深埋硬岩特长隧道快速掘进技术研究

李自强，于 丽，王明年，代仲宇

（西南交通大学土木学院，四川成都 610031）

深埋硬岩特长隧道快速掘进技术研究

李自强，于 丽，王明年，代仲宇

（西南交通大学土木学院，四川成都 610031）

对于深埋硬岩隧道，快速掘进技术的运用能够有效缩短工期，从而带来极高的经济效益。选择合理的爆破进尺以减少对围岩的损害是保证快速掘进的前提，同时配合高效的施工方式才能实现快速掘进。采用数值模拟方式，以虹梯关隧道为例，通过松动圈厚度及变形量大小对3，3.5，4，5 m各爆破进尺下围岩的稳定性进行评价，得出快速掘进的理论爆破进尺并应用于工程实际。在理论研究的基础上结合现场施工组织提出深埋硬岩隧道的快速掘进的合理进尺，即Ⅱ级围岩可采用3.5～4 m爆破进尺。

深埋硬岩特长隧道；快速掘进；爆破施工；合理进尺；数值模拟

0 引言

随着我国隧道施工技术的不断发展，新奥法施工的标准化、大型机械化等快速施工技术已被普遍采用。快速掘进能够有效缩短工期，具有极高的经济效益，要实现快速掘进，除需结合深孔爆破技术［1］外，整个隧道施工流程也要高效配合。工程实践表明，深孔爆破是快速掘进的基础，但掘进过程中爆破开挖对掌子面周围围岩的稳定性造成难以预计的影响［2］。

目前，已有不少专家、学者对隧道快速掘进技术进行了一定研究，如：杨年华等［1］针对秦岭隧道硬岩段在炸药选型及钻孔技术等方面进行研究，提高其钻爆效果实现了快速掘进；袁文华［3］以硬岩巷道为研究背景，优化了爆破参数，取得了一定成果；韩强［4］对明垭子隧道快速掘进技术进行了研究，通过对比分析快速掘进过程中围岩变形对快速掘进开挖方式进行了改善；吴建兵［5］基于软岩隧道快速掘进的变形预测对其支护方案进行优化。以上研究多集中在快速掘进过程中爆破参数和支护方案的优化、围岩所受的影响等方面，而针对深埋硬岩条件下合理循环进尺的选择、工序时间的合理分配却涉及较少。

本文以虹梯关隧道为背景，研究不同爆破循环进尺作用下洞身周边围岩的松动圈和围岩位移极值变化，提出理论结合实际确定深埋硬岩隧道合理循环进尺的方法，最后讨论在循环进尺确定后，如何合理分配和压缩各施工工序时间以实现深埋硬岩隧道的快速掘进技术。

1 理论基础

正确掌握开挖过程中爆破对围岩稳定性的影响，对设计和快速掘进施工都有很大的帮助；此外，选择合理的循环进尺是快速掘进的前提，通过有限元分析能够模拟隧道深孔爆破开挖过程，为现场施工提供理论依据和指导。

1.1 爆破荷载模拟方式

鉴于爆破荷载在实际工程中实测性较难，因此本文模拟过程中采用国内学者普遍认可的三角荷载方式（如图1所示）［6］施加到开挖隧道开挖边界面上。

图1 三角荷载示意图（单位：ms）Fig.1 Schematic diagram of triangular load（ms）

计算公式为：

式中：tr为上升段时间，s；ts为总作用时间，s；r为对比距离；μ为岩体的泊松比；Q为炮眼装药量，kg；K为岩体的体积压缩模量，105Pa。

对现有众多爆破荷载峰值公式进行统计分析，得到的爆破荷载的应力峰值

式中：Z为比例距离；R为炮眼至荷载作用面的距离，m；Q为炮炸药量，kg，齐发爆破时取总装药量，分段起爆时取最大一段装药量。

1.2 松动圈理论

地下洞室开挖导致周边围岩应力重分布，当应力值超过围岩强度时则出现破碎带，从而形成松动圈。根据目前使用的松动圈分类标准，根据最大松动圈厚度可以将松动圈分类如表1所示［7］。

