在设计深埋长大越岭地下工程时，必须考虑在施工实施时人员和机具的工作条件，而首先要解决的问题是所有的工程地质问题，而天然地温便是一个比较突出的地质问题。地温超过30℃时，便称为高地温。隧道工程中若发生高地温问题，一方面将恶化作业环境，降低劳动生产率，并严重威胁到施工人员的生命安全；另一方面将影响到施工材料的选取（如耐高温炸药）和混凝土的耐久性，而且由于产生的附加温度应力还将引起衬砌开裂，严重影响隧道的稳定性。表1列举了国内外部分深埋长隧道的地温值及主要穿越的地层岩性，从表中可以看出，大部分深埋长隧道都修建在比较坚硬的岩石中，如花岗岩、片麻岩、混合岩、石英岩、板岩、灰岩等。对于各类坚硬、致密岩石，由于热导率较低，传热性能差，在岩体中易于聚集热能，因此随着隧道工程埋深的增加，地温一般也逐渐增加，但这种增加的趋势是非线性的。如表1中的勃朗峰公路隧道埋深2480m，最高地温值为35℃，而辛普隆隧道埋深为2140m，最高地温值却达到55.4℃。可见，地温值的大小不简单取决于埋深。事实上，地温值与隧道所在地区的地层岩性、地质构造、近期岩浆活动，以及地下水的活动等因素均有密切关系。

表1 部分深埋长隧道的地温值

国名	隧道名称	长度 （km）	最大埋深 （m）	温度 （℃）	主要岩性
法、意	里昂—都灵(Lyon-Turin)隧道	54	2000	40	砂页岩、灰岩、片麻岩、石英岩
日本	安房公路隧道	4.35	700	75	粘板岩、砂岩、花岗闪绿斑岩
瑞士	辛普隆(Simplon)隧道	19.80	2140	55.4	流纹岩、片麻岩、花岗岩
瑞士	新列奇堡(Leotchberg)隧道	33.0	2200	42	片麻岩、花岗岩
瑞士	新圣哥达(St.Gotthard)隧道	57.0	2300	45	片麻岩、白云岩
瑞士	老列奇堡(Leotchberg)隧道	14.64	1640	34	石灰岩、片麻岩、花岗岩
瑞士	老圣哥达(St.Gotthard)隧道	14.94	1706	30.8	花岗岩、花岗片麻岩、片岩
俄罗斯	阿尔帕—谢万输水隧洞	43.0	—	30	大部分为中等—坚硬岩层
美国	喀斯卡特(Cascade)隧道	12.543	—	24	花岗岩
法、意	勃朗峰公路隧道	11.60	2480	35	花岗岩、结晶片岩、片麻岩
美国	特科洛特(Tecolote)公路隧道	6.40	2287	47	砂岩、粉砂岩
中国	成昆铁路关村坝隧道	6.107	1650	28	灰岩
中国	锦屏二级水电站引水隧洞	18.0	2600	12	大理岩、砂板岩
中国	西康铁路秦岭隧道	18.448	1600	40	混合花岗岩、混合片麻岩
日本	新黑部第三水电站水工隧洞	5.28	—	170	—
奥地利	阿尔贝(Arlberg)隧道	10.24	720	18.5	长石质云母片岩、片麻岩、闪长岩
法、意	仙尼斯峰(Mt.Cenis)隧道	12.84	1600	29	石灰岩、片麻岩、砂岩
—	伊泽尔—阿尔克(Isere_Arc)隧道	10.7	2000	30.8	—
意大利	亚平宁(Appenine)铁路隧道	18.518	2000	63.8	砂质片麻岩、软岩、粘土

