虹梯關(guān)特長公路隧道快速掘進(jìn)綜合技術(shù)

李自強(qiáng)，王明年，代仲宇，謝文強(qiáng)，于　麗

（1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都　610031；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實驗室，四川成都　610031；3.中鐵二局第二工程有限公司，四川成都　610091）

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虹梯關(guān)特長公路隧道快速掘進(jìn)綜合技術(shù)

李自強(qiáng)1，2，王明年1，2，代仲宇1，2，謝文強(qiáng)3，于麗1，2

（1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都610031；2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實驗室，四川成都610031；3.中鐵二局第二工程有限公司，四川成都610091）

摘要以虹梯關(guān)特長公路隧道為依托，采用有限元方法，從循環(huán)進(jìn)尺和施工通風(fēng)方式2個方面分析了深埋硬巖段不同爆破進(jìn)尺下圍巖松動圈的發(fā)展規(guī)律和變形量大小。結(jié)果表明：Ⅱ級圍巖條件下快速掘進(jìn)的合理爆破進(jìn)尺為3. 3 m以上但不超過4 m，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)控量測將設(shè)計預(yù)留變形量調(diào)整為2 cm；施工通風(fēng)風(fēng)管長度不超過1 000 m，建議將風(fēng)機(jī)設(shè)在距離橫通道50 m處。最后對現(xiàn)場施工組織進(jìn)行了優(yōu)化，掌子面開挖和錨噴封閉工作同時進(jìn)行，測量放樣與人工排線同時開展，進(jìn)一步壓縮各工序時間，最終使得虹梯關(guān)特長公路隧道快速掘進(jìn)達(dá)到了良好效果。

關(guān)鍵詞隧道工程；深埋硬巖；快速掘進(jìn)；綜合技術(shù)；數(shù)值模擬

隨著隧道工程逐漸向“長、大、深、群”方向發(fā)展，快速掘進(jìn)技術(shù)越來越廣泛地運(yùn)用到特長隧道的修建中［1］。為實現(xiàn)快速掘進(jìn)，通常采用深孔爆破，高效的施工通風(fēng)方式以及合理的施工流程進(jìn)行配合。因此，研究一套完整的特長公路隧道快速掘進(jìn)綜合技術(shù)具有現(xiàn)實意義。

目前國內(nèi)外對快速掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了一定研究。楊年華等［2］以秦嶺隧道為工程依托，提出了快速掘進(jìn)中針對硬巖的炸藥選型并提高掏槽爆破技術(shù)是快速掘進(jìn)的關(guān)鍵；吳建兵［3］基于軟巖隧道快速掘進(jìn)的變形預(yù)測進(jìn)行了支護(hù)方案的優(yōu)化；韓強(qiáng)［4］對明埡子隧道快速掘進(jìn)過程中圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了評價，闡明了施工過程中隧道圍巖的破壞規(guī)律及影響因素。以上研究多集中在如何改善爆破參數(shù)和支護(hù)方式，對于深埋硬巖條件下特長公路隧道則缺少一套完整細(xì)化的快速掘進(jìn)方案。本文以虹梯關(guān)特長公路隧道為依托，采用有限元軟件分析了深埋硬巖段合理爆破進(jìn)尺和施工通風(fēng)方式，并結(jié)合工程施工組織探討快速掘進(jìn)技術(shù)。

1　工程概況

虹梯關(guān)隧道左右線分離，全長13. 1 km。左右洞均為直線，兩洞最小間距25 m。隧道最大埋深589 m，自正洞施工以來，當(dāng)右洞掘進(jìn)1 131 m、左洞掘進(jìn)31 m時進(jìn)入深埋硬巖段，此時隧道左右線周邊圍巖均為Ⅱ級圍巖且埋深達(dá)486 m以上，決定采用快速掘進(jìn)技術(shù)加快施工進(jìn)度。Ⅱ級圍巖斷面凈寬10. 25 m，限高5 m，設(shè)計預(yù)留變形量為12 cm（圖1）。