本文主要采用摩尔-库仑准则进行模拟计算，根据围岩主拉应力来判断松动圈的厚度，开挖断面周边围岩应力大于其自身强度即为松动圈，该位置对应的与掌子面距离值即为松动圈厚度。根据不同循环进尺下隧道围岩松动圈与变形量大小判断合理爆破进尺实现快速掘进。

表1 围岩松动圈分类表Table 1 Classification of broken zone of surrounding rock

2 模型建立

2.1 工程概况

虹梯关隧道全长13.1 km，为左右线分离式隧道。左洞起讫里程为K11+088～K18+300，长7 212m；右洞起讫里程为YK11+088～+314.77，长7 226.77 m，左右洞均为直线，二洞最小间距25 m。隧道最大埋深589 m，断面净宽10.25 m，限高5 m。设计衬砌如图2所示。

图2 Ⅱ级围岩设计衬砌断面图（单位：cm）Fig.2 Design cross-section of tunnel lining in GradeⅡsurrounding rock（cm）

隧道自正洞施工以来，当右洞掘进施工1 131 m、左洞掘进施工431 m时，隧道左右洞围岩状况均为Ⅱ级围岩，同时出渣运输距离较近、通风效果较好，施工组织已安排妥当，因此决定采用快速掘进技术。

2.2 有限元参数

1）围岩参数。本次计算根据虹梯关隧道围岩统计资料和JTG D70—2004《公路隧道设计规范》［8］，采用的围岩物理力学参数见表2。

2）爆破进尺。对于Ⅰ、Ⅱ级别的硬质围岩，JTG D70—2004《公路隧道设计规范》［8］及JTG F60—2009《公路隧道施工技术规范》［9］中明确指出，一般循环进尺选择在3～5 m。结合虹梯关隧道工程实际情况选择3，3.5，4，5 m 4种爆破循环进尺进行模拟对比，从而选择合理的爆破进尺进行快速掘进。

表2 围岩物理力学指标Table 2 Physical and mechanical properties of surrounding rock

3）爆破荷载。根据2.1节爆破荷载作用时间和峰值的确定，爆破荷载具体参数如表3所示。

表3 爆破冲击荷载参数Table 3 Parameters of blast impact load

2.3 模型尺寸

隧道模型尺寸为x×y×z＝90 m×20 m×80 m，模型左右边界距离隧道边界大于隧道3倍内径取39 m，上下边界距隧道边界大于隧道3倍净空取34 m。通过等效重力场实现460m埋深模拟。模型示意如图3所示。

图3 有限元模型示意图Fig.3 Schematic diagram of finite elementmodel

鉴于Ⅱ级围岩条件较好，选择全断面爆破开挖。在隧道横断面拱顶、拱肩、拱腰、拱脚、拱底5个特征位置每隔一段距离设置监测线以记录围岩在爆破作用下的动力响应。因为隧道尺寸和荷载布置均对称，故监测线均分布在隧道一侧。监测线位置如图4所示。

图4 隧道断面监测线位置示意图Fig.4 Positions ofmonitoring lines

3 有限元结果分析

Ⅱ级围岩各监测点在爆破作用下的松动圈厚度、变形量有限元计算结果如下。

1）松动圈厚度。爆破荷载施加后，隧道开挖断面周围不同距离的围岩均会产生主拉应力时程图，提取各监测线主拉应力峰值，以3 m循环进尺为例，如图5所示。

图5 横断面监测线主拉应力峰值趋势图Fig.5 Trend of peak value ofmain tensile stress

各循环进尺下各测点主拉应力峰值有所不同但均表现出相同的规律性即在距离开挖断面2 m范围内迅速衰减，然后趋于稳定。3 m循环进尺下松动圈如图6所示。

图6 循环进尺3 m隧道断面松动圈（单位：cm）Fig.6 Broken zone of tunnel under 3 m cyclic length（cm）

由图6可知：当爆破进尺为3 m时，围岩除拱腰位置外均出现不同厚度的松动圈，其中拱底最大，约为23 cm。表明围岩在该工况下破坏较小，完整性较好。随着进尺的增加，各监测线位置松动圈厚度不断增大，其中拱底松动圈厚度始终最大且增长最快。根据2.2节中的最大松动圈厚度R作为判定标准。各爆破进尺下的最大松动圈厚度如表4所示，变化规律如图7所示。

