李自強，于 麗，王明年，代仲宇

（西南交通大學土木學院，四川成都 610031）

深埋硬巖特長隧道快速掘進技術研究

李自強，于 麗，王明年，代仲宇

（西南交通大學土木學院，四川成都 610031）

對于深埋硬巖隧道，快速掘進技術的運用能夠有效縮短工期，從而帶來極高的經濟效益。選擇合理的爆破進尺以減少對圍巖的損害是保證快速掘進的前提，同時配合高效的施工方式才能實現(xiàn)快速掘進。采用數(shù)值模擬方式，以虹梯關隧道為例，通過松動圈厚度及變形量大小對3，3.5，4，5 m各爆破進尺下圍巖的穩(wěn)定性進行評價，得出快速掘進的理論爆破進尺并應用于工程實際。在理論研究的基礎上結合現(xiàn)場施工組織提出深埋硬巖隧道的快速掘進的合理進尺，即Ⅱ級圍巖可采用3.5～4 m爆破進尺。

深埋硬巖特長隧道；快速掘進；爆破施工；合理進尺；數(shù)值模擬

0 引言

隨著我國隧道施工技術的不斷發(fā)展，新奧法施工的標準化、大型機械化等快速施工技術已被普遍采用?？焖倬蜻M能夠有效縮短工期，具有極高的經濟效益，要實現(xiàn)快速掘進，除需結合深孔爆破技術［1］外，整個隧道施工流程也要高效配合。工程實踐表明，深孔爆破是快速掘進的基礎，但掘進過程中爆破開挖對掌子面周圍圍巖的穩(wěn)定性造成難以預計的影響［2］。

目前，已有不少專家、學者對隧道快速掘進技術進行了一定研究，如：楊年華等［1］針對秦嶺隧道硬巖段在炸藥選型及鉆孔技術等方面進行研究，提高其鉆爆效果實現(xiàn)了快速掘進；袁文華［3］以硬巖巷道為研究背景，優(yōu)化了爆破參數(shù)，取得了一定成果；韓強［4］對明埡子隧道快速掘進技術進行了研究，通過對比分析快速掘進過程中圍巖變形對快速掘進開挖方式進行了改善；吳建兵［5］基于軟巖隧道快速掘進的變形預測對其支護方案進行優(yōu)化。以上研究多集中在快速掘進過程中爆破參數(shù)和支護方案的優(yōu)化、圍巖所受的影響等方面，而針對深埋硬巖條件下合理循環(huán)進尺的選擇、工序時間的合理分配卻涉及較少。

本文以虹梯關隧道為背景，研究不同爆破循環(huán)進尺作用下洞身周邊圍巖的松動圈和圍巖位移極值變化，提出理論結合實際確定深埋硬巖隧道合理循環(huán)進尺的方法，最后討論在循環(huán)進尺確定后，如何合理分配和壓縮各施工工序時間以實現(xiàn)深埋硬巖隧道的快速掘進技術。

1 理論基礎

正確掌握開挖過程中爆破對圍巖穩(wěn)定性的影響，對設計和快速掘進施工都有很大的幫助；此外，選擇合理的循環(huán)進尺是快速掘進的前提，通過有限元分析能夠模擬隧道深孔爆破開挖過程，為現(xiàn)場施工提供理論依據(jù)和指導。

1.1 爆破荷載模擬方式

鑒于爆破荷載在實際工程中實測性較難，因此本文模擬過程中采用國內學者普遍認可的三角荷載方式（如圖1所示）［6］施加到開挖隧道開挖邊界面上。

圖1 三角荷載示意圖（單位：ms）Fig.1 Schematic diagram of triangular load（ms）

計算公式為：

式中：tr為上升段時間，s；ts為總作用時間，s；r為對比距離；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。

對現(xiàn)有眾多爆破荷載峰值公式進行統(tǒng)計分析，得到的爆破荷載的應力峰值

式中：Z為比例距離；R為炮眼至荷載作用面的距離，m；Q為炮炸藥量，kg，齊發(fā)爆破時取總裝藥量，分段起爆時取最大一段裝藥量。

1.2 松動圈理論

地下洞室開挖導致周邊圍巖應力重分布，當應力值超過圍巖強度時則出現(xiàn)破碎帶，從而形成松動圈。根據(jù)目前使用的松動圈分類標準，根據(jù)最大松動圈厚度可以將松動圈分類如表1所示［7］。

