隧道進(jìn)口段快速掘進(jìn)施工技術(shù)

隧道進(jìn)口段快速掘進(jìn)施工技術(shù)

1隧道概況秦嶺終南山隧道位于陜西省長安縣和蜀水縣之間的秦嶺山區(qū)，橫跨秦嶺山脈。隧道進(jìn)口里程為K64+796,位于長安縣石砭峪鄉(xiāng)青岔村石砭峪河右岸;隧道出口里程為K82+816,位于柞水縣營盤鎮(zhèn)小峪街村太峪河右岸。公路隧道全長18.02km,最大埋深1600m,洞身以花崗巖和混合片麻巖為主,石英含量高,石質(zhì)完整、堅(jiān)硬,巖石干抗壓強(qiáng)度在82～325MPa之間,絕大部分在150～300MPa之間,存在構(gòu)造應(yīng)力、殘余應(yīng)力、巖漿侵入的擠壓應(yīng)力及巖體的自重應(yīng)力,巖爆較為頻繁。公路隧道位于秦嶺鐵路Ⅱ線隧道右側(cè),與鐵路Ⅱ線隧道成17′02″夾角。公路東線隧道與鐵路Ⅱ線隧道的中線間距在進(jìn)口端約為120m,在出口端約為30m。洞內(nèi)路面設(shè)人字形縱坡,變坡點(diǎn)為K79+370,斷面設(shè)計(jì)為雙車道。公路等級為高速公路,設(shè)計(jì)車速60km/h,預(yù)留80km/h。隧道為雙洞雙車道,隧道內(nèi)行車道寬度按大、小汽車混合行駛考慮,一條行車道寬度為3.75m,水泥混凝土路面。隧道路面設(shè)計(jì)采用B22-100標(biāo)準(zhǔn)軸載。2工程管理要求秦嶺終南山特長公路隧道東線進(jìn)口段3000m,該段工期一年,平均月開挖掘進(jìn)要求在250m以上,為保證質(zhì)量,保證工期,降低施工成本,必須組織快速施工。組織快速施工又必須組織快速掘進(jìn)。2.1朔黃鐵路白茅尖隧道對比分析為論述方便,現(xiàn)以與本隧道情況相近的Ⅳ類圍巖朔黃鐵路白茅尖隧道做對比進(jìn)行分析。朔黃鐵路白茅尖隧道巖性為片麻巖夾石英閃長巖,平均月進(jìn)尺186m,最高月開挖進(jìn)度為242m。(1)循環(huán)作業(yè)時(shí)間朔黃鐵路白茅尖隧道采用353E三臂鉆孔臺車打眼、WA420(2.7m3/斗)裝碴、東玲3141(6m3)運(yùn)輸,炮眼鉆孔深4.5m。秦嶺終南山隧道采用自制簡易鉆爆臺車鉆眼,分四層共28臺風(fēng)鉆同時(shí)作業(yè)。該隧道采用無軌運(yùn)輸方式,配備WA470(3.0m3/斗)、CAT966F(3.0m3/斗)裝碴機(jī)并行作業(yè),8臺20t奔馳汽車、6臺15t尼桑汽車組成運(yùn)輸作業(yè)線。循環(huán)作業(yè)時(shí)間見表1。白茅尖隧道采用一臺三臂鉆眼臺車鉆眼,一臺裝碴機(jī)裝碴,理論上月開挖進(jìn)尺可以達(dá)到4.3×30×24×60/920=202m;而秦嶺終南山隧道采用風(fēng)鉆鉆眼,二臺裝碴機(jī)裝碴,理論上月開挖進(jìn)尺可以達(dá)到3.5×30×24×60/486=311m。秦嶺終南山隧道經(jīng)過方案比選,主要通過打眼、裝碴、運(yùn)輸工序作業(yè)時(shí)間的壓縮,將作業(yè)循環(huán)時(shí)間壓縮。(2)壓縮作業(yè)循環(huán)時(shí)間各月實(shí)際施工進(jìn)度為(開工前半年):2002年4月為241m(開工籌備期),2002年5月為202m(巖爆影響段),2002年6月為221m(洪災(zāi)停工一周時(shí)間),2002年7月為305m,2002年8月為285m,2002年9月為249m,連續(xù)半年平均月進(jìn)度達(dá)到250.5m,滿足總工期要求,達(dá)到了壓縮作業(yè)循環(huán)時(shí)間的效果。