圖1?、蚣墖鷰r斷面尺寸（單位：cm）

實施快速掘進(jìn)時，需要高效的施工通風(fēng)方式進(jìn)行配合。虹梯關(guān)隧道原通風(fēng)設(shè)計中雙洞均選擇壓入式獨(dú)頭通風(fēng)。風(fēng)機(jī)選用功率為220 kW的軸流風(fēng)機(jī)，在最長段設(shè)置3臺軸流風(fēng)機(jī)串聯(lián)滿足需要。通風(fēng)分為3個階段：第1階段，在0～1 km的通風(fēng)工區(qū)采用1臺風(fēng)機(jī)布置在洞口進(jìn)行送風(fēng)；第2階段，在1～3 km的通風(fēng)工區(qū)采用2臺風(fēng)機(jī)布置在洞口進(jìn)行送風(fēng)；第3階段，在3 ～4. 5 km的通風(fēng)工區(qū)由3臺風(fēng)機(jī)同時送風(fēng)，2臺風(fēng)機(jī)串聯(lián)布置于洞口處，1臺布置于3 km處，見圖2。

圖2　虹梯關(guān)隧道獨(dú)頭式通風(fēng)示意

2　爆破進(jìn)尺的優(yōu)化

2. 1模型的建立

模型采用摩爾庫倫準(zhǔn)則進(jìn)行模擬計算。為消除邊界影響，隧道模型左右邊界距離隧道邊界大于隧道3倍內(nèi)徑，取39 m；上下邊界距離隧道邊界大于隧道3倍凈空，取34 m。通過等效重力場實現(xiàn)460 m埋深模擬。有限元模型見圖3。

圖3　有限元模型

2. 2模型參數(shù)

1）圍巖參數(shù)

有限元圍巖參數(shù)依據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG D70—2004）并結(jié)合虹梯關(guān)隧道圍巖統(tǒng)計資料選取，見表1。

表1　圍巖物理力學(xué)指標(biāo)

2）爆破參數(shù)

《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG D70—2004）和《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F60—2009）中明確規(guī)定Ⅱ級硬質(zhì)圍巖循環(huán)進(jìn)尺可取3～5 m［5-6］。結(jié)合現(xiàn)場實際情況選擇3，3. 5，4，5 m共4種爆破進(jìn)尺模擬對比虹梯關(guān)隧道開挖過程。爆破荷載則采用國內(nèi)學(xué)者普遍認(rèn)可的三角荷載法通過公式（1）～公式（3），計算爆破荷載峰值Pmax、上升段時間td和總作用時間ts后［7-9］施加到隧道開挖邊界面上。爆破荷載具體參數(shù)見表2。

式中：r為對比距離，m；μ為巖體的泊松比；Q為炮眼裝藥量，kg；K為巖體的體積壓縮模量，105Pa。

式中：Z為比例距離，m；R為炮眼至荷載作用面的距離，m。

表2　爆破沖擊荷載參數(shù)

2. 3合理爆破進(jìn)尺的選擇

隧道開挖過程中，圍巖發(fā)生應(yīng)力重分布，應(yīng)力值超過圍巖強(qiáng)度時產(chǎn)生破碎帶，形成松動圈。本次根據(jù)計算所得的松動圈厚度（圍巖主拉應(yīng)力大于自身抗拉強(qiáng)度時其所在位置離掌子面的距離），依照表3［10］進(jìn)行分類。

表3　圍巖松動圈分類

爆破模擬結(jié)束后隧道拱頂、拱肩、拱腰、拱腳、拱底5條檢測線上每隔一段距離提取主拉應(yīng)力峰值進(jìn)行松動圈判定。

各爆破進(jìn)尺下的圍巖松動圈發(fā)展見圖4。由圖可知：隨著爆破進(jìn)尺的增加，各監(jiān)測點(diǎn)的松動圈厚度不斷增大，其中拱底的松動圈厚度始終最大且增長速度最為明顯。松動圈整體變化趨勢向圓形發(fā)展，表明隨著爆破進(jìn)尺的增加，隧道底部受到爆破荷載的影響最大，極易發(fā)生破壞。

