(3)測溫裝置的設(shè)置位置,為了不影響隧道施工交叉作業(yè),測溫裝置一般設(shè)置在距掌子面5~8 m 處的隧道邊墻,高度一般3~5 m,由一長約1~2 m鐵質(zhì)挑桿懸挑于隧道邊墻,挑桿須嵌入邊墻巖體一定深度(一般20 cm)。
首先設(shè)定溫度記錄間隔時長,一個施工循環(huán)一般需要9~12 h,溫度記錄間隔時長設(shè)置為2 min,可測得270~360個氣溫值;為了保證各施工循環(huán)測量裝置距掌子面距離相同,每一個施工循環(huán)完成后測溫裝置往掌子面方向前移3~4 m(一個施工循環(huán)的進尺)。每一施工循環(huán)的施工環(huán)節(jié)依次為:打鉆(炮眼)、爆破、出渣、初支(本段圍巖條件好,圍巖自穩(wěn)性好,初支環(huán)節(jié)忽略)。在測溫過程中可能存在施工機械作業(yè)、通風、灑水以及洞外氣流等影響因素。
1—測溫儀(溫度自記儀);2—測溫儀探頭;3—保護裝置;4—擋水板;5—挑桿;6—隧道掌子面;7—隧道邊墻圖2 各施工環(huán)節(jié)溫度測試設(shè)計Fig.2 Design of temperature testing for each construction link
本次對隧道施工區(qū)域(掌子面附近)的氣溫進行了6個施工循環(huán)(其中5個完整的施工循環(huán))的連續(xù)測試,測試時長共計約74 h,共采集了約2 200個氣溫值,成果資料整理如圖3所示,測試洞段的主要施工工況如表1所示??梢钥闯?,測試段最高氣溫達50.5 ℃,最低氣溫39.6 ℃;各施工循環(huán)氣溫曲線呈現(xiàn)下降(打鉆施工環(huán)節(jié))-驟升(爆破施工環(huán)節(jié))、上升(圍巖散熱)-緩降(出渣施工環(huán)節(jié))的特征;打鉆環(huán)節(jié)主要受通風、灑水等確定性因素影響,各施工循環(huán)變化趨勢相近,氣溫下降3~7 ℃;爆破施工環(huán)節(jié)在短時間內(nèi)氣溫出現(xiàn)驟升,上升值為4~6 ℃,但持續(xù)時間短;爆破后的圍巖散熱亦導致氣溫出現(xiàn)驟升,驟升速率較第2階段小,但持續(xù)時間長;出渣施工環(huán)節(jié)氣溫值變化較為復雜,且出現(xiàn)多處異常高值,分析原因為:該環(huán)節(jié)初始階段受爆破余熱、圍巖散熱影響,氣溫出現(xiàn)一定的上升,通風、灑水排煙(塵)等降溫措施后氣溫有所下降,但受出渣車輛及挖機等機械作業(yè)影響,氣溫出現(xiàn)多處異常高值(2~3 ℃)。
圖3 各施工循環(huán)氣溫變化曲線Fig.3 Air temperature change curves of each construction cycle
將隧道巖溫(新爆后)、氣溫的測量成果整理如圖4所示,隧道從47 100 m里程施工至46 000 m里程,隧道埋深從167 m增至635 m,巖溫從52.6 ℃上升至88 ℃,氣溫從35.2 ℃上升至56.4 ℃,巖溫與氣溫之差一般為25~30 ℃;巖溫與氣溫隨隧道埋深及進深增加呈現(xiàn)上升趨勢;氣溫升高的主要原因為巖溫的升高,氣溫值的大小與巖溫密切相關(guān)。
表1 氣溫測量洞段的主要施工工況
圖4 隧道巖溫、氣溫、埋深隨隧道里程的變化曲線Fig.4 Curves of rock temperature, air temperature and buried depth varying with tunnel mileage
用y=ax+b擬合隧道氣溫(爆破后)與巖溫的變化關(guān)系,如圖5所示,擬合結(jié)果和測量數(shù)據(jù)相關(guān)性較高,該階段氣溫隨巖溫呈現(xiàn)線性遞增的趨勢,公式為y=0.616x-0.115。
圖5 隧道氣溫-巖溫的線性擬合Fig.5 Linear fitting of tunnel air temperature and rock temperature
從圖3可以看出,氣溫隨時間的變化可劃分為4個變化階段:下降階段(第1階段),驟升階段(第2階段),上升階段(第3階段),緩降階段(第4階段)。
第1階段:對應(yīng)打鉆(炮眼)施工環(huán)節(jié),受通風、灑水等因素影響,氣溫隨時間呈現(xiàn)下降的趨勢,下降值為3~6 ℃,下降率約6~8%。
