虹梯关特长隧道快速掘进施工技术研究

姬 鸽

（长平高速公路建设管理处，山西 长治 046000）

0 引言

目前国内修建的10 km以上的特长隧道，通常设置辅助坑道，采用分段送排风等特殊通风方式来实现施工和运营期的通风要求[1]，也能在施工期提供多个工作面加快施工进度。但由于隧道较长，掘进方法、通风方式和施工组织设计等，成为影响隧道掘进速度的重要因素。

虹梯关特长隧道全长13.1 km，为左右线分离式隧道，是连接山西长治至河南安阳高速公路的组成部分，是目前国内第三长大公路隧道。该隧道施工分两个标段，其中由中铁十二局承建隧道进口的施工任务，左洞长7 212 m，右洞长7 227 m。在隧道线路右侧设置左右洞通风1、2号斜井及1号地下风机房，与正洞平面交角24°40′15″，倾角22°30′，斜井长690 m。

隧道进口自2009年12月22日横洞施工到位进入正洞施工，计划于2012年底建成通车，平均进度为200 m/月。为加快工程建设进度，在正洞施工中通过采用水压爆破、巷道式通风等技术，合理组织施工，有效地提高了施工进度，并创造了人工钻爆法施工单月独头掘进556 m的世界纪录。

1 隧道地质情况

对虹梯关特长隧道有影响的构造主要为虹梯关构造褶皱带，该带北起轿顶山，向南经虹梯关、乱石滩、寺头、杏城、西风子岭、水沟、后蔓，延伸至树掌镇，是西安里构造岩浆岩带东带的北段，长度大于30 km，影响宽度2～6 km不等，轴际走向总体呈NNE5～10°展布，北端虹梯关—轿顶山—带轴迹折向北东，20°～60°走向。

该构造褶皱带主要影响奥陶系马家沟组地层，由于岩浆侵位，使得马家沟组地层向上隆起形成轴迹NNE5～10°的复背斜构造。而其波及的东西两侧地层中形成一系列NNE向背向斜构造，呈雁行式排列，小井沟向斜、北沟向斜、老凹岭背斜、柳树沟背斜等。该构造岩浆岩带核部局部膨大，燕山期呈盖状产出的闪长岩体呈串珠状出露。主背斜构造结构面近于直立，沿走向、倾向均有不同程度的舒缓波状弯曲。两翼产状较缓，西翼产状270°～320°∠5°～8°；东翼产状为100°～140°∠5°～20°。

隧道一般埋深200～400 m，最大埋深600 m，隧道围岩主要岩性为白云岩、灰岩，岩石单轴抗压强度较高，为61.5～89.8 MPa，属坚硬岩。

2 施工组织的优化

2.1 采用水压爆破技术

2.1.1 水压爆破原理

隧道掘进水压爆破技术利用在水中传播的爆破应力波对水的不可压缩性，使爆炸能量经过水传递到炮眼围岩中几乎无损失，十分有利于岩石破碎。同时，水在爆炸气体膨胀作用下产生的“水楔”效应有利于岩石进一步破碎，炮眼中有水可以起到雾化降尘作用，大大降低粉尘对环境的污染。

2.1.2 水压爆破优点

a）由于炮泥采用的土∶砂∶水按比例0.75∶0.10∶0.15配制[2]，炮泥晒后比纯土坚实、密度大，比纯土堵塞效果好。

b）根据现场实测结果分析，水压爆破产生的粉尘实测值为1.19 mg/m3，洞内粉尘降低了46%以上，常规爆破需要30 min后才能到掌子面排险，水压爆破仅15 min左右即可进行后续施工。

c）每循环爆破炸药可节省6%，进尺比常规爆破提高 20～40 cm，按Ⅱ级围岩断面设计为80.22 m3/m，则每循环可多出渣16～32 m3。

水压爆破技术与常规爆破技术相比，缩短了后续施工等待时间，提高炸药能量利用率和施工效率，改善了施工作业环境。

2.2 改进通风措施

在隧道独头掘进至2 000 m以上后，采用压入式通风的隧道内空气质量污浊，能见度低，通风排烟时间延长至30 min方能进行测量放样，大大制约了隧道施工进度。为缩短通风排烟时间，采用巷道式通风，取得了良好的效果。

2.2.1 巷道式通风原理

巷道式通风是利用通风设备改变隧道内空气压力，使污浊空气从高压区流向低压区，最终排出隧道，形成一个循环，适用于两洞间设车行横通道的双洞隧道。

通风时，空气在左（右）洞送风机组前为正常大气压力，经送风机组将空气压入施工作业面形成高压区，设置有排风机的右（左）洞形成低压区，作业面高压空气经隧道横通道流向低压区，经吸风机送出洞外。

2.2.2 巷道式通风方案

表1 常用风机的主洞供风最大距离

根据表1所示情况，通风机选用SDF（B）—No.12.5型轴流风机（高效风量为2 385 m3/min，全压为5 355 Pa，电机功率为110×2 kW），在隧道掘进施工至2 km时通风机功率及通风量不能满足施工要求。经研究，隧道改为巷道式通风方案后隧道压入式通风距掌子面距离确保在1 km以内，确保掌子面空气质量。

a）第一阶段 在右洞右侧的临时横洞口设置2台SDF—No.12.5风机，分别引入到左右洞，将新鲜空气送至工作面，污浊空气沿洞身排出洞外。

b）第二阶段 施工长度大于1 900 m时，将临时横洞口通风机移至距掌子面第二个车行横洞处；在左洞洞口位置设置1台抽风机并封闭风机断面；距掌子面第一个车行横洞开放，对已贯通的其他车行、人行通道进行封闭；新鲜空气由右洞口和临时横洞进入右洞内，经风机压到右洞掌子面，污染空气经距掌子面返回至第一个横洞进入左洞，在左洞抽风机的作用下，以左洞作为污染空气的排除通道，使右洞和左洞之间形成巷道通风（见图1）。

随着开挖距离的增加，通风机与抽风机向前推进一个车行横洞距离，通风车行横洞相应向前推进，原通风车行横洞进行封堵。以此方式类推，隧道通风设备只需要3台风机，就可以用到工程结束。

图1 第二阶段排风设置平面示意图

2.2.3 巷道式通风优点

循环式巷道通风方式与传统压入式通风相比，大大节约了通风设备投入，为移动空压机进洞提供了必备条件，直接减少材料和设备投入达1 000多万元。采用巷道式通风后，虹梯关隧道单口掘进达5 700 m时隧道内空气依旧清新，完全符合施工环境标准。

2.3 优化工序衔接

a）在确保施工开挖质量和安全的前提下，尽可能地把各工序间衔接进行压缩，将原来的叫班制改为等班制，各工班人员、机械设备，在上一工作未完前半小时前进入施工现场等待。

b）采用9台美国寿力空压机确保施工动力用风，掌子面开挖风枪由原来的28台增加至35台（3台风枪掌子面备用），确保开挖在120 min内完成，出碴采用每掌子面2台380型装载机装碴，10台北方奔驰汽车出碴，使装碴时间由原来的3个小时缩短至2个小时。

c）在掌子面围岩完整性较好的情况下，采取喷锚封闭与掌子面开挖平行作业。即在距离开挖面50～80 m处另外安排1台喷锚封闭台车，这样为掌子面施工每循环可缩短近30 min时间。

3 结束语

施工工期对特长隧道的施工成本有着重要影响，实践证明，对于隧道钻爆法施工通过水压爆破、巷道式通风和优化施工工序，能有效减少施工循环周期，达到加快施工进度、缩短施工工期的目的。