注：表中*表示地温为预测值;—表示情况不明。

2 隔热材料和隔热技术的研究

2.1 隔热和隔热材料

隔热又称绝热，它相当于传热而言。隔热层的作用是使通过它的传热量最小，隔热效果的好坏，取决于隔热材料的性能、厚度及防潮措施等。

2.1.1 隔热材料的选择

作为隔热材料，应具备下列条件：

(1)导热系数要小，这样热阻就大，可以减少冷量的损失和隔热层的厚度，一般取λ＝0.03～0.12；

(2)重度小，一般重度小的物质其导热系数也小，同时重度小可以减轻设备的负重；

(3)吸水性差，因水的导热性能较好，隔热材料吸水后，其导热性能随含水量的多少而改变，含水量越多，隔热性能越差；

(4)耐火性，隔热材料应不燃烧，以便今后检修设备和管道时，因需焊接不致引起隔热材料的燃烧；

(5)造价要低。

选用制冷隔热材料时，必须综合考虑实际工程的隔热要求，材料的性能，经济指标等因素，及可能做到因地制宜，就地取材，保证质量，节省投资。

2.1.2 隔热材料特性

隔热材料选择时首先是考虑隔热性能，即导热系数愈小愈好；其次是平均密度，希望重量轻；还应考虑它的吸潮性能和抗压强度。常用的隔热材料见表2.1-1和2.1-2。

表2.1-1 各种绝热材料的导热系数

绝热材料	形 式	平均密度 （kg/m3）	测定温度 （℃）	导热系数 （kj/(m·h·k)）
苯乙烯泡沫	不连续气泡（独立气泡）	20 30	20.0 20.0	0.130 0.126
玻璃棉	玻璃纤维酚系树脂粘接	12 20	20.0 20.0	0.151 0.130
硬质聚氨酯	聚酯不连续气泡	26 38	20.0 20.0	0.088 0.071
软质聚氨酯	不连续气泡（独立气泡）	30	20	0.130
聚乙烯泡沫	不连续气泡（独立气泡）	30	70	0.162
牛毛毛毡	牛毛50，其他兽毛30，植物纤维20	160	18.1	0.146
软木	软木粒3～6ｍｍ蒸气烧成	118	17.6	0.153
矿渣棉	保温带	180	-	0.178
软木粒		120	14.4	0.251
锯屑	松树，水分11％	168	17.4	0.511
木板	杉树，垂直于纤维	332	18.1	0.544
煤渣	粒子3～6mm	560	18.3	0.678
砖瓦		1670	18.4	2.306
混凝土	钢筋混凝土	1600	0	3.014

表2.1-2 玻璃传热系数

类 别	组 成	空气层	传热系数（kj/(m·h·k)）
单层玻璃	3mm	-	27.77
空心双层玻璃12mm	3mm×2块	6	14.02
空心双层玻璃16mm	3mm×2块	12	12.14

2.2 稀土复合硅酸盐板材和稀土复合硅酸盐浆料及其施工工艺

2.2.1 稀土复合硅酸盐板材

稀土复合硅酸盐板材是一种真空网状结构材料，本产品是含铝、镁、硅酸盐的特种矿物质为原料，掺入一定数量的辅助原料和填充料，加入一定的化学添加剂，采取新工艺、新技术研制而成。

（1）产品特点

·稀土复合硅酸盐板材适用于-35℃—600℃的环境下对各种载体保温、隔热效果好。

·具有质量轻、导热系数低、耐酸碱性能优。

·形如海绵，随意性大，质轻易于施工，不刺激皮肤，不产生有毒气体。

（2）产品规格及技术参数

产品规格为：长1000mm±10mm，宽500mm±5mm，厚30mm—80mm。技术参数见表2.2-1。

表2.2-1 稀土复合硅酸盐板材技术参数

等级	密度 Kg/m3	导热系数 w/m.k	含湿率 %	弹性恢复率	最高使用温度℃	增水率%
优等品	40-60	0.036	2.0	>GB	600	98
一等品	60-80	0.038	3.0	>GB	600	96
合格品	80-150	0.038-0.042	4.0	>GB	600	96