用y=ax+b擬合5個施工循環(huán)第1階段的氣溫隨時間的變化關(guān)系,如圖6所示,擬合結(jié)果和測量數(shù)據(jù)相關(guān)性較高,該階段氣溫隨時間(打鉆施工環(huán)節(jié))呈現(xiàn)線性遞減的趨勢,公式為
y=(-0.188~-0.226)x+(44.02~46.77)。
(1)
第2階段:對應(yīng)裝藥及爆破施工環(huán)節(jié),受炮孔注水降溫等因素影響,初始階段氣溫相對穩(wěn)定,爆破后氣溫呈現(xiàn)驟升的趨勢,上升值為4~6 ℃,上升率約10~12%。該過程亦比較符合Boltzmann曲線特征,該函數(shù)在擬合溫度變化、沉降變化等方面較為合理[17-18]。
圖6 第1階段氣溫-時間的線性擬合Fig.6 Linear fitting of air temperature and time in stage 1
用Boltzmann函數(shù)擬合5個施工循環(huán)第2階段的氣溫隨時間的變化關(guān)系,Boltzmann函數(shù)為
(2)
式中,A1,A2分別為氣溫極低值、極高值;x0為y=(A1+A2)/2時的x值,該值接近于爆破起爆時間;dx為(xmax-xmin)/20計算得到,該值的大小表征了氣溫驟升的快慢,dx值越小說明氣溫驟升越快,反之表明了氣溫驟升越慢。
第2階段的氣溫隨時間擬合曲線如圖7所示,各參數(shù)如表2所示,擬合結(jié)果和測量數(shù)據(jù)相關(guān)性較高,公式為
(44.5~46.7)。
(3)
圖7 第2階段氣溫-時間的Boltzmann擬合曲線Fig.7 Boltzmann fitting curves of air temperature and time in stage 2
表2 第2階段氣溫的Boltzmann擬合參數(shù)值
圖8 第3階段氣溫-時間的Boltzmann擬合曲線Fig.8 Boltzmann fitting curves of air temperature and time in stage 3
第3階段:爆破后溫度驟升,但持續(xù)時間較短,并出現(xiàn)驟降,該階段為氣溫驟降一定值后,由于揭露出的新鮮高溫圍巖散熱致使氣溫出現(xiàn)快速上升,上升值為1~3 ℃,上升率約4%~5%,上升速度為先快后慢,該過程亦比較符合Boltzmann函數(shù)曲線特征。用Boltzmann函數(shù)擬合5個施工循環(huán)第3階段的氣溫隨時間的變化關(guān)系,如圖8所示,各參數(shù)如表3所示,擬合結(jié)果和測量數(shù)據(jù)相關(guān)性較高,公式為
(45.0~46.7)。
(4)
表3 第3階段氣溫的Boltzmann擬合參數(shù)值
第4階段:對應(yīng)出渣施工環(huán)節(jié),初始階段受通風、灑水排煙(塵)等因素影響,整體呈現(xiàn)緩降趨勢,下降率約1%~2%;中后階段受出渣車輛及挖機等機械作業(yè)影響,氣溫出現(xiàn)多處異常高值(驟升2~3 ℃)。
剔除受出渣車輛等機械作業(yè)影響的異常值后,用y=ax+b擬合5個施工循環(huán)第4階段的氣溫隨時間的變化關(guān)系,如圖9所示。由于受機械作業(yè)影響較大,擬合結(jié)果和測量數(shù)據(jù)相關(guān)性偏低,該階段氣溫隨時間呈現(xiàn)線性遞減的趨勢,公式為
y=(-0.002 44~-0.018 1)x+(46.50~51.59)。
(5)
圖9 第4階段氣溫-時間的線性擬合曲線Fig.9 Linear fitting curves of air temperature and time in stage 4
第1階段、第4階段氣溫隨時間呈現(xiàn)下降趨勢,前文對氣溫-時間進行了線性擬合,對比分析擬合所得參數(shù)a、b值,見圖10,第1階段參數(shù)a的絕對值較第4階段大,即第1階段擬合線的斜率較大,氣溫隨時間下降較快;第4階段的參數(shù)b值較第1階段大,主要是因為第3階段圍巖散熱致使氣溫上升,達到高值。
圖10 線性擬合參數(shù)a、b對比分析曲線Fig.10 Comparison analysis curves of linear fitting parameters a and b