圖4　各爆破進(jìn)尺下圍巖松動圈發(fā)展（單位：cm）

各種爆破進(jìn)尺下Ⅱ級圍巖最大松動圈厚度見表4。可知：Ⅱ級圍巖在3～3. 5 m爆破進(jìn)尺時為Ⅰ類小松動圈，支護(hù)方式較為簡單且在圍巖整體性完好的情況下可不進(jìn)行支護(hù)。當(dāng)爆破進(jìn)尺增加到4～5 m時，圍巖出現(xiàn)Ⅱ類中松動圈，雖仍屬于較穩(wěn)定圍巖，但支護(hù)要求有所提高。鑒于以上情況，結(jié)合實際施工中鑿巖設(shè)備性能及操作水平有限，虹梯關(guān)特長公路隧道深埋硬巖段采用3. 5～4 m循環(huán)進(jìn)尺進(jìn)行快速掘進(jìn)。

表4　各種爆破進(jìn)尺下Ⅱ級圍巖最大松動圈厚度

3　預(yù)留變形量的優(yōu)化

據(jù)有限元計算結(jié)果，虹梯關(guān)隧道單洞在3～4 m爆破進(jìn)尺下圍巖變形均＜1 cm，滿足相關(guān)規(guī)范要求。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，虹梯關(guān)隧道Ⅱ級圍巖段開挖后豎向位移極值為2. 99 mm，水平位移極值為3. 36 mm。李曉紅在《隧道新奧法及其量測技術(shù)》中提到：對于Ⅱ，Ⅲ級圍巖，開挖后隧道變形量較小，施工前預(yù)設(shè)計時可不予考慮預(yù)留變形量［11］。據(jù)此可將虹梯關(guān)隧道預(yù)留變形量由設(shè)計的12 cm改為2 cm。兩種預(yù)留變形量各項參數(shù)對比見表5。

表5　兩種預(yù)留變形量各項參數(shù)對比

由表5可知，預(yù)留變形量為12 cm時不但提高了每一循環(huán)的出土量，而且增加了施工過程的出渣時間。同時在一定程度上提升了造價，經(jīng)濟(jì)性較低。因此為實現(xiàn)快速掘進(jìn)，實際工程中預(yù)留變形量取2 cm。

4　通風(fēng)方案的優(yōu)化

4. 1通風(fēng)方案初步制訂

虹梯關(guān)隧道鉆爆法施工通風(fēng)設(shè)計參數(shù)見表6。

表6　通風(fēng)設(shè)計參數(shù)

鑒于炸藥爆破產(chǎn)生的有毒煙氣和粉塵等，從施工人員呼吸所需、爆破排煙、稀釋內(nèi)燃廢氣、滿足洞內(nèi)風(fēng)速4個因素［12-17］考慮，需風(fēng)量和風(fēng)管風(fēng)速見表7。

表7　理論計算需風(fēng)量和風(fēng)管風(fēng)速

由表7可知，稀釋內(nèi)燃廢氣需風(fēng)量最大，取其作為隧道需風(fēng)量的標(biāo)準(zhǔn)，則要求掌子面供風(fēng)量至少為2 244 m3/min；掌子面所需風(fēng)管出風(fēng)量為14. 7 m/s。

根據(jù)虹梯關(guān)隧道實際情況，制定聯(lián)合式通風(fēng)方案，具體分為2個階段：第1階段，前2 000 m采用獨(dú)頭壓入式通風(fēng)，在橫洞口設(shè)置2臺SDF-No12. 5風(fēng)機(jī)；第2階段，從2 000 m處開始到斜井處，采用巷道式通風(fēng)，將左右線洞口風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)移到相應(yīng)的橫通道處。具體實施見圖5。