2.2爆炸技術(shù)2.2.1最小抵抗線、炮眼密度、不耦合系數(shù)、孔距與起爆時(shí)差光面爆破主要針對周邊一層巖體的爆破,要在爆落巖體的同時(shí),應(yīng)形成光滑、平整的邊界,其主要爆破參數(shù)有最小抵抗線、炮眼密集系數(shù)、不耦合系數(shù)、線裝藥系數(shù)、孔距與起爆時(shí)差。光面爆破主要參數(shù)的確定,既要滿足光面爆破的技術(shù)要求,又要保證隧道快速掘進(jìn)的需要。技術(shù)上可行就是要減少對周邊圍巖的擾動、超欠挖小、炸藥用量少、爆落石塊符合已配備機(jī)械裝碴要求;掘進(jìn)速度快就是盡量少打眼,節(jié)約打眼時(shí)間,加快施工進(jìn)度。(1)光爆孔間距為了加快施工進(jìn)度,減少打眼的數(shù)量,節(jié)約打眼時(shí)間,壓縮循環(huán)時(shí)間,周邊眼間距大一些可以少打眼,達(dá)到縮短循環(huán)時(shí)間,在炮眼密集系數(shù)不變的情況下,最小抵抗線也要增大,由此導(dǎo)致周邊眼裝藥量的增加,造成炮眼周邊局部巖石擾動過大,影響圍巖的穩(wěn)定。隧道開挖斷面大于80m2,跨度大,光爆孔所受巖石夾制作用小,巖體容易爆落,經(jīng)多次爆破比較,以下取值比較合適。Ⅲ類圍巖光爆孔間距E取45cm,最小抵抗線W取55cm;Ⅳ類圍巖光爆孔間距E取50cm,最小抵抗線W取65cm;Ⅴ類圍巖光爆孔間距E取55cm,最小抵抗線W取65cm。光爆孔密集系數(shù)K:Ⅲ類圍巖為0.82,Ⅳ類圍巖為0.77,Ⅴ類圍巖為0.85。隧道巖石特堅(jiān)硬,Ⅳ、Ⅴ類圍巖完整,在實(shí)踐中對周邊眼采用加大藥量,減少不耦合系數(shù),以達(dá)到減少鉆眼數(shù)量的目的。盡管這樣對周邊圍巖增大了擾動,但對本隧道巖石不會造成影響。(2)k取炮眼的用量一般巖石隧道不耦合系數(shù)K′取2.5比較合適,由于秦嶺終南山隧道圍巖堅(jiān)硬的特殊性,我們根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)與調(diào)整,K′取1.7較為合適,即炮眼直徑42mm,裝25mm的藥卷光面爆破效果很好。在軟巖地段周邊眼可采用導(dǎo)爆索。(3)爆破密度計(jì)算為了控制爆破引起的裂隙發(fā)展,保持巖石新壁面完整和穩(wěn)固,要在保證炮眼連心線上巖石得以破裂貫通的前提下,盡可能減少炸藥量。一般將線裝藥密度取為0.05～0.3kg/m,其中軟巖為0.07～0.12kg/m,中硬巖為0.1～0.15kg/m,硬巖為0.15～0.25kg/m。在進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)時(shí),按具體爆破條件計(jì)算光爆眼的線裝藥密度。q0=KK1K2W式中q0——線裝藥密度(kg/m);K——炮眼密集系數(shù),K=E/W;K1——巖性系數(shù),一般取:軟巖為0.5～0.7,中硬巖為0.75～0.95,硬巖為1.0～1.5;K2——炮眼深度系數(shù),一般為0.5,每加深1m增加0.2。秦嶺終南山隧道在進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)時(shí),按公式計(jì)算,圍巖的線裝藥密度(q0)為:Ⅲ類圍巖:q0=0.18;Ⅳ類圍巖:q0=0.28;Ⅴ類圍巖:q0=0.3。由以上計(jì)算可知,只有Ⅲ類圍巖在硬巖0.15～0.25kg/m之間,而Ⅳ、Ⅴ類圍巖都超過硬巖范圍。