本文主要采用摩爾-庫侖準則進行模擬計算，根據(jù)圍巖主拉應力來判斷松動圈的厚度，開挖斷面周邊圍巖應力大于其自身強度即為松動圈，該位置對應的與掌子面距離值即為松動圈厚度。根據(jù)不同循環(huán)進尺下隧道圍巖松動圈與變形量大小判斷合理爆破進尺實現(xiàn)快速掘進。

表1 圍巖松動圈分類表Table 1 Classification of broken zone of surrounding rock

2 模型建立

2.1 工程概況

虹梯關隧道全長13.1 km，為左右線分離式隧道。左洞起訖里程為K11+088～K18+300，長7 212m；右洞起訖里程為YK11+088～+314.77，長7 226.77 m，左右洞均為直線，二洞最小間距25 m。隧道最大埋深589 m，斷面凈寬10.25 m，限高5 m。設計襯砌如圖2所示。

圖2 Ⅱ級圍巖設計襯砌斷面圖（單位：cm）Fig.2 Design cross-section of tunnel lining in GradeⅡsurrounding rock（cm）

隧道自正洞施工以來，當右洞掘進施工1 131 m、左洞掘進施工431 m時，隧道左右洞圍巖狀況均為Ⅱ級圍巖，同時出渣運輸距離較近、通風效果較好，施工組織已安排妥當，因此決定采用快速掘進技術。

2.2 有限元參數(shù)

1）圍巖參數(shù)。本次計算根據(jù)虹梯關隧道圍巖統(tǒng)計資料和JTG D70—2004《公路隧道設計規(guī)范》［8］，采用的圍巖物理力學參數(shù)見表2。

2）爆破進尺。對于Ⅰ、Ⅱ級別的硬質圍巖，JTG D70—2004《公路隧道設計規(guī)范》［8］及JTG F60—2009《公路隧道施工技術規(guī)范》［9］中明確指出，一般循環(huán)進尺選擇在3～5 m。結合虹梯關隧道工程實際情況選擇3，3.5，4，5 m 4種爆破循環(huán)進尺進行模擬對比，從而選擇合理的爆破進尺進行快速掘進。

表2 圍巖物理力學指標Table 2 Physical and mechanical properties of surrounding rock

3）爆破荷載。根據(jù)2.1節(jié)爆破荷載作用時間和峰值的確定，爆破荷載具體參數(shù)如表3所示。

表3 爆破沖擊荷載參數(shù)Table 3 Parameters of blast impact load

2.3 模型尺寸

隧道模型尺寸為x×y×z＝90 m×20 m×80 m，模型左右邊界距離隧道邊界大于隧道3倍內徑取39 m，上下邊界距隧道邊界大于隧道3倍凈空取34 m。通過等效重力場實現(xiàn)460m埋深模擬。模型示意如圖3所示。

圖3 有限元模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of finite elementmodel

鑒于Ⅱ級圍巖條件較好，選擇全斷面爆破開挖。在隧道橫斷面拱頂、拱肩、拱腰、拱腳、拱底5個特征位置每隔一段距離設置監(jiān)測線以記錄圍巖在爆破作用下的動力響應。因為隧道尺寸和荷載布置均對稱，故監(jiān)測線均分布在隧道一側。監(jiān)測線位置如圖4所示。

圖4 隧道斷面監(jiān)測線位置示意圖Fig.4 Positions ofmonitoring lines

3 有限元結果分析

Ⅱ級圍巖各監(jiān)測點在爆破作用下的松動圈厚度、變形量有限元計算結果如下。

1）松動圈厚度。爆破荷載施加后，隧道開挖斷面周圍不同距離的圍巖均會產生主拉應力時程圖，提取各監(jiān)測線主拉應力峰值，以3 m循環(huán)進尺為例，如圖5所示。

圖5 橫斷面監(jiān)測線主拉應力峰值趨勢圖Fig.5 Trend of peak value ofmain tensile stress

各循環(huán)進尺下各測點主拉應力峰值有所不同但均表現(xiàn)出相同的規(guī)律性即在距離開挖斷面2 m范圍內迅速衰減，然后趨于穩(wěn)定。3 m循環(huán)進尺下松動圈如圖6所示。

圖6 循環(huán)進尺3 m隧道斷面松動圈（單位：cm）Fig.6 Broken zone of tunnel under 3 m cyclic length（cm）

由圖6可知：當爆破進尺為3 m時，圍巖除拱腰位置外均出現(xiàn)不同厚度的松動圈，其中拱底最大，約為23 cm。表明圍巖在該工況下破壞較小，完整性較好。隨著進尺的增加，各監(jiān)測線位置松動圈厚度不斷增大，其中拱底松動圈厚度始終最大且增長最快。根據(jù)2.2節(jié)中的最大松動圈厚度R作為判定標準。各爆破進尺下的最大松動圈厚度如表4所示，變化規(guī)律如圖7所示。

