李自強，王明年，代仲宇，謝文強，于　麗

（1.西南交通大學土木工程學院，四川成都　610031；2.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，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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虹梯關特長公路隧道快速掘進綜合技術

李自強1，2，王明年1，2，代仲宇1，2，謝文強3，于麗1，2

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

摘要以虹梯關特長公路隧道為依托，采用有限元方法，從循環(huán)進尺和施工通風方式2個方面分析了深埋硬巖段不同爆破進尺下圍巖松動圈的發(fā)展規(guī)律和變形量大小。結果表明：Ⅱ級圍巖條件下快速掘進的合理爆破進尺為3. 3 m以上但不超過4 m，結合現(xiàn)場監(jiān)控量測將設計預留變形量調(diào)整為2 cm；施工通風風管長度不超過1 000 m，建議將風機設在距離橫通道50 m處。最后對現(xiàn)場施工組織進行了優(yōu)化，掌子面開挖和錨噴封閉工作同時進行，測量放樣與人工排線同時開展，進一步壓縮各工序時間，最終使得虹梯關特長公路隧道快速掘進達到了良好效果。

關鍵詞隧道工程；深埋硬巖；快速掘進；綜合技術；數(shù)值模擬

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

目前國內(nèi)外對快速掘進技術進行了一定研究。楊年華等［2］以秦嶺隧道為工程依托，提出了快速掘進中針對硬巖的炸藥選型并提高掏槽爆破技術是快速掘進的關鍵；吳建兵［3］基于軟巖隧道快速掘進的變形預測進行了支護方案的優(yōu)化；韓強［4］對明埡子隧道快速掘進過程中圍巖的穩(wěn)定性進行了評價，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化的快速掘進方案。本文以虹梯關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尺和施工通風方式，并結合工程施工組織探討快速掘進技術。

1　工程概況

虹梯關隧道左右線分離，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，當右洞掘進1 131 m、左洞掘進31 m時進入深埋硬巖段，此時隧道左右線周邊圍巖均為Ⅱ級圍巖且埋深達486 m以上，決定采用快速掘進技術加快施工進度。Ⅱ級圍巖斷面凈寬10. 25 m，限高5 m，設計預留變形量為12 cm（圖1）。

圖1　Ⅱ級圍巖斷面尺寸（單位：cm）

實施快速掘進時，需要高效的施工通風方式進行配合。虹梯關隧道原通風設計中雙洞均選擇壓入式獨頭通風。風機選用功率為220 kW的軸流風機，在最長段設置3臺軸流風機串聯(lián)滿足需要。通風分為3個階段：第1階段，在0～1 km的通風工區(qū)采用1臺風機布置在洞口進行送風；第2階段，在1～3 km的通風工區(qū)采用2臺風機布置在洞口進行送風；第3階段，在3 ～4. 5 km的通風工區(qū)由3臺風機同時送風，2臺風機串聯(lián)布置于洞口處，1臺布置于3 km處，見圖2。

圖2　虹梯關隧道獨頭式通風示意

2　爆破進尺的優(yōu)化

2. 1模型的建立

模型采用摩爾庫倫準則進行模擬計算。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)《公路隧道設計規(guī)范》（JTG D70—2004）并結合虹梯關隧道圍巖統(tǒng)計資料選取，見表1。

表1　圍巖物理力學指標

2）爆破參數(shù)

《公路隧道設計規(guī)范》（JTG D70—2004）和《公路隧道施工技術規(guī)范》（JTG F60—2009）中明確規(guī)定Ⅱ級硬質(zhì)圍巖循環(huán)進尺可取3～5 m［5-6］。結合現(xiàn)場實際情況選擇3，3. 5，4，5 m共4種爆破進尺模擬對比虹梯關隧道開挖過程。爆破荷載則采用國內(nèi)學者普遍認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合理爆破進尺的選擇

隧道開挖過程中，圍巖發(fā)生應力重分布，應力值超過圍巖強度時產(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（圍巖主拉應力大于自身抗拉強度時其所在位置離掌子面的距離），依照表3［10］進行分類。