（3）施工工艺

·FBT复合保温板材可在-35℃—600℃范围内对各种载热体进行保温隔热。

·该材料容重轻，导热系数低，形如海绵，随意性大，可卷缠于管道，也可粘贴于大型罐体。板材厚度一般为3-5cm。

·在较粗管线或罐体上使用时，先将保温涂料抹在载热体上1cm厚，然后把保温板材粘贴到上面，并用钢丝或网轻轻捆缠，浆料在连接处勾缝。如缝隙太大，可把板材按缝隙大小裁出相应尺寸，贴于缝中。如需要两层保温，可依次压缝施工。

·保温完后，外表如不包铁皮，需在外表再涂抹1cm厚保温浆料再收光，待干燥后外表刷防水剂即可。

2.2.2 稀土复合硅酸盐浆料施工工艺

·施工前应先将施工面清除干净，无油污脏物及剥落物存在，最好在±5℃以上环境温度下施工。

·被施工面第一层厚度不超过10mm，以减少下垂重量，增强纤维拉力与被施工面之间的粘结力。

·待第一层干燥后方可进行第二层施工，涂抹时最好经纬交叉进行，增强纤维拉力，表面形成网状结构。

·在载热体表面施工时，第一层一定要薄，只需挂牢，待干燥后，即可根据实际保温厚度要求，加速施工。

·施工厚度达到设计保温要求后，将保温层表面压光待彻底干燥后，涂刷表面防水剂，就可达到保温防水的要求。

2.3 不同材料的隔热降温效果及耗能比较

通过有限元分析软件ANSYS的热分析模块，对不同的保温隔热材料（文中分别选取了苯乙烯和聚氨酯两种材料）的隔热降温效果和对应的消耗补给冷能进行了比较。有限元计算时的材料参数见表2.3-1，计算模型见图2.3-1。

表2.3-1 材料参数

材料	密度（kg/m3）	导热系数（W/(m*K)）
围岩（花岗岩）	2800	3.49
衬砌（混凝土）	2300	1.51
苯乙烯	25	0.0356
聚氨酯	32	0.0222
空气	1.293	0.03

图2.3-1 FEM计算网格划分模型

通过多次试算，模拟在原始地温为100℃和60℃，当没有隔热层材料和设置隔热层(材料分别为苯乙烯和聚氨酯)的情况下，需要补给多少冷能来降到开挖隧道内的温度（降低到可工作温度28℃）。计算结果列于下表及图中。

表2.3-2 降温冷能补给比较（单位：W/m）

地温	无隔热层	10cm苯乙烯	10cm聚氨酯	5cm苯乙烯	5cm聚氨酯
100℃	638.00	362.50	284.20	464.00	391.50
60℃	281.30	159.50	127.60	203.00	174.00

（a） 地温:100℃ （b）地温:60℃

图2.3-2 不设置隔热层情况下降温后的温度场分布图

（a）整体 （b）洞周局部

图2.3-3 原始地温为100℃降温后温度场分布图(10cm苯乙烯隔热层)

（a）整体 （b）洞周局部

图2.3-4 原始地温为100℃降温后温度场分布梯度图(10cm苯乙烯隔热层)

（a）整体 （b） 洞周局部

图2.3-5 原始地温为60℃降温后温度场分布图(10cm苯乙烯隔热层)

（a）整体 （b） 洞周局部

图2.3-6 原始地温为60℃降温后温度场分布梯度图(10cm苯乙烯隔热层)

（a）整体 （b） 洞周局部

图2.3-7 原始地温为100℃降温后温度场分布图(10cm聚氨酯隔热层)

（a）整体 （b） 洞周局部

图2.3-8 原始地温为100℃降温后温度场分布梯度图(10cm聚氨酯隔热层)

（a）整体 （b） 洞周局部

图2.3-9 原始地温为60℃降温后温度场分布图(10cm聚氨酯隔热层)

