虹梯关特长公路隧道快速掘进综合技术

李自强，王明年，代仲宇，谢文强，于　丽

（1.西南交通大学土木工程学院，四川成都　610031；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都　610031；3.中铁二局第二工程有限公司，四川成都　610091）



虹梯关特长公路隧道快速掘进综合技术

李自强1，2，王明年1，2，代仲宇1，2，谢文强3，于丽1，2

（1.西南交通大学土木工程学院，四川成都610031；2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都610031；3.中铁二局第二工程有限公司，四川成都610091）

摘要以虹梯关特长公路隧道为依托，采用有限元方法，从循环进尺和施工通风方式2个方面分析了深埋硬岩段不同爆破进尺下围岩松动圈的发展规律和变形量大小。结果表明：Ⅱ级围岩条件下快速掘进的合理爆破进尺为3. 3 m以上但不超过4 m，结合现场监控量测将设计预留变形量调整为2 cm；施工通风风管长度不超过1 000 m，建议将风机设在距离横通道50 m处。最后对现场施工组织进行了优化，掌子面开挖和锚喷封闭工作同时进行，测量放样与人工排线同时开展，进一步压缩各工序时间，最终使得虹梯关特长公路隧道快速掘进达到了良好效果。

关键词隧道工程；深埋硬岩；快速掘进；综合技术；数值模拟

随着隧道工程逐渐向“长、大、深、群”方向发展，快速掘进技术越来越广泛地运用到特长隧道的修建中［1］。为实现快速掘进，通常采用深孔爆破，高效的施工通风方式以及合理的施工流程进行配合。因此，研究一套完整的特长公路隧道快速掘进综合技术具有现实意义。

目前国内外对快速掘进技术进行了一定研究。杨年华等［2］以秦岭隧道为工程依托，提出了快速掘进中针对硬岩的炸药选型并提高掏槽爆破技术是快速掘进的关键；吴建兵［3］基于软岩隧道快速掘进的变形预测进行了支护方案的优化；韩强［4］对明垭子隧道快速掘进过程中围岩的稳定性进行了评价，阐明了施工过程中隧道围岩的破坏规律及影响因素。以上研究多集中在如何改善爆破参数和支护方式，对于深埋硬岩条件下特长公路隧道则缺少一套完整细化的快速掘进方案。本文以虹梯关特长公路隧道为依托，采用有限元软件分析了深埋硬岩段合理爆破进尺和施工通风方式，并结合工程施工组织探讨快速掘进技术。

1　工程概况

虹梯关隧道左右线分离，全长13. 1 km。左右洞均为直线，两洞最小间距25 m。隧道最大埋深589 m，自正洞施工以来，当右洞掘进1 131 m、左洞掘进31 m时进入深埋硬岩段，此时隧道左右线周边围岩均为Ⅱ级围岩且埋深达486 m以上，决定采用快速掘进技术加快施工进度。Ⅱ级围岩断面净宽10. 25 m，限高5 m，设计预留变形量为12 cm（图1）。

图1　Ⅱ级围岩断面尺寸（单位：cm）

实施快速掘进时，需要高效的施工通风方式进行配合。虹梯关隧道原通风设计中双洞均选择压入式独头通风。风机选用功率为220 kW的轴流风机，在最长段设置3台轴流风机串联满足需要。通风分为3个阶段：第1阶段，在0～1 km的通风工区采用1台风机布置在洞口进行送风；第2阶段，在1～3 km的通风工区采用2台风机布置在洞口进行送风；第3阶段，在3 ～4. 5 km的通风工区由3台风机同时送风，2台风机串联布置于洞口处，1台布置于3 km处，见图2。

图2　虹梯关隧道独头式通风示意

2　爆破进尺的优化

2. 1模型的建立

模型采用摩尔库伦准则进行模拟计算。为消除边界影响，隧道模型左右边界距离隧道边界大于隧道3倍内径，取39 m；上下边界距离隧道边界大于隧道3倍净空，取34 m。通过等效重力场实现460 m埋深模拟。有限元模型见图3。

图3　有限元模型

2. 2模型参数

1）围岩参数

有限元围岩参数依据《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004）并结合虹梯关隧道围岩统计资料选取，见表1。

