虹梯關特長隧道快速掘進施工技術研究

姬 鴿

（長平高速公路建設管理處，山西 長治 046000）

0 引言

目前國內修建的10 km以上的特長隧道，通常設置輔助坑道，采用分段送排風等特殊通風方式來實現施工和運營期的通風要求[1]，也能在施工期提供多個工作面加快施工進度。但由于隧道較長，掘進方法、通風方式和施工組織設計等，成為影響隧道掘進速度的重要因素。

虹梯關特長隧道全長13.1 km，為左右線分離式隧道，是連接山西長治至河南安陽高速公路的組成部分，是目前國內第三長大公路隧道。該隧道施工分兩個標段，其中由中鐵十二局承建隧道進口的施工任務，左洞長7 212 m，右洞長7 227 m。在隧道線路右側設置左右洞通風1、2號斜井及1號地下風機房，與正洞平面交角24°40′15″，傾角22°30′，斜井長690 m。

隧道進口自2009年12月22日橫洞施工到位進入正洞施工，計劃于2012年底建成通車，平均進度為200 m/月。為加快工程建設進度，在正洞施工中通過采用水壓爆破、巷道式通風等技術，合理組織施工，有效地提高了施工進度，并創造了人工鉆爆法施工單月獨頭掘進556 m的世界紀錄。

1 隧道地質情況

對虹梯關特長隧道有影響的構造主要為虹梯關構造褶皺帶，該帶北起轎頂山，向南經虹梯關、亂石灘、寺頭、杏城、西風子嶺、水溝、后蔓，延伸至樹掌鎮，是西安里構造巖漿巖帶東帶的北段，長度大于30 km，影響寬度2～6 km不等，軸際走向總體呈NNE5～10°展布，北端虹梯關—轎頂山—帶軸跡折向北東，20°～60°走向。

該構造褶皺帶主要影響奧陶系馬家溝組地層，由于巖漿侵位，使得馬家溝組地層向上隆起形成軸跡NNE5～10°的復背斜構造。而其波及的東西兩側地層中形成一系列NNE向背向斜構造，呈雁行式排列，小井溝向斜、北溝向斜、老凹嶺背斜、柳樹溝背斜等。該構造巖漿巖帶核部局部膨大，燕山期呈蓋狀產出的閃長巖體呈串珠狀出露。主背斜構造結構面近于直立，沿走向、傾向均有不同程度的舒緩波狀彎曲。兩翼產狀較緩，西翼產狀270°～320°∠5°～8°；東翼產狀為100°～140°∠5°～20°。

隧道一般埋深200～400 m，最大埋深600 m，隧道圍巖主要巖性為白云巖、灰巖，巖石單軸抗壓強度較高，為61.5～89.8 MPa，屬堅硬巖。

2 施工組織的優化

2.1 采用水壓爆破技術

2.1.1 水壓爆破原理

隧道掘進水壓爆破技術利用在水中傳播的爆破應力波對水的不可壓縮性，使爆炸能量經過水傳遞到炮眼圍巖中幾乎無損失，十分有利于巖石破碎。同時，水在爆炸氣體膨脹作用下產生的“水楔”效應有利于巖石進一步破碎，炮眼中有水可以起到霧化降塵作用，大大降低粉塵對環境的污染。

2.1.2 水壓爆破優點

a）由于炮泥采用的土∶砂∶水按比例0.75∶0.10∶0.15配制[2]，炮泥曬后比純土堅實、密度大，比純土堵塞效果好。

b）根據現場實測結果分析，水壓爆破產生的粉塵實測值為1.19 mg/m3，洞內粉塵降低了46%以上，常規爆破需要30 min后才能到掌子面排險，水壓爆破僅15 min左右即可進行后續施工。

c）每循環爆破炸藥可節省6%，進尺比常規爆破提高 20～40 cm，按Ⅱ級圍巖斷面設計為80.22 m3/m，則每循環可多出渣16～32 m3。

水壓爆破技術與常規爆破技術相比，縮短了后續施工等待時間，提高炸藥能量利用率和施工效率，改善了施工作業環境。

2.2 改進通風措施

在隧道獨頭掘進至2 000 m以上后，采用壓入式通風的隧道內空氣質量污濁，能見度低，通風排煙時間延長至30 min方能進行測量放樣，大大制約了隧道施工進度。為縮短通風排煙時間，采用巷道式通風，取得了良好的效果。

