長大隧道快速施工綜合技術探討

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濕噴機根據型號耗風量10m3/min；

n為每種風動機具的臺數；

kt為風動機具的同時工作系數，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，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，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選擇，TK500濕噴機生產率4m3/h～4.5m3/h，根據隧道延米設計數量再加上回彈為實際的噴射混凝凝土數量，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、圍巖的地質條件、一次開挖量、機械配套能力、經濟效益、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計算公式：

N=2L/（TV）

N為運輸車臺數；

T為裝一車碴所需時間；

V為運輸車在洞內的行駛速度，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，具體為洞內要求最低風速所需風量，排除爆破炮煙所需風量，內燃機械設備使用和洞內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。

1）風量計算

（1）按洞內爆破使用炸藥，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）按洞內內燃機械設備的同時使用和洞內最多工作人員所需要的風量進行計算：

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

洞內柴油設備總數，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15km/h（運距洞外3km，洞內3.6km），洞內裝一車碴5min），功率利用系數為0.65。

內燃機總功率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，故洞內實際所需總風量Q需應為

式中：P為漏風系數，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，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，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.