表1　围岩物理力学指标

2）爆破参数

《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004）和《公路隧道施工技术规范》（JTG F60—2009）中明确规定Ⅱ级硬质围岩循环进尺可取3～5 m［5-6］。结合现场实际情况选择3，3. 5，4，5 m共4种爆破进尺模拟对比虹梯关隧道开挖过程。爆破荷载则采用国内学者普遍认可的三角荷载法通过公式（1）～公式（3），计算爆破荷载峰值Pmax、上升段时间td和总作用时间ts后［7-9］施加到隧道开挖边界面上。爆破荷载具体参数见表2。

式中：r为对比距离，m；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。

式中：Z为比例距离，m；R为炮眼至荷载作用面的距离，m。

表2　爆破冲击荷载参数

2. 3合理爆破进尺的选择

隧道开挖过程中，围岩发生应力重分布，应力值超过围岩强度时产生破碎带，形成松动圈。本次根据计算所得的松动圈厚度（围岩主拉应力大于自身抗拉强度时其所在位置离掌子面的距离），依照表3［10］进行分类。

表3　围岩松动圈分类

爆破模拟结束后隧道拱顶、拱肩、拱腰、拱脚、拱底5条检测线上每隔一段距离提取主拉应力峰值进行松动圈判定。

各爆破进尺下的围岩松动圈发展见图4。由图可知：随着爆破进尺的增加，各监测点的松动圈厚度不断增大，其中拱底的松动圈厚度始终最大且增长速度最为明显。松动圈整体变化趋势向圆形发展，表明随着爆破进尺的增加，隧道底部受到爆破荷载的影响最大，极易发生破坏。

图4　各爆破进尺下围岩松动圈发展（单位：cm）

各种爆破进尺下Ⅱ级围岩最大松动圈厚度见表4。可知：Ⅱ级围岩在3～3. 5 m爆破进尺时为Ⅰ类小松动圈，支护方式较为简单且在围岩整体性完好的情况下可不进行支护。当爆破进尺增加到4～5 m时，围岩出现Ⅱ类中松动圈，虽仍属于较稳定围岩，但支护要求有所提高。鉴于以上情况，结合实际施工中凿岩设备性能及操作水平有限，虹梯关特长公路隧道深埋硬岩段采用3. 5～4 m循环进尺进行快速掘进。

表4　各种爆破进尺下Ⅱ级围岩最大松动圈厚度

3　预留变形量的优化

据有限元计算结果，虹梯关隧道单洞在3～4 m爆破进尺下围岩变形均＜1 cm，满足相关规范要求。根据现场监控量测数据，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。李晓红在《隧道新奥法及其量测技术》中提到：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［11］。据此可将虹梯关隧道预留变形量由设计的12 cm改为2 cm。两种预留变形量各项参数对比见表5。

表5　两种预留变形量各项参数对比

由表5可知，预留变形量为12 cm时不但提高了每一循环的出土量，而且增加了施工过程的出渣时间。同时在一定程度上提升了造价，经济性较低。因此为实现快速掘进，实际工程中预留变形量取2 cm。

4　通风方案的优化

4. 1通风方案初步制订

虹梯关隧道钻爆法施工通风设计参数见表6。

表6　通风设计参数

鉴于炸药爆破产生的有毒烟气和粉尘等，从施工人员呼吸所需、爆破排烟、稀释内燃废气、满足洞内风速4个因素［12-17］考虑，需风量和风管风速见表7。

表7　理论计算需风量和风管风速

由表7可知，稀释内燃废气需风量最大，取其作为隧道需风量的标准，则要求掌子面供风量至少为2 244 m3/min；掌子面所需风管出风量为14. 7 m/s。

根据虹梯关隧道实际情况，制定联合式通风方案，具体分为2个阶段：第1阶段，前2 000 m采用独头压入式通风，在横洞口设置2台SDF-No12. 5风机；第2阶段，从2 000 m处开始到斜井处，采用巷道式通风，将左右线洞口风机转移到相应的横通道处。具体实施见图5。