第2階段、第3階段氣溫隨時間呈現(xiàn)驟升,具有較為明顯的Boltzmann函數(shù)特征,對氣溫-時間進行了Boltzmann擬合,對比分析擬合所得參數(shù)A1,A2值及dx值,如圖11、圖12所示。第3階段的A1,A2值均較第2階段大,主要是因為第2階段爆破致使氣溫驟升,雖然其持續(xù)時間較短,并出現(xiàn)一定驟降,但爆破出的新的高溫圍巖立即對氣體進行了增溫。第2階段的dx值較第3階段小,說明爆破過程氣溫驟升速度較圍巖散熱致使氣溫驟升的速率大,但由于爆破能量為瞬間釋放,持續(xù)時間短,出現(xiàn)一定的驟降,而新的高溫圍巖散熱增溫持續(xù)時間較長,致使隧道氣溫在第3階段達到高值。
圖11 Boltzmann擬合參數(shù)A1,A2對比分析曲線Fig.11 Comparison analysis curves of Boltzmann fitting parameters A1 and A2
圖12 Boltzmann擬合參數(shù)dx對比分析曲線Fig.12 Comparison analysis curves of Boltzmann fitting parameter dx
綜合以上分析,可以得到施工過程(一個施工循環(huán))的氣溫-時間曲線模型(如圖13所示),氣溫隨時間的變化呈現(xiàn)4個階段的特征。第1階段(t0~t1),為打鉆施工環(huán)節(jié),受通風、灑水等因素影響,氣溫隨時間呈現(xiàn)線性遞減趨勢;第2階段(t1~t2),為爆破施工環(huán)節(jié),氣溫隨時間呈現(xiàn)驟升趨勢,可用Boltzmann較為準確地描述氣溫-時間關(guān)系,該過程持續(xù)時間短,氣溫驟升后出現(xiàn)一定的驟降;第3階段(t2~t3),為爆破后新揭露的高溫圍巖散熱過程,亦可用Boltzmann較為準確地描述氣溫-時間關(guān)系;第4階段(t3~t4),為出渣施工環(huán)節(jié),該過程受機械作業(yè)影響較為明顯,氣溫出現(xiàn)多處異常高值,剔除異常值后,氣溫隨時間呈現(xiàn)線性緩降趨勢。
圖13 施工過程氣溫-時間關(guān)系模型Fig.13 Model of relationship between air temperature and time in construction process
忽略機械作業(yè)對氣溫的影響,隧道施工過程的氣溫-時間數(shù)學關(guān)系可表達為
(6)
式中,T為隧道施工環(huán)境氣溫;t為施工時間;a(1),b(1)分別為第1階段線性函數(shù)的斜率、截距;A1(2),A2(2)分別為第2階段Boltzmann函數(shù)的氣溫極低值、極高值;x0(2)為第2階段Boltzmann函數(shù)y=(A1(2)+A2(2))/2時的x值,接近于爆破起爆時間;A1(3),A2(3)分別為第3階段Boltzmann函數(shù)的氣溫極低值、極高值;x0(3)為第3階段Boltzmann函數(shù)y=(A1(3)+A2(3))/2時的x值,為爆破后短時間;dx(2),dx(3)分別為第2、第3階段表征氣溫驟升的快慢物理量,按(x(2、3)max-x(2、3)min)/20計算得到。
施工過程的氣溫隨各施工環(huán)節(jié)呈現(xiàn)不同的變化趨勢,各階段具有不同的數(shù)學關(guān)系式,但氣溫值受巖溫影響大(巖溫可視作氣溫的主要熱源),新爆破的高溫圍巖巖溫與氣溫具有較好的線性關(guān)系,公式如下:
T(A2(3))=a0T巖+b0。
(7)
(1)本研究實測了5個完整施工循環(huán)的2 200多個氣溫&時間值,研究了氣溫隨時間變化特征,建立了施工區(qū)域各施工環(huán)節(jié)氣溫隨時間的數(shù)學關(guān)系,對同類高地溫隧道施工通風、降溫等具有指導意義。
(2)將施工過程的氣溫變化劃分為4個階段,并建立了施工過程氣溫-時間的數(shù)學關(guān)系式。第1階段氣溫隨時間呈現(xiàn)線性下降趨勢,下降率約6%~8%;第2階段氣溫隨時間呈現(xiàn)驟升趨勢,上升率約10%~12%,第3階段氣溫隨時間呈現(xiàn)快速上升趨勢,上升率約4%~5%,第2階段、第3階段用Boltzmann函數(shù)能比較準確地描述其氣溫隨時間的變化關(guān)系;第4階段氣溫隨時間呈現(xiàn)線性緩降趨勢,下降率約1~2%,但受機械作業(yè)影響,氣溫出現(xiàn)多處異常高值。
(3)氣溫升高主要原因為巖溫的升高,新爆破的高溫圍巖巖溫與氣溫具有較好的線性關(guān)系。爆破過程氣溫驟升,但持續(xù)時間短。施工降溫應(yīng)重點關(guān)注爆破后短時間內(nèi)的新爆圍巖散熱,針對性采取降溫措施,同時應(yīng)關(guān)注洞內(nèi)機械作業(yè)導致氣溫升高。