表4 各種爆破進尺下Ⅱ級圍巖松動圈厚度Table 4 Thickness of broken zone of tunnel in GradeⅡsurrounding rock under different cyclic lengths

圖7 Ⅱ級圍巖松動圈最大厚度變化圖Fig.7 Trend of thickness of broken zone of tunnel in GradeⅡsurrounding rock

由圖7可知：Ⅱ級圍巖在3～3.5 m爆破進尺時為Ⅰ類小松動圈，可選擇噴射混凝土，圍巖整體性完好的情況下可不進行支護；進尺增加到4～5 m時，圍巖出現(xiàn)Ⅱ類中松動圈，仍屬于較穩(wěn)定圍巖。

2）圍巖變形分析。統(tǒng)計各爆破進尺下Ⅱ級圍巖的最大變形量如表5所示。

表5 各爆破進尺下Ⅱ級圍巖最大變形量Table 5 Maximum deformation of GradeⅡsurrounding rock under different cyclic lengths

由表5可知：當爆破進尺由3 m增加到5 m時，拱頂和拱底豎向位移增量最大，拱頂表現(xiàn)為下沉，位移極值增加了0.697 mm；拱底表現(xiàn)為隆起，位移極值增加了1.245 mm。拱底位移極值增長明顯，表明該位置圍巖更易破壞。拱腰位置水平位移增量最大，但增加值較小表明該位置受到爆破進尺影響較小。

以上有限元計算結果表明，虹梯關隧道單洞在3～5 m爆破進尺開挖下圍巖自承載能力均較好，滿足快速掘進條件。鑒于實際施工中鑿巖設備性能及操作水平有限，Ⅱ圍巖條件下虹梯關隧道單洞爆破進尺可在3.5 m以上同時建議不超過4 m。

4 工程應用

在有限元計算結果的基礎上，虹梯關隧道單洞采用不低于3.3 m的掘進進尺進行爆破開挖。每隔100 m對Ⅱ級圍巖下隧道凈空收斂及拱頂下沉進行監(jiān)控量測。量測結果中位移較大值如表6所示。

表6 虹梯關隧道Ⅱ級圍巖變形量Table 6 Deformation of Hongtiguan tunnel in GradeⅡsurrounding rock

由現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)可知，對于虹梯關隧道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。而設計資料顯示，為保證二次襯砌凈空，隧道預留變形量為12 cm。根據(jù)圍巖變形量的數(shù)值模擬和量測結果均顯示Ⅱ級圍巖在該爆破進尺作用下變形小于1 cm。同時文獻［10］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。因此，理論上可將虹梯關隧道實際預留變形量設置為2 cm。根據(jù)公式（4）計算2種預留變形量下的超挖量，對比如表7所示。

式中：V為超挖土方量，m3；S為設計開挖輪廓周長，m；L為鉆孔的深度，m；h為超欠挖高度，此處根據(jù)文獻［9］取0.15 m；δ為預留變形量，此處取0.12 m和0.02 m。

表7 2種預留變形量下每循環(huán)超挖量對比Table 7 Overbreak volumes under two deformation allowances

由表7可知，采用2 cm預留變形量能夠在一定程度上減少出渣量，同時降低隧道的系統(tǒng)超挖量，對圍巖穩(wěn)定性更為有利。

將3.5～4 m的理論爆破進尺和2 cm預留變形量運用到虹梯關隧道中，并結合其工程特點制定了各工序的施工節(jié)點時間，如表8所示。

表8 各工序施工時間Table 8 Time of each construction step min

為實現(xiàn)上述工序時間，施工現(xiàn)場可采用具體措施有：

1）施工中按照不低于3.3 m爆破進尺的原則，根據(jù)圍巖實際情況對光爆參數(shù)進行調整，嚴格控制超欠挖和爆破對圍巖的損傷。

2）每循環(huán)開挖后，對開挖面輪廓線進行測量放樣并對前一循環(huán)進行復測，便于隨時掌握圍巖實際情況以調整爆破進尺及支護參數(shù)。

3）對施工工序進行反復考核，優(yōu)化各工序銜接時間，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。