图5　虹梯关隧道巷道式通风平面示意

风管长度选用1 000 m，因其施工简单通风效果较好，虽设备使用功率稍大但更换设备的频率较为适中，能够在虹梯关隧道中得到很好运用。

联合式通风通常采用射流风机和轴流风机，但鉴于通风设计中单台轴流风机提升压力为16. 6 Pa，1台就完全满足4. 5 km通风阶段时所需的提升压力，选用的SDF（C）-No12. 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220 kW）能够满足升压要求，因此在实际工程中决定只采用轴流风机。

4. 2炮烟扩散规律

通过上节分析，初步制定了联合式施工通风方案。利用FLUENT先对炮烟扩散规律进行研究，再提出污风回流控制方案。

1）模型尺寸

有限元模型以虹梯关隧道实际尺寸为依据。具体几何尺寸：横断面面积87. 02 m2，长度4. 5 km；风管直径1. 8 m。所建模型见图6。

图6　有限元模型

2）边界条件

采用k -ε不可压缩紊流模型及Species Transport组分运输模型。设置软管进风口为速度进口，风速为17. 1 m/s，进口空气的温度和洞外气温相同，均为280 K。隧道洞门设置为压强出口，相对压强为0。隧道壁面设为粗糙壁面，粗糙度常数为0. 6，粗糙度的厚度值为0. 3 mm，壁面初始温度为290 K。

隧道内CO初始浓度和烟气段CO的生成量可由公式算出，也可以由实测得出。本次计算采用实测值，洞内CO总排放量为2. 1×10- 3m3/s，质量流速为1. 0 ×10- 4kg/（m2·s）。

3）计算结果

CO浓度影响区域随着施工通风的进行逐渐向洞外移动，此时隧道内CO浓度稀释速度已逐渐缓慢。在10 min左右时掌子面及其附近的CO浓度已稀释到0. 05‰以下，满足卫生规范要求，因此决定在虹梯关隧道快速掘进过程中，通风10 min以上可进洞施工。

4. 3污风回流控制

联合式通风在无排风机情况下，隧道内风管附近虽有压力差，但其值较小，污风会通过横通道混合新鲜空气进入风机再次吸入掌子面形成二次污染，不能满足要求。因此为避免污风二次污染，在虹梯关隧道左线洞口封堵墙内设置大直径排风机，左线洞口完全封闭，使左洞成为一个相对低空气压力的环境，污浊空气从左右线掌子面经左洞排出洞外。

轴流风机的具体位置同样会影响快速掘进过程中掌子面的施工通风效果。如果风机布设位置距离横通道太近则会影响施工，降低掘进效率，因此决定风机与横通道距离不超过30 m。在此基础上对风机距离横通道30，50，80，100 m共4种工况进行分析。有限元计算结果显示，在4种工况下右线污风均可通过横通道进入左线，达到控制污风回流的目的。鉴于以上分析，在保证风管不影响施工的前提下，选择在将风机布设在距离横通道50 m的位置进行施工通风。

5　结论

1）在虹梯关隧道快速掘进区间，深埋硬岩段爆破进尺可选用3. 3 m以上但不超过4 m。

2）基于隧道变形的有限元分析，结合现场实际监控量测数据，可以将原预留变形量12 cm改为2 cm，不但减少了隧道每循环出渣量，缩短了出渣时间，而且降低了回填成本，具有极高的经济效益。

3）对于特长双线公路隧道，施工通风方式可选用联合式巷道通风。在保证风机距离开挖掌子面不超过1. 5 km的情况下，随开挖进度推进而移动风机，能够有效提高洞内通风效率。风机具体位置布设在距横通道50 m处，风管长度不超过1 000 m，左线在封堵墙内设置排风机能够在10 min内将隧道内CO浓度稀释到规范要求。

4）施工组织在一定程度上进行优化。掌子面开挖和锚喷封闭工作同时进行，测量放样与人工排线同时开展，进一步压缩各工序时间，最终使得虹梯关特长公路隧道快速掘进达到了良好效果。

5）本文中所采用的快速掘进技术仅针对于深埋硬岩隧道，对于其他条件下的快速掘进技术将在以后进行研究。

参考文献

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（责任审编葛全红）

第一作者：李自强（1987—），男，工程师，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

中图分类号U455

文献标识码A

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

文章编号：1003-1995（2016）05-0107-05

收稿日期：2015-11-10；修回日期：2016-03-20

通讯作者：于丽（1978—），女，副教授，博士。