（a）整体 （b）洞周局部

图2.3-10 原始地温为60℃降温后温度场分布梯度图(10cm聚氨酯隔热层)

制冷剂的选用比较：

通过计算可以确定在不同保温隔热层情况下，达到同样降温效果选用不同制冷剂的量。文中主要比较了冰和液氮两种制冷剂的用量。制冷剂的热物理参数见表2.3-3。用量比较见表2.3-4，单位是kg/(m•h)，即每延米开挖洞室每小时需用多少千克的制冷剂。

表2.3-3 制冷剂热物理参数

制冷剂	密度(kg/m3)	导热系数(W/m•k)	比 热(J/(Kg•K))	相变点(℃)
冰	917	2.4000	2060	0
液氮	820	0.0933	2016	-195.8

表2.3-4 制冷剂用量比较(单位：kg/(m　h))

制冷剂	地温	无隔热层	10cm苯乙烯	10cm聚氨酯	5cm苯乙烯	5cm聚氨酯
冰	100℃	34.84	19.80	15.52	25.34	21.38
冰	60℃	15.36	8.71	6.97	11.09	9.50
液氮	100℃	5.09	2.89	2.27	3.70	3.12
液氮	60℃	2.24	1.27	1.02	1.62	1.39

分析与结论：

比较计算结果可知，选用聚氨酯作为保温隔热层材料的效果较苯乙烯好，选用液氮作为制冷剂的降温效果较冰好。另外保温隔热层的厚度与制冷需要的冷能补给量之间存在一定的关系，下面进一步分析，选取聚氨酯保温隔热材料，通过计算确定其隔热层厚度和冷能补给量之间的关系。前面已经计算了隔热层厚度为10cm和5cm两种情况，下面再计算15cm和2cm两种厚度，最后对计算结果进行处理可得出隔热层厚度与冷能补给的关系，见表2.3-5，关系曲线见图2.3-11。

表2.3-5 不同隔热层厚度与对应的冷能补给量

保温层厚度(cm)	15	10	5	2	0
补给冷能(W/m)	223.30	284.20	391.50	513.30	638.00

（注：保温层为聚氨酯材料；初始地温为100℃，降温后地温为28℃）

图2.3-11 隔热层厚度与冷能补给的关系曲线

(聚氨酯材料；初始地温为100℃，降温后为28℃)

由图2.3-11可以看出，当保温隔热层达到一定厚度时，继续增大厚度的效果不再很明显，即通过增加保温隔热层的厚度来达到洞室内降温的效果是不明显的。当然，具体选用何种保温隔热材料和制冷剂以及保温层的厚度取多大，还需要通过对原材料的市场价格、保温隔热层的物理力学性能和抗腐蚀抗老化性能等方面进行综合比较分析再确定。

3 高地温条件下的衬砌混凝土施工和裂缝防止措施

3.1 衬砌混凝土施工

一般在混凝土厚度薄时，水化热易向外部逸散，不会变成高温，温度应力不会成为问题。但是，在100度高温的岩体及喷混凝土上浇注二次衬砌混凝土时，即使厚度再薄，水化热也不易逸出。由于混凝土里面和表面温差，再早龄其有可能存在裂缝。因此，对二次混凝土衬砌研究了各种防止裂缝措施后进行施工：

（1）为了防止高温时强度降低，采用的水灰比在控制在55％一下，考虑到对温泉水的耐久性采用高炉矿碴水泥。

（2）在防水板和混凝土衬砌之间设置隔热材料，因此隔断了从岩体传播来的热量，使混凝土内的温度应力降低。

（3）把一般衬砌混凝土的浇注长度从10.5m缩短到6.0m。

（4）用防水板和无纺布组合成缓冲材料，由于与喷混凝土隔离，因此，混凝土衬砌的收缩未受到约束。

3.2 混凝土裂缝防止措施

日本安房隧道在浇注混凝土后经过4个月左右，在拱定附近延长方向发生了宽1mm左右的裂缝。由位移计和温度计量测的结果，认为原因是由于通风量大造成干燥收缩，及随着洞内温度的降低造成的收缩。