表3　圍巖松動圈分類

爆破模擬結束后隧道拱頂、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力峰值進行松動圈判定。

各爆破進尺下的圍巖松動圈發(fā)展見圖4。由圖可知：隨著爆破進尺的增加，各監(jiān)測點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　各爆破進尺下圍巖松動圈發(fā)展（單位：cm）

各種爆破進尺下Ⅱ級圍巖最大松動圈厚度見表4?？芍孩蚣墖鷰r在3～3. 5 m爆破進尺時為Ⅰ類小松動圈，支護方式較為簡單且在圍巖整體性完好的情況下可不進行支護。當爆破進尺增加到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，但支護要求有所提高。鑒于以上情況，結合實際施工中鑿巖設備性能及操作水平有限，虹梯關特長公路隧道深埋硬巖段采用3. 5～4 m循環(huán)進尺進行快速掘進。

表4　各種爆破進尺下Ⅱ級圍巖最大松動圈厚度

3　預留變形量的優(yōu)化

據(jù)有限元計算結果，虹梯關隧道單洞在3～4 m爆破進尺下圍巖變形均＜1 cm，滿足相關規(guī)范要求。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，虹梯關隧道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》中提到：對于Ⅱ，Ⅲ級圍巖，開挖后隧道變形量較小，施工前預設計時可不予考慮預留變形量［11］。據(jù)此可將虹梯關隧道預留變形量由設計的12 cm改為2 cm。兩種預留變形量各項參數(shù)對比見表5。

表5　兩種預留變形量各項參數(shù)對比

由表5可知，預留變形量為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)濟性較低。因此為實現(xiàn)快速掘進，實際工程中預留變形量取2 cm。

4　通風方案的優(yōu)化

4. 1通風方案初步制訂

虹梯關隧道鉆爆法施工通風設計參數(shù)見表6。

表6　通風設計參數(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)風速4個因素［12-17］考慮，需風量和風管風速見表7。

表7　理論計算需風量和風管風速

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

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

圖5　虹梯關隧道巷道式通風平面示意

風管長度選用1 000 m，因其施工簡單通風效果較好，雖設備使用功率稍大但更換設備的頻率較為適中，能夠在虹梯關隧道中得到很好運用。

聯(lián)合式通風通常采用射流風機和軸流風機，但鑒于通風設計中單臺軸流風機提升壓力為16. 6 Pa，1臺就完全滿足4. 5 km通風階段時所需的提升壓力，選用的SDF（C）-No12. 5型軸流風機（高效風量為2 385 m3/min，全壓為5 355 Pa，電機功率為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機。

4. 2炮煙擴散規(guī)律

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

1）模型尺寸

有限元模型以虹梯關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組分運輸模型。設置軟管進風口為速度進口，風速為17. 1 m/s，進口空氣的溫度和洞外氣溫相同，均為280 K。隧道洞門設置為壓強出口，相對壓強為0。隧道壁面設為粗糙壁面，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）計算結果

CO濃度影響區(qū)域隨著施工通風的進行逐漸向洞外移動，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，因此決定在虹梯關隧道快速掘進過程中，通風10 min以上可進洞施工。

4. 3污風回流控制

聯(lián)合式通風在無排風機情況下，隧道內(nèi)風管附近雖有壓力差，但其值較小，污風會通過橫通道混合新鮮空氣進入風機再次吸入掌子面形成二次污染，不能滿足要求。因此為避免污風二次污染，在虹梯關隧道左線洞口封堵墻內(nèi)設置大直徑排風機，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。

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

5　結論

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

2）基于隧道變形的有限元分析，結合現(xiàn)場實際監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，可以將原預留變形量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)濟效益。

3）對于特長雙線公路隧道，施工通風方式可選用聯(lián)合式巷道通風。在保證風機距離開挖掌子面不超過1. 5 km的情況下，隨開挖進度推進而移動風機，能夠有效提高洞內(nèi)通風效率。風機具體位置布設在距橫通道50 m處，風管長度不超過1 000 m，左線在封堵墻內(nèi)設置排風機能夠在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行優(yōu)化。掌子面開挖和錨噴封閉工作同時進行，測量放樣與人工排線同時開展，進一步壓縮各工序時間，最終使得虹梯關特長公路隧道快速掘進達到了良好效果。

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

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（責任審編葛全紅）

第一作者：李自強（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

文獻標識碼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。