4）施工過程中增加風鉆數(shù)量。采用9臺壽力空壓機確保施工用風，掌子面由原來的28臺風鉆增加至32臺風鉆（3臺風鉆掌子面?zhèn)溆茫?，確保開挖在120 min內完成，每循環(huán)進尺采用2臺380型裝載機進行裝碴，10臺出渣車同時運作并確保機械設備運營狀態(tài)完好。

5）采取噴錨封閉與掌子面開挖平行作業(yè)的方式，即在距離開挖面50～70 m處額外增加1輛噴錨作業(yè)臺車，掌子面施工每循環(huán)可縮短近30 min，為快速掘進奠定基礎。

6）施工測量人員提前0.5 h到達施工現(xiàn)場進行測量準備，多功能作業(yè)臺架就位后立即進行開挖斷面的放樣，建立完整的安全保障體系確保測量放樣與人工排險能夠同一時間進行安排，時間得到進一步縮短，2項工作能在15 min內完成。

綜合上述施工辦法，虹梯關隧道右洞在實際施工中可在24 h內完成或超過4.9個工作循環(huán)，同時根據(jù)現(xiàn)場圍巖情況采取3.3～4 m爆破進尺進行快速掘進。虹梯關隧道實際進尺統(tǒng)計如表9所示。

實踐表明，虹梯關隧道在開挖過程中圍巖自穩(wěn)能力較好，開挖進尺在部分里程達到4 m，大多在3.5 m左右，整體快速掘進過程順利，獲得進口單口月掘進突破556 m的世界最好成績。

表9 虹梯關隧道實際進尺統(tǒng)計Table 9 Statistics of advance rate of Hongtiguan tunnel

5 結論與討論

本文以深埋硬巖隧道虹梯關隧道為工程依托，采用數(shù)值模擬進行理論分析，根據(jù)不同爆破進尺下Ⅱ級圍巖松動圈厚度和變形量對循環(huán)進尺進行評價，并應用于快速掘進理論基礎指導現(xiàn)場實際施工，主要結論如下：

1）爆破進尺增加使圍巖松動圈厚度增大，其中拱底位置較其他位置發(fā)育更快，實際工程中應加強對拱底的監(jiān)控量測，防止其發(fā)生破壞。

2）數(shù)值分析和現(xiàn)場監(jiān)控量測均表明深埋硬巖隧道變形量較小，工程中根據(jù)實際情況對預留變形量進行調整，適當縮小其值可以有效的提高施工效率，節(jié)省施工時間，同時具有很高的經濟效益。

3）保證施工質量和安全作為前提，優(yōu)化各工序銜接時間。噴錨支護與掌子面開挖平行作業(yè)，測量放樣與人工排險同時進行等方式均可在一定程度上壓縮施工時間，為快速掘進提供條件。

4）虹梯關隧道視實際情況Ⅱ級圍巖段采用3.3～4 m的深孔爆破進行快速掘進，配合高效施工工序，在1個工作日可完成更多的施工循環(huán)，最終創(chuàng)造單口月掘進556 m的世界紀錄。實踐表明，深孔爆破與合理的施工組織是快速掘進技術的關鍵，在以后類似的工程中可采取本文相同的方式對快速掘進技術進行設計和優(yōu)化，具有重大意義。

5）本文所采用的半經驗半理論的三角荷載法模擬爆破荷載存在一定的局限性，難以完全實現(xiàn)對實際工程中爆破過程的模擬。如果能夠研究采用更為有效的模擬方式，可使計算結果更為精確。

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Study on Rapid Excavation Technology for Deep Super-long Tunnels in Hard Rock

LIZiqiang，YU Li，WANG Mingnian，DAIZhongyu
（School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，Sichuan，China）

The application of rapid excavation technology in the construction of deep super-long hard rock tunnels can achieve shorter construction period and thus can result in good economic efficiency.Selecting proper blasting cyclic length，which canminimize the damage to the surrounding rock，is a prerequisite for rapid excavation.In the paper，the broken zone thickness and the deformation of the surrounding rock of Hongtiguan tunnel under 3，3.5，4，5 m blasting cyclic lengths is evaluated bymeans of numerical simulation.Theoretical blasting cyclic length is obtained and applied in the tunneling.Finally，rational blasting cyclic length，i.e.，3.5～4 m in GradeⅡsurrounding rock，is proposed on basis of theoretical study and engineering practice.

deep super-long hard rock tunnel；rapid excavation；blasting；appropriate cyclic length；numerical simulation

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.03.007

U 455

A

1672-741X（2015）03-0232-06

2014-09-22；

2014-12-20

李自強（1987—），男，重慶人，西南交大土木工程學院在讀博士，主要研究方向為橋梁及地下工程。