因此，建议在本隧道的施工中采用如下措施：

（1）在混凝土中加入能降低干燥收缩的材料；

（2）设置裂缝诱发缝。

安房隧道在实施以上措施0以后，浇注混凝土后6个月发生了几条裂缝宽0.04～0.08mm，长度1.5～3.0的裂缝，但发生率比实施前减少了4/5。

4 高地温条件下堵水技术研究

在高黎贡山隧道地区，近期构造活动强烈，新生代岩浆岩侵入频繁，岩石变质作用多种多样，深大断裂沟通地壳深部热源，使得侧区地热异常，热水活动强烈。对应于区域断裂构造带，地热异常带分为怒江南北向构造热水带、高黎贡山—三台山弧形构造热水带，侧区位于两个热水带的复合、结合部位。另外，龙陵县邦腊掌温泉大滚锅，泉水温度达到沸点，据访问调查，最高温度可达108℃，高于正常大气压下水的沸点温度。因此，为确保隧道内的正常施工，进行高地温条件下的堵水是非常必要的。通过调查国内外的相关资料，采用高可靠性的化学药液灌注施工法是目前堵水技术比较可行的。

在日本安房隧道施工中，从高温温泉水的灌注效果来看，在水泥浆系的灌注材料中LW（水玻璃水泥系药液）效果最好。为了进一步提高截水效果，LW和硅溶胶混合灌注就很必要，并且从耐久性也能充分发挥截水及改良围岩的作用。此外，水泥中的高炉矿渣水泥B种也比较适意。

安房隧道在高温温泉水地带的二次混凝土衬砌的耐久性，用了普通水泥、高炉矿渣水泥B种（混合粉碎和分离粉碎）、中热水泥、中热水泥＋粉煤灰水泥等5个种类，用温泉水和自来水进行养护，研究结果是，高炉矿渣水泥B种（分离粉碎）几乎不受侵蚀，对温泉水的耐久性明显优越。

综上所述，在高地热地区进行隧道施工时，应根据地下水的水量进行施工降水或进行化学浆液注浆堵水。在采用化学浆液注浆堵水施工中，采用水玻璃水泥系药液较好，必要时可加入一定的硅溶胶。

5 高地温条件下隧道支护形式研究

在高地温条件下，隧道支护一方面要确保施工期间洞内合适的温度，；另一方面还要确保运营期间列车的正常运行，所以，支护形式的选择要综合施工时以及运营时两方面的要求综合确定。下面是建议的六种支护形式：

·支护一：喷锚支护+稀土隔热层+离壁式衬砌；

·支护二：喷锚支护+稀土隔热层+硬质聚氨酯隔热层+模筑混凝土衬砌；

·支护三：喷锚支护+稀土隔热层+模筑混凝土衬砌+稀土隔热层；

·支护四：喷锚支护+稀土隔热层+模筑混凝土衬砌+离壁式衬砌；

·支护五：喷锚支护+稀土隔热层+硬质聚氨酯隔热层+装配式混凝土衬砌；

·支护六：喷锚支护+稀土隔热层+装配式混凝土衬砌+稀土隔热层。

具体支护形式见5-1～5-6。

图5-1 支护一 图5-2 支护二

图5-3 支护三 图5-4 支护四

图5-5 支护五 图5-6 支护六

在上述六种支护形式中，模筑混凝土衬砌由于受高地温的影响，在施工中需要严格控制各项指标，才可达到预期的效果；而装配式衬砌可在洞外批量生产，且在施工中不受温度的影响，故可优先考虑采用；相对来讲，运营时对洞内的温度标准要求不是很高，采用离壁式衬砌施工比较方便，而且采用空气作为隔热材料，成本低，也可考虑采用。