圖5　虹梯關(guān)隧道巷道式通風(fēng)平面示意

風(fēng)管長度選用1 000 m，因其施工簡單通風(fēng)效果較好，雖設(shè)備使用功率稍大但更換設(shè)備的頻率較為適中，能夠在虹梯關(guān)隧道中得到很好運(yùn)用。

聯(lián)合式通風(fēng)通常采用射流風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)，但鑒于通風(fēng)設(shè)計中單臺軸流風(fēng)機(jī)提升壓力為16. 6 Pa，1臺就完全滿足4. 5 km通風(fēng)階段時所需的提升壓力，選用的SDF（C）-No12. 5型軸流風(fēng)機(jī)（高效風(fēng)量為2 385 m3/min，全壓為5 355 Pa，電機(jī)功率為220 kW）能夠滿足升壓要求，因此在實際工程中決定只采用軸流風(fēng)機(jī)。

4. 2炮煙擴(kuò)散規(guī)律

通過上節(jié)分析，初步制定了聯(lián)合式施工通風(fēng)方案。利用FLUENT先對炮煙擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究，再提出污風(fēng)回流控制方案。

1）模型尺寸

有限元模型以虹梯關(guān)隧道實際尺寸為依據(jù)。具體幾何尺寸：橫斷面面積87. 02 m2，長度4. 5 km；風(fēng)管直徑1. 8 m。所建模型見圖6。

圖6　有限元模型

2）邊界條件

采用k -ε不可壓縮紊流模型及Species Transport組分運(yùn)輸模型。設(shè)置軟管進(jìn)風(fēng)口為速度進(jìn)口，風(fēng)速為17. 1 m/s，進(jìn)口空氣的溫度和洞外氣溫相同，均為280 K。隧道洞門設(shè)置為壓強(qiáng)出口，相對壓強(qiáng)為0。隧道壁面設(shè)為粗糙壁面，粗糙度常數(shù)為0. 6，粗糙度的厚度值為0. 3 mm，壁面初始溫度為290 K。

隧道內(nèi)CO初始濃度和煙氣段CO的生成量可由公式算出，也可以由實測得出。本次計算采用實測值，洞內(nèi)CO總排放量為2. 1×10- 3m3/s，質(zhì)量流速為1. 0 ×10- 4kg/（m2·s）。

3）計算結(jié)果

CO濃度影響區(qū)域隨著施工通風(fēng)的進(jìn)行逐漸向洞外移動，此時隧道內(nèi)CO濃度稀釋速度已逐漸緩慢。在10 min左右時掌子面及其附近的CO濃度已稀釋到0. 05‰以下，滿足衛(wèi)生規(guī)范要求，因此決定在虹梯關(guān)隧道快速掘進(jìn)過程中，通風(fēng)10 min以上可進(jìn)洞施工。

4. 3污風(fēng)回流控制

聯(lián)合式通風(fēng)在無排風(fēng)機(jī)情況下，隧道內(nèi)風(fēng)管附近雖有壓力差，但其值較小，污風(fēng)會通過橫通道混合新鮮空氣進(jìn)入風(fēng)機(jī)再次吸入掌子面形成二次污染，不能滿足要求。因此為避免污風(fēng)二次污染，在虹梯關(guān)隧道左線洞口封堵墻內(nèi)設(shè)置大直徑排風(fēng)機(jī)，左線洞口完全封閉，使左洞成為一個相對低空氣壓力的環(huán)境，污濁空氣從左右線掌子面經(jīng)左洞排出洞外。