(4)臂鉆眼方案秦嶺終南山隧道從理論上計(jì)算應(yīng)鉆7m左右的眼,由于已有三臂鉆眼臺車鉆桿長度只有5m,最深只能達(dá)到5m。開工之初采用三臂鉆眼臺車打眼,鉆眼時(shí)間長,隧道超挖嚴(yán)重;由于風(fēng)鉆鉆眼隧道超欠挖明顯比深孔減小,故后期采用風(fēng)鉆鉆眼,眼深Ⅲ類圍巖為2m,Ⅳ類圍巖為3.5m,Ⅴ類圍巖為3.5m。2.2.2鉆爆設(shè)計(jì)(1)類圍巖圍巖型式中q——爆破1m3巖石用藥量;S——斷面積:Ⅲ類圍巖96.18m3/m,Ⅳ類圍巖87.02m3/m,Ⅴ類圍巖84.48m3/m;L——眼深:Ⅲ類2.0m,Ⅳ、Ⅴ類3.5m。q取值:Ⅲ類圍巖1.0kg左右,Ⅳ類圍巖1.2kg左右,Ⅴ類圍巖取1.25kg左右。其中掏槽眼藥量增加30%,輔助眼取(0.55～0.6)q。(2)開挖斷面積N=0.0012×(qS/ad2)式中q——單位用藥量(kg/m3);S——開挖斷面積(m2);a——炸藥裝填系數(shù),取0.7;d——藥管直徑,取0.04m。斷面S為84～96m2,實(shí)際布眼:Ⅲ類圍巖186個(gè),Ⅳ類166個(gè)(圖1),Ⅴ類160個(gè)。2.2.3爆破質(zhì)量分析秦嶺終南山隧道與西康鐵路秦嶺隧道Ⅱ線平導(dǎo)平行,地質(zhì)情況相似,鐵路Ⅱ線平導(dǎo)爆破情況見表2,秦嶺終南山隧道爆破情況見表3。秦嶺終南山隧道平均超挖一般小于6cm,最大超挖量小于8cm,局部欠挖小于5cm,炮眼利用率90%以上,較好地段達(dá)到95.8%;炮眼痕跡保存率:拱部達(dá)到94%以上,邊墻達(dá)到90%以上。由此說明秦嶺終南山隧道爆破設(shè)計(jì)符合該隧道地質(zhì)情況,較為合理。通過以上爆破設(shè)計(jì)的運(yùn)用,秦嶺終南山隧道在2002年7月、11月,2003年1月分別開挖掘進(jìn)了305m、365m、306m的好成績,并提前34天開挖掘進(jìn)完工,保證了工期要求。2.3通風(fēng)技術(shù)2.3.1空氣1.2通風(fēng)難度隧道進(jìn)口段3000m為獨(dú)頭掘進(jìn),采用人工鉆爆法開挖,無軌運(yùn)輸。鉆眼、爆破、裝碴運(yùn)輸、噴混凝土、內(nèi)燃機(jī)械排氣使洞內(nèi)空氣中的氧氣含量大大減少,而且混雜各種有害氣體與粉塵,造成洞內(nèi)空氣污濁。隨著隧道開挖掌子面不斷向前推進(jìn),施工通風(fēng)難度越來越大?，F(xiàn)按上述施工方法和設(shè)備配置進(jìn)行計(jì)算。(1)新鮮空氣用量取同一時(shí)間在隧道內(nèi)作業(yè)人數(shù)的最大值計(jì)算,取最大值等于50人,按每人需供給新鮮空氣量3m3/min、取風(fēng)量備用系數(shù)1.2計(jì)。所需的新鮮空氣量:q=3×50×1.2=180(m3/min)。(2)采空氣流量預(yù)測Q=2.25/t[G(AL)2ψb/p2]1/3式中Q——工作面風(fēng)量(m3/min);t——通風(fēng)時(shí)間,取30min;G——一次爆破炸藥總量(kg),按Ⅴ類圍巖取值G=366.95kg;A——掘進(jìn)巷道的斷面積(m2),按Ⅴ類圍巖斷面計(jì)算A=84.48m2;L——巷道全長或臨界長度(m);ψ——淋水系數(shù),在此取0.3;b——炸藥爆炸時(shí)有害氣體的生成量,巖層中取40;P——風(fēng)筒漏風(fēng)系數(shù)。