梁勝國

中鐵十二局集團第三工程有限公司，山西太原 030024

1 工程概況

鳳凰嶺隧道位于忻阜高速公路忻州至長城嶺段，為高速公路隧道，分上下行左右洞設計，其中左洞全長5 896.9m，最大埋深772m，右洞全長5 773.5m，最大埋深775.8m。開挖斷面積為Ⅴ級圍巖105.3 m2（Ⅳ級95.6 m2，Ⅲ級84.3m2），設計行車速度為80km/ h，行車道寬2m×3.75m，隧道凈寬為10.25m，限高5m，路面橫坡為2%（單向），隧道縱坡為1.8%，設計汽車荷載等級公路-1級，地震烈度按Ⅶ度設防。

隧道經(jīng)過的巖性主要為灰?guī)r、白云巖，隧址區(qū)位于五臺山塊隆次級構造單元系舟山掀斜向斜中段的北部，受系舟山大斷裂的控制，隧道斜穿一系列走向為北東方向、剖面上呈反“S”型的同斜褶皺帶核部，巖層翻卷、倒轉、平臥、直立、扭曲現(xiàn)象嚴重，隧址區(qū)共發(fā)育7條斷層，地下水不太發(fā)育，隧道圍巖級別為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級，其中Ⅲ級圍巖占隧道全長的63%。

本文對該隧道快速施工的機械設備選型配置作重點介紹。

2 隧道是個系統(tǒng)工程，綜合技術探討主要解決制約隧道快速施工的主要因素

特長隧道怎樣才能“快”，一是總體方案上合理籌劃。二是機械投入要配套。三是要有專業(yè)化施工隊伍，包工隊靠不住、小打小鬧行不通。四是時間管理，空間占滿，抓好循環(huán)，工序緊湊。

2.1 設備的選型及配置是隧道快速施工的關鍵因素

設備配置匹配，一是關鍵的設備要配強配足；二是配套設備要合理匹配。要防止大牛拉小車，更要防止小牛拉大車的現(xiàn)象。

2.1.1 掘進設備的選型及配置

鳳凰嶺隧道為雙線高速公路隧道，根據(jù)斷面的大小最多可容納26臺風槍同時作業(yè)，因為本隧道僅在Ⅴ級、部分Ⅳ級圍巖中設置仰拱，不考慮仰拱與掌子面同時鉆眼。按左右洞掌子面同時開挖（此時負荷最大）配置空壓機，理論計算需配置11臺20m3/min空壓機，考慮設備的故障，增加1臺備用。

Q＝K（∑nqktkm＋La）=1.1×（2×26×3.6×0.85×1.2 + 2.15×2×2）=219.5m3/min

式中：q為每臺YT-28風動機具的耗風量（m3/min），每臺風槍取3.6 m3/min，TK500濕噴機根據(jù)型號耗風量10m3/min；

n為每種風動機具的臺數(shù)；

kt為風動機具的同時工作系數(shù)，1～10臺時取1～0.85，11～30臺時取0.85～0.75；

km為因設備的機件磨損而使耗分量增大的設備磨損系數(shù)，一般為1.2～1.3；

L為風管的長度（m），包括主、支管道的實際鋪設長度和管路附件折算的管道長度；

a為每公里的管路漏風量，平均為1.5m3/min～2.0m3/min；

k為海拔系數(shù)，海拔900m時取1.1。

2.1.2 噴混凝土設備的選型及配置

一般噴射混凝土時間在初期支護占很大比例，主要談一下濕噴機的臺數(shù)選擇，TK500濕噴機生產(chǎn)率4m3/h～4.5m3/h，根據(jù)隧道延米設計數(shù)量再加上回彈為實際的噴射混凝凝土數(shù)量，本隧道每延米為6.5m3/h～8.1m3，循環(huán)進尺2.4m，我隧道采用的是配置4臺濕噴機，只要空間滿足可增加。

2.1.3 出碴設備的選型及配置

出碴是隧道施工的基本作業(yè)之一，分為裝碴、運碴兩步。選擇出碴方式是，應結合隧道斷面的大小、圍巖的地質(zhì)條件、一次開挖量、機械配套能力、經(jīng)濟效益、作業(yè)環(huán)境及工期要求等因素進行綜合確定?；疽笫牵貉b碴、運輸能力大于最大開挖能力，挖掘機、裝載機不等待運輸車的問題。采取無軌運輸所需車輛臺數(shù)計算公式：

N=2L/（TV）

N為運輸車臺數(shù)；

T為裝一車碴所需時間；

V為運輸車在洞內(nèi)的行駛速度，取平均值，考慮必要的停頓、間隙時間；

L為運輸車出碴距離。

2.1.4 通風設備的選型及配置

洞內(nèi)通風采用PVC 增強維綸布風管式通風，每循環(huán)進尺按3.0m，炸藥用量按平均0.8kg/m3。掌子面所需風量按3個方面考慮，具體為洞內(nèi)要求最低風速所需風量，排除爆破炮煙所需風量，內(nèi)燃機械設備使用和洞內(nèi)最多工作人員所需的風量進行計算，取其中的最大值為計算依據(jù)。

