尼格高地温隧道温度场特征及岩温预测模型

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隧道出现高地温现象,不仅会影响施工材料的使用,更会影响施工人员的安全,甚至发生地质灾害,造成重大施工事故,是不可忽视的工程问题,因此,研究隧道高地温问题,对我国高地温隧道建设具有重要的理论和实践意义。本文以云南省红河州个旧市尼格高速公路隧道为研究区域,对研究区域的高地温特征和温度场分布特征进行了研究,分析了热源地质成因,探讨了隧道施工中对待开挖段的温度预测方法。论文的主要研究工作及成果如下:1.尼格隧道热传递方式主要是围岩之间的热传导以及围岩与高温热水和流动空气之间的热对流。尼格隧道进口段的高地温现象为高水温特征,最高水温达到了53.9℃,最大涌水量为6L/s,高温水与围岩和空气对流换热,引起隧道内围岩及空气温度升高,测试得到的最高空气温度为40.9℃;尼格隧道出口段高地温现象为高岩温特征,岩壁干燥无涌水,隧道内进行放炮施工后掌子面处岩壁温度达到最高,为54.8℃,爆破后的出渣阶段,洞内空气温度逐渐升高达到峰值,为50.5℃,通过对掌子面的超前水平钻孔测温分析,得到的在左洞距孔口20m处的最高温度为60.5℃,右洞最高为56.8℃,岩体高温是引起出口段隧道气温升高的主要因素。隧道进出口的空气温度皆大于28℃,属于高地温隧道。2.沿隧洞洞口至掌子面,温度会持续上升,靠近掌子面50m左右处会出现温度骤升现象,隧洞内已开挖的施工段在通风状态下,岩壁温度和空气温度会持续下降,随着通风时间越长,调温圈半径越大,调温圈内的温度逐渐降低,隧洞岩壁的衬砌作业有较好的隔热和导热作用,直至隧洞贯通之后,过洞风流与岩壁进行剧烈的热交换,温度下降速度增快,洞内温度逐渐靠近外界大气温度,达到一个新的热平衡。尼格隧道预计在隧洞贯通后,左洞在六个月左右,右洞在八个月左右时间内,洞内整体空气温度下降到28℃以下。3.通过对隧洞进口至出口共五个点位进行实时温度监测统计,得到规律为:隧洞外部靠近进出口区域会随外界大气环境温度有起伏变化,隧洞内部区域几乎不会有较大的温度变化,基本保持平稳状态,而同处于外部区域的出口段花岗岩地层热扩散率、导热系数大于进口段的灰岩地层,比热容和岩石密度小于进口段的灰岩地层,故而进口段的灰岩地层相对温度会更加稳定且接近于原岩温度,不会随环境大气温度变化产生较大波动。4.通过研究区域的地质构造、地层岩性、水化学特征及岩石放射性特征研究分析隧道的热源来源、导热通道和热源成因及过程,分析研究结论为,研究区高地温热源主要来自于地壳深部的热异常体,其次花岗岩的放射性元素衰变生热也提供了部分热源来源,热源的导热通道主要有:断层Fn1、断层Fn2、灰岩与花岗岩接触带LJ、断层fn1、构造优势裂隙LG、溶蚀裂隙及岩溶管道LR。隧道灰岩地层段出现的高水温的成因过程为热源(深部热异常体)—主要传热通道(深循环)—次级传热通道—浅表水体混合、水岩作用,其过程伴随着冷热水混合作用及离子交换;隧道花岗岩段出现的高岩温的成因过程为热源(深部热异常体、放射性元素衰变生热)—主要传热通道(深循环)—次级传热通道—热气沿裂隙传至隧道岩体,其过程伴随着S元素的富集,易形成H2S或SO2有毒有害气体。5.通过相关性线性回归方程、实测岩温拟合曲线模型、地温成因演化计算这三种方法进行了隧道未开挖段的最高岩温预测,最终得到的最高岩温预测结果误差最大的为地温成因演化计算,绝对误差为4.9℃,最高岩温出现的地点预测结果误差最大的实测岩温拟合曲线模型方法,绝对误差为75m,三种方法皆有实用性和可行性。衡量三种方法的优势和弊端,地温成因演化计算方法可用于隧道还未开挖之前根据当地地质条件和地质演化历史进行预测,而相关性线性回归方程方法和实测岩温拟合模型方法需要在隧道开始开挖后,通过施工阶段的相关数据统计分析规律才可进行预测;用实测岩温拟合模型方法预测的岩温更为准确接近于实际情况,用相关性线性回归方程方法预测的最高岩温出现位置更接近于实测情况;在之后有关于这方面的实际工程中,可以结合三种方法的利弊,进行更为准确的预测分析。
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