根據(jù)秦嶺特長隧道Ⅱ線平導(dǎo)的通風(fēng)經(jīng)驗(yàn),PⅤC增強(qiáng)維綸布風(fēng)管百米漏風(fēng)率正常情況下為1.0%,則:P=1/[1-(L/100)×P100]=1/[1-(3000/100)×0.01]=1.43式中L——臨界長度。L=12.5GKb/AP2K——紊流擴(kuò)散系數(shù),K取0.60。風(fēng)流有效射程=4A1/2/(2D)(3)最大供量確定全斷面開挖時(shí),取巷道風(fēng)速為0.15m/s進(jìn)行估算,斷面積按最大斷面為96.18m2計(jì),則最小需供風(fēng)量為:0.15×60×96.18=866(m3/min)但風(fēng)速不得大于6m/s,取最小斷面計(jì)算,故最大的供風(fēng)量為:6×60×84.48=30413m3/min。(4)系統(tǒng)所需的氣量式中K——功率通風(fēng)系數(shù),取3.0m3/min;Ni——柴油機(jī)設(shè)備總數(shù),取掌子面同時(shí)工作的裝碴機(jī)2臺,運(yùn)輸汽車1臺;Ti——各臺柴油機(jī)設(shè)備的額定功率,裝碴機(jī)功率為167kW,運(yùn)輸汽車功率為235kW。Q=K×∑NiTi=3.0×(167×2+235)=1707(m3/min)需通風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)量:Q風(fēng)機(jī)=QmaxP=1707×1.43=2441(m3/min)雙機(jī)裝碴洞內(nèi)同時(shí)使用內(nèi)燃機(jī)械所需供風(fēng)量為1707m3/min,為控制風(fēng)量。這是由于:秦嶺終南山隧道根據(jù)工期要求,采用無軌運(yùn)輸方式,配備了WA470(3.0m3/斗)、CAT966F(3.0m3/斗)大功率裝碴機(jī)并行作業(yè),8臺20t奔馳汽車、6臺15t尼桑汽車組成運(yùn)輸作業(yè)線進(jìn)行裝、運(yùn)碴的原因。2.3.2向洞穴內(nèi)壓風(fēng)根據(jù)秦嶺終南山隧道采用單一開挖,臨時(shí)支護(hù)工序較少的快速掘進(jìn)情況,與秦嶺Ⅱ線平導(dǎo)相似,故采用壓入式管道通風(fēng)。風(fēng)機(jī)選型的基本要求是大風(fēng)量、高風(fēng)壓。風(fēng)管選擇是柔性、大直徑風(fēng)管。系統(tǒng)布置為:風(fēng)管掛于拱腳,向洞內(nèi)壓風(fēng),即采用大風(fēng)量軸流風(fēng)機(jī)、柔性風(fēng)管所組成的壓入式通風(fēng)系統(tǒng)。為了保證把足夠的風(fēng)量送到工作面,并在風(fēng)口保持一定的風(fēng)速,這就要求通風(fēng)機(jī)具有一定的風(fēng)壓,使其克服沿途的所有阻力。通風(fēng)機(jī)應(yīng)具備的風(fēng)壓為:H機(jī)≥H總阻H總阻=H動壓+H靜壓,H靜壓=H摩阻+H局阻。通風(fēng)方案采用獨(dú)頭壓入式通風(fēng)方式(圖2)。由表4計(jì)算可知,將風(fēng)機(jī)設(shè)在洞外,采用一臺SDF(C)-NO12.5型變級多速風(fēng)機(jī)(該機(jī)參數(shù)為:風(fēng)量1550～2912m3/min,風(fēng)機(jī)風(fēng)壓1378～5355Pa,功率2×110kW),風(fēng)管采用?1.5m柔性風(fēng)管,新鮮空氣自洞外經(jīng)風(fēng)機(jī)、風(fēng)管送至工作面,污濁空氣沿洞身排出洞外。