2.2.1 巷道式通風原理

巷道式通風是利用通風設備改變隧道內空氣壓力，使污濁空氣從高壓區流向低壓區，最終排出隧道，形成一個循環，適用于兩洞間設車行橫通道的雙洞隧道。

通風時，空氣在左（右）洞送風機組前為正常大氣壓力，經送風機組將空氣壓入施工作業面形成高壓區，設置有排風機的右（左）洞形成低壓區，作業面高壓空氣經隧道橫通道流向低壓區，經吸風機送出洞外。

2.2.2 巷道式通風方案

表1 常用風機的主洞供風最大距離

根據表1所示情況，通風機選用SDF（B）—No.12.5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110×2 kW），在隧道掘進施工至2 km時通風機功率及通風量不能滿足施工要求。經研究，隧道改為巷道式通風方案后隧道壓入式通風距掌子面距離確保在1 km以內，確保掌子面空氣質量。

a）第一階段 在右洞右側的臨時橫洞口設置2臺SDF—No.12.5風機，分別引入到左右洞，將新鮮空氣送至工作面，污濁空氣沿洞身排出洞外。

b）第二階段 施工長度大于1 900 m時，將臨時橫洞口通風機移至距掌子面第二個車行橫洞處；在左洞洞口位置設置1臺抽風機并封閉風機斷面；距掌子面第一個車行橫洞開放，對已貫通的其他車行、人行通道進行封閉；新鮮空氣由右洞口和臨時橫洞進入右洞內，經風機壓到右洞掌子面，污染空氣經距掌子面返回至第一個橫洞進入左洞，在左洞抽風機的作用下，以左洞作為污染空氣的排除通道，使右洞和左洞之間形成巷道通風（見圖1）。

隨著開挖距離的增加，通風機與抽風機向前推進一個車行橫洞距離，通風車行橫洞相應向前推進，原通風車行橫洞進行封堵。以此方式類推，隧道通風設備只需要3臺風機，就可以用到工程結束。

圖1 第二階段排風設置平面示意圖

2.2.3 巷道式通風優點

循環式巷道通風方式與傳統壓入式通風相比，大大節約了通風設備投入，為移動空壓機進洞提供了必備條件，直接減少材料和設備投入達1 000多萬元。采用巷道式通風后，虹梯關隧道單口掘進達5 700 m時隧道內空氣依舊清新，完全符合施工環境標準。

2.3 優化工序銜接

a）在確保施工開挖質量和安全的前提下，盡可能地把各工序間銜接進行壓縮，將原來的叫班制改為等班制，各工班人員、機械設備，在上一工作未完前半小時前進入施工現場等待。

b）采用9臺美國壽力空壓機確保施工動力用風，掌子面開挖風槍由原來的28臺增加至35臺（3臺風槍掌子面備用），確保開挖在120 min內完成，出碴采用每掌子面2臺380型裝載機裝碴，10臺北方奔馳汽車出碴，使裝碴時間由原來的3個小時縮短至2個小時。

c）在掌子面圍巖完整性較好的情況下，采取噴錨封閉與掌子面開挖平行作業。即在距離開挖面50～80 m處另外安排1臺噴錨封閉臺車，這樣為掌子面施工每循環可縮短近30 min時間。

3 結束語

施工工期對特長隧道的施工成本有著重要影響，實踐證明，對于隧道鉆爆法施工通過水壓爆破、巷道式通風和優化施工工序，能有效減少施工循環周期，達到加快施工進度、縮短施工工期的目的。