軸流風(fēng)機(jī)的具體位置同樣會影響快速掘進(jìn)過程中掌子面的施工通風(fēng)效果。如果風(fēng)機(jī)布設(shè)位置距離橫通道太近則會影響施工，降低掘進(jìn)效率，因此決定風(fēng)機(jī)與橫通道距離不超過30 m。在此基礎(chǔ)上對風(fēng)機(jī)距離橫通道30，50，80，100 m共4種工況進(jìn)行分析。有限元計算結(jié)果顯示，在4種工況下右線污風(fēng)均可通過橫通道進(jìn)入左線，達(dá)到控制污風(fēng)回流的目的。鑒于以上分析，在保證風(fēng)管不影響施工的前提下，選擇在將風(fēng)機(jī)布設(shè)在距離橫通道50 m的位置進(jìn)行施工通風(fēng)。

5　結(jié)論

1）在虹梯關(guān)隧道快速掘進(jìn)區(qū)間，深埋硬巖段爆破進(jìn)尺可選用3. 3 m以上但不超過4 m。

2）基于隧道變形的有限元分析，結(jié)合現(xiàn)場實際監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，可以將原預(yù)留變形量12 cm改為2 cm，不但減少了隧道每循環(huán)出渣量，縮短了出渣時間，而且降低了回填成本，具有極高的經(jīng)濟(jì)效益。

3）對于特長雙線公路隧道，施工通風(fēng)方式可選用聯(lián)合式巷道通風(fēng)。在保證風(fēng)機(jī)距離開挖掌子面不超過1. 5 km的情況下，隨開挖進(jìn)度推進(jìn)而移動風(fēng)機(jī)，能夠有效提高洞內(nèi)通風(fēng)效率。風(fēng)機(jī)具體位置布設(shè)在距橫通道50 m處，風(fēng)管長度不超過1 000 m，左線在封堵墻內(nèi)設(shè)置排風(fēng)機(jī)能夠在10 min內(nèi)將隧道內(nèi)CO濃度稀釋到規(guī)范要求。

4）施工組織在一定程度上進(jìn)行優(yōu)化。掌子面開挖和錨噴封閉工作同時進(jìn)行，測量放樣與人工排線同時開展，進(jìn)一步壓縮各工序時間，最終使得虹梯關(guān)特長公路隧道快速掘進(jìn)達(dá)到了良好效果。

5）本文中所采用的快速掘進(jìn)技術(shù)僅針對于深埋硬巖隧道，對于其他條件下的快速掘進(jìn)技術(shù)將在以后進(jìn)行研究。

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（責(zé)任審編葛全紅）

第一作者：李自強(qiáng)（1987—），男，工程師，博士研究生。

Comprehensive Rapid Driving Technologies Applied in Hongtiguan Super-long Highway Tunnel

LI Ziqiang1，2，WANG Mingnian1，2，DAI Zhongyu1，2，XIE Wenqiang3，YU Li1，2
（1. School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China；2 MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China；3. The Second Engineering Co.，Ltd. of China Railway Second Bureau，Chengdu Sichuan 610091，China）

AbstractHongtiguan super-long highway tunnel was studied. W ith finite element method，the loose circle development and deformation with different blasting footage in deep hard rock section were analyzed in terms of circulating footage and ventilation. T he results show that a reasonable blasting footage of rapid excavation is more than 3. 3 m and below 4 m forⅡsurrounding rock，and the reserved deformation shall be adjusted to 2 cm based on the in-situ monitoring. T he air duct length shall be less than 1 000 m，and the fan is suggested to be installed at 50 m away from horizontal channel. T he construction organization was optimized. T he working space excavation and shotcrete support were carried out at the same time. T he surveying and measurement lofting were conducted simultaneously. T he time for each program was shortened. T he rapid excavation of the Hongtiguan super-long highway tunnel has been well-performed.

Key wordsT unnel engineering；Deep hard rock；Rapid driving；Comprehensive technologies；Numerical simulation

中圖分類號U455

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

DOI：10. 3969 /j. issn. 1003-1995. 2016. 05. 24

文章編號：1003-1995（2016）05-0107-05

收稿日期：2015-11-10；修回日期：2016-03-20

通訊作者：于麗（1978—），女，副教授，博士。