表4 各种爆破进尺下Ⅱ级围岩松动圈厚度Table 4 Thickness of broken zone of tunnel in GradeⅡsurrounding rock under different cyclic lengths

图7 Ⅱ级围岩松动圈最大厚度变化图Fig.7 Trend of thickness of broken zone of tunnel in GradeⅡsurrounding rock

由图7可知：Ⅱ级围岩在3～3.5 m爆破进尺时为Ⅰ类小松动圈，可选择喷射混凝土，围岩整体性完好的情况下可不进行支护；进尺增加到4～5 m时，围岩出现Ⅱ类中松动圈，仍属于较稳定围岩。

2）围岩变形分析。统计各爆破进尺下Ⅱ级围岩的最大变形量如表5所示。

表5 各爆破进尺下Ⅱ级围岩最大变形量Table 5 Maximum deformation of GradeⅡsurrounding rock under different cyclic lengths

由表5可知：当爆破进尺由3 m增加到5 m时，拱顶和拱底竖向位移增量最大，拱顶表现为下沉，位移极值增加了0.697 mm；拱底表现为隆起，位移极值增加了1.245 mm。拱底位移极值增长明显，表明该位置围岩更易破坏。拱腰位置水平位移增量最大，但增加值较小表明该位置受到爆破进尺影响较小。

以上有限元计算结果表明，虹梯关隧道单洞在3～5 m爆破进尺开挖下围岩自承载能力均较好，满足快速掘进条件。鉴于实际施工中凿岩设备性能及操作水平有限，Ⅱ围岩条件下虹梯关隧道单洞爆破进尺可在3.5 m以上同时建议不超过4 m。

4 工程应用

在有限元计算结果的基础上，虹梯关隧道单洞采用不低于3.3 m的掘进进尺进行爆破开挖。每隔100 m对Ⅱ级围岩下隧道净空收敛及拱顶下沉进行监控量测。量测结果中位移较大值如表6所示。

表6 虹梯关隧道Ⅱ级围岩变形量Table 6 Deformation of Hongtiguan tunnel in GradeⅡsurrounding rock

由现场监控量测数据可知，对于虹梯关隧道Ⅱ级围岩段开挖后竖向位移极值为2.99 mm，水平位移极值为3.36 mm。而设计资料显示，为保证二次衬砌净空，隧道预留变形量为12 cm。根据围岩变形量的数值模拟和量测结果均显示Ⅱ级围岩在该爆破进尺作用下变形小于1 cm。同时文献［10］提到：对于Ⅱ、Ⅲ级围岩，开挖后隧道变形量较小，施工前预设计时可不予考虑预留变形量。因此，理论上可将虹梯关隧道实际预留变形量设置为2 cm。根据公式（4）计算2种预留变形量下的超挖量，对比如表7所示。

式中：V为超挖土方量，m3；S为设计开挖轮廓周长，m；L为钻孔的深度，m；h为超欠挖高度，此处根据文献［9］取0.15 m；δ为预留变形量，此处取0.12 m和0.02 m。

表7 2种预留变形量下每循环超挖量对比Table 7 Overbreak volumes under two deformation allowances

由表7可知，采用2 cm预留变形量能够在一定程度上减少出渣量，同时降低隧道的系统超挖量，对围岩稳定性更为有利。

将3.5～4 m的理论爆破进尺和2 cm预留变形量运用到虹梯关隧道中，并结合其工程特点制定了各工序的施工节点时间，如表8所示。

表8 各工序施工时间Table 8 Time of each construction step min

为实现上述工序时间，施工现场可采用具体措施有：

1）施工中按照不低于3.3 m爆破进尺的原则，根据围岩实际情况对光爆参数进行调整，严格控制超欠挖和爆破对围岩的损伤。

2）每循环开挖后，对开挖面轮廓线进行测量放样并对前一循环进行复测，便于随时掌握围岩实际情况以调整爆破进尺及支护参数。

3）对施工工序进行反复考核，优化各工序衔接时间，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。

4）施工过程中增加风钻数量。采用9台寿力空压机确保施工用风，掌子面由原来的28台风钻增加至32台风钻（3台风钻掌子面备用），确保开挖在120 min内完成，每循环进尺采用2台380型装载机进行装碴，10台出渣车同时运作并确保机械设备运营状态完好。