2.3.3通風(fēng)效果評價(jià)距洞口1900m空氣粉塵含量檢測結(jié)果見表5。2.4巖爆處理有利于保證工況該隧道地質(zhì)為混合片麻巖及花崗巖,地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性復(fù)雜,存在巖爆。正確處理巖爆有利于保證工期,減少巖爆對人員、機(jī)械設(shè)備的危害。巖爆段的綜合防治措施主要有:(1)土的利用作用在清除危巖后,施作噴混凝土覆蓋巖爆坑。噴混凝土具有減弱巖爆的效果,可用來保護(hù)施工人員和設(shè)備的安全,防止錨桿之間的碎石飛出,還可將未清除干凈的小碎巖粘結(jié)在一起,預(yù)防墜下巖石傷人。(2)徑向錨桿長度錨桿加固圍巖其主要作用是進(jìn)行巖體加固,以防劈裂和剝落的巖石塌落彈射。根據(jù)終南山快速掘進(jìn)的要求,采用錨固劑錨桿。錨桿長度和間距根據(jù)主應(yīng)力大小和結(jié)構(gòu)的整體要求而定,一般徑向錨桿長度為2.5～3.5m。由于錨噴網(wǎng)聯(lián)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增長迅速,能很快形成支護(hù)能力,并且與圍巖密帖,與周邊圍巖形成彈性共同體,可阻止應(yīng)力集中與裂隙向巖體深部發(fā)展,起到可靠的全面的防護(hù)作用。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)踐,錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)能有效的克服輕微巖爆和中等巖爆對施工的影響,且施工簡便,現(xiàn)場廣泛采用此方法是一種經(jīng)濟(jì)有效的防止巖爆的支護(hù)措施。(3)巖爆地段錨噴網(wǎng)支護(hù)體系在巖爆嚴(yán)重區(qū),為提高結(jié)構(gòu)整體支護(hù)能力,減少巖爆對施工的影響,可在巖爆地段采取密排鋼支撐,與錨噴網(wǎng)聯(lián)合形成支護(hù)體系。在K65+562～+569強(qiáng)烈?guī)r爆段,采用鋼拱架1榀/m架立,配合錨噴網(wǎng)聯(lián)合支護(hù),有效地控制了巖爆的繼續(xù)發(fā)生。(4)防止飛石造成事故的安全防范待避是一種有效的安全措施,一般在巖爆比較強(qiáng)烈的時(shí)侯,為防止飛石造成事故,可以在安全處躲避,待避到平靜為止。找頂也是簡單有效的安全措施,在距掌子面2倍洞跨范圍內(nèi),加強(qiáng)巡回找頂,清除巖爆產(chǎn)生的浮石,避免石塊坍落傷人。(5)爆破質(zhì)量控制改善施工方法,采取“短進(jìn)尺、多循環(huán)”的開挖方法,縮短每茬炮的開挖進(jìn)尺和“密鉆眼、弱爆破”的施工方法。一般巖爆段循環(huán)進(jìn)尺控制在3.0m以下,巖爆嚴(yán)重段循環(huán)進(jìn)尺控制在2.5m以下。爆破周邊眼間距控制在40cm左右,最小低抗線在60cm左右。二圈眼、周邊眼裝藥量根據(jù)現(xiàn)場巖爆的發(fā)生情況降低炸藥用量,盡可能減少爆破對巖體的破壞。(6)增強(qiáng)安全防護(hù),保護(hù)碼表主要是防止突然發(fā)生巖爆飛石傷人和砸壞機(jī)器設(shè)備。在掌子面及其附近巖爆地段加掛鐵絲帷幕,可增加作業(yè)場所安全感,保護(hù)鑿巖人員和機(jī)具。在臺車上裝設(shè)安全防護(hù),保護(hù)打眼和裝藥工人的安全。在機(jī)器后配套安裝“鐵甲”,構(gòu)成一個(gè)“防石棚”,以避免巖爆石