1）風量計算

（1）按洞內(nèi)爆破使用炸藥，排除炮煙計算風量：

式中：Q為工作面風量 m3/min；

G為一次爆破的炸藥總量kg；

b為炸藥爆炸時有害氣體的生成量，巖層中取40；

A為隧道斷面積 取平均87.2m2；

L為炮煙拋擲區(qū)長度，L=15+G/5=56.8；

t為通風時間 取30min。

計算：G=3.0×87.2×0.8=209.3（kg），

（2）按最底風速所需風量：

V最小為保證坑道內(nèi)穩(wěn)定風流要求，全斷面開挖時風速不得小于0.15m/s；

S最大為坑道最大斷面積（m2），取87.2m2；

則：Q≥0.15×60×87.2=784.8（m3/min）。

（3）按洞內(nèi)內(nèi)燃機械設備的同時使用和洞內(nèi)最多工作人員所需要的風量進行計算：

根據(jù)隧規(guī)規(guī)定，柴油設備千瓦/分鐘需要新鮮空氣不小于3m3。

洞內(nèi)柴油設備總數(shù)，取掌子面同時工作的挖掘機1臺，裝載機1 臺，運碴汽車3臺（運輸車速度洞外20km/h，洞內(nèi)15km/h（運距洞外3km，洞內(nèi)3.6km），洞內(nèi)裝一車碴5min），功率利用系數(shù)為0.65。

內(nèi)燃機總功率W總=為188（挖掘機）+195（裝載機）+201×4（運輸車）=1 187kW

洞內(nèi)作業(yè)人員按50人，每人供風量3m3/min，Q人=50×3=150(m3/min)

則：Q= W總+ Q人=3×1187×0.65+3×50=2 465(m3/min)

從以上計算結果，取所需最大風量值Q=2 465(m3/min)，

（4）漏風計算

按照上述各種公式計算風量，均未考慮漏風而損失的風量，故洞內(nèi)實際所需總風量Q需應為

式中：P為漏風系數(shù)，百米漏風率為1.2%；

Q為計算風量（m3/min）；

則：通風機所需提供的風量Q風機=QP=2465×1.144=2819（m3/min）。

2）風壓計算

為了保證把足夠的風量送到工作面，并在風口保持一定的風速，就要求通風機具有一定的風壓，使其克服沿途的所有阻力。

通風機應具備的風壓為：H機≥H總阻

通風阻力等于摩擦阻力和局部阻力之和。

（1）隧道主洞摩擦阻力

式中 a—摩擦阻力系數(shù)，對于混凝土襯砌隧道a=（29.4～68.7）×10-4，噴錨支護隧道a=（78.5～118）×10-4，取噴錨支護隧道0.011；

L為風機通風全長；

U為隧道周長35.4m；

Q為通風量m3/s；

A為已襯砌段面積73m2；

（2）局部阻力

式中：ξ為局部阻力系數(shù)，進洞口取0.6，出洞口取1，進入加寬段取0.04，出加寬段取0.1，左線進車取2.8，出車遇到右線取0.92，總阻力系數(shù)ξ=0.6+1+5×(0.04+0.1)+2.8+0.92=6.02；

ρ為空氣容重1.2kg/m3

Q為通風量m3/s

A為車行橫洞面積29m2

H總阻= H摩擦1+ H局部=18.5Pa

選用變極多速SDF（C）-No12.5型通風機（風量2 912m3/ min，風壓5 355Pa，功率110kW×2）壓入式通風，風管直徑為1.5m。

2.2 切實可行的施工方案是隧道快速施工的前提條件

方案是從戰(zhàn)略角度對整體工程的部署和安排，涉及施工全過程的各個環(huán)節(jié)，對工期起著決定性作用。成功的方案能指導隧道的順利進行，鳳凰嶺隧道確定的主要方案有：一是選擇安全有效的進洞方案，為隧道快速施工搶占先機條件。二是要素配備方案的執(zhí)行為隧道快速施工奠定了基礎。三是借助科技手段，準確判斷前方地質(zhì)條件，實行巖變我變。四是做好技術保障方案，進行技術攻關，破解施工難點。五是二襯施工保障方案，強化二次襯砌施工能力，確保工序距離達標，以二襯保掘進。

2.3 落實終極責任制，提高現(xiàn)場施工組織管理能力[1]

隧道的快速施工，首先是掘進速度的提升，因此掌子面管理是隧道工程現(xiàn)場管理的核心，建立隧道掌子面責任制是項目終端責任制最直接、最具體的體現(xiàn)。隧道掌子面現(xiàn)場作業(yè)人員多、工序銜接多、協(xié)作環(huán)節(jié)多，本項目具體做法是明確各類人員分工、對崗位職責進行分層量化、逐項界定，分別制定“工作標準”、“管理標準”和“崗位責任制”，解決了掌子面施工管理“由誰負責、怎么負責、不負責怎么辦”的問題，并通過值班人員填寫隧道綜合管理表，讓項目管理層獲取準確信息，從而適時做出正確決策。

3 效果及體會

鳳凰嶺隧道高速公路雙車道人工鉆爆法施工月進尺Ⅳ級軟弱圍巖156m，Ⅲ級圍巖達307m，平均月Ⅳ級軟弱圍巖進尺140m，Ⅲ級圍巖達280m，單口掘進速度創(chuàng)我公司隧道施工新紀錄。

隧道施工是一個系統(tǒng)工程，具有工作面狹小，有的施工工序又不能平行交叉作業(yè)，只能按部就班，循序漸進，通過鳳凰嶺隧道的施工，筆者有以下體會：

1）合理、精良的生產(chǎn)要素配置是隧道快速施工的前提；

2）切實可行的施工方案是隧道快速施工的可靠保障；

3）強有力的施工管理是隧道快速施工必不可少的條件。

[1]胡守正.長大隧道快速施工途徑探索[J].現(xiàn)代隧道技術，2003(40)：4.