5）采取喷锚封闭与掌子面开挖平行作业的方式，即在距离开挖面50～70 m处额外增加1辆喷锚作业台车，掌子面施工每循环可缩短近30 min，为快速掘进奠定基础。

6）施工测量人员提前0.5 h到达施工现场进行测量准备，多功能作业台架就位后立即进行开挖断面的放样，建立完整的安全保障体系确保测量放样与人工排险能够同一时间进行安排，时间得到进一步缩短，2项工作能在15 min内完成。

综合上述施工办法，虹梯关隧道右洞在实际施工中可在24 h内完成或超过4.9个工作循环，同时根据现场围岩情况采取3.3～4 m爆破进尺进行快速掘进。虹梯关隧道实际进尺统计如表9所示。

实践表明，虹梯关隧道在开挖过程中围岩自稳能力较好，开挖进尺在部分里程达到4 m，大多在3.5 m左右，整体快速掘进过程顺利，获得进口单口月掘进突破556 m的世界最好成绩。

表9 虹梯关隧道实际进尺统计Table 9 Statistics of advance rate of Hongtiguan tunnel

5 结论与讨论

本文以深埋硬岩隧道虹梯关隧道为工程依托，采用数值模拟进行理论分析，根据不同爆破进尺下Ⅱ级围岩松动圈厚度和变形量对循环进尺进行评价，并应用于快速掘进理论基础指导现场实际施工，主要结论如下：

1）爆破进尺增加使围岩松动圈厚度增大，其中拱底位置较其他位置发育更快，实际工程中应加强对拱底的监控量测，防止其发生破坏。

2）数值分析和现场监控量测均表明深埋硬岩隧道变形量较小，工程中根据实际情况对预留变形量进行调整，适当缩小其值可以有效的提高施工效率，节省施工时间，同时具有很高的经济效益。

3）保证施工质量和安全作为前提，优化各工序衔接时间。喷锚支护与掌子面开挖平行作业，测量放样与人工排险同时进行等方式均可在一定程度上压缩施工时间，为快速掘进提供条件。

4）虹梯关隧道视实际情况Ⅱ级围岩段采用3.3～4 m的深孔爆破进行快速掘进，配合高效施工工序，在1个工作日可完成更多的施工循环，最终创造单口月掘进556 m的世界纪录。实践表明，深孔爆破与合理的施工组织是快速掘进技术的关键，在以后类似的工程中可采取本文相同的方式对快速掘进技术进行设计和优化，具有重大意义。

5）本文所采用的半经验半理论的三角荷载法模拟爆破荷载存在一定的局限性，难以完全实现对实际工程中爆破过程的模拟。如果能够研究采用更为有效的模拟方式，可使计算结果更为精确。

（References）

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Study on Rapid Excavation Technology for Deep Super-long Tunnels in Hard Rock

LIZiqiang，YU Li，WANG Mingnian，DAIZhongyu
（School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，Sichuan，China）

The application of rapid excavation technology in the construction of deep super-long hard rock tunnels can achieve shorter construction period and thus can result in good economic efficiency.Selecting proper blasting cyclic length，which canminimize the damage to the surrounding rock，is a prerequisite for rapid excavation.In the paper，the broken zone thickness and the deformation of the surrounding rock of Hongtiguan tunnel under 3，3.5，4，5 m blasting cyclic lengths is evaluated bymeans of numerical simulation.Theoretical blasting cyclic length is obtained and applied in the tunneling.Finally，rational blasting cyclic length，i.e.，3.5～4 m in GradeⅡsurrounding rock，is proposed on basis of theoretical study and engineering practice.

deep super-long hard rock tunnel；rapid excavation；blasting；appropriate cyclic length；numerical simulation

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.03.007

U 455

A

1672-741X（2015）03-0232-06

2014-09-22；

2014-12-20

李自强（1987—），男，重庆人，西南交大土木工程学院在读博士，主要研究方向为桥梁及地下工程。