秦岭终南山特长公路隧道东线进口钻爆法快速掘进关键施工技术

1、秦岭终南山特长公路隧道东线进口钻爆法快速掘进关键施工技术隧道网 (2008-4-8)来源：现代隧道技术摘 要：文章以秦岭终南山特长公路隧道进II段为例，阐述了采用钻爆法快速掘进施下技术的方法，包括:通过缩短钻眼、装碴和运输时间组织快速掘进:分析确定隧道爆破参数，提高钻爆效果：计算选定机械化施下方案条件下的可行性通风方案：采取措施防治岩爆地质灾害等。关键词：公路隧道 快速掘进 爆破技术 通风中图分类号：L 455. 41文献标识码：A 1工程概况 秦岭终南山特长公路隧道位于陕西省长安与柞水两县之间的秦岭山区，穿越秦岭山脉。隧道进口里程为K64+ 796，位于长安县石贬峪乡

2、青岔村石贬峪河右岸；隧道出口里程为k82+ s16，位于柞水县营盘镇小峪街村太峪河右岸。 公路隧道全长1s. 02 k，最大埋深1600 m洞身以花岗岩和混合片麻岩为主，石英含量高，石质完整、坚硬，岩石干抗压强度在82325 MPa之间，绝大部分在150一 300 MPa之间，存在构造应力、残余应力、岩浆侵入的挤压应力及岩体的自重应力，岩爆较为频繁。 公路隧道位于秦岭铁路II线隧道右侧，与铁路II线隧道成17， 0丁夹角。公路东线隧道与铁路II线隧道的中线间距在进口端约为120 m，在出口端约为30 m。洞内路而设人字形纵坡，变坡l从为K79+370，断而设计为双车道。 公路等级为高速公路，设

3、计车速60 km/ h，预留80 km/ h。隧道为双洞双车道，隧道内行车道宽度按大、小汽车混合行驶考虑一条行车道宽度为3. 75 m，水泥混凝上路而。隧道路而设计采用T322- 100标准轴载。 2快速掘进施工技术 秦岭终南山特长公路隧道东线进口段3 000 m。该段工期一年，平均月开挖掘进要求在250 m以上，为保证质量，保证工期，降低施工成木，必须组织快速施工。组织快速施工又必须组织快速掘进。 2.1 缩短关键工序作业循环时间为论述方便，现以与木隧道情况相近的w类围岩朔黄铁路白茅尖隧道做对比进行分析。朔黄铁路白茅尖隧道岩性为片麻岩夹石英闪长岩，平均月进尺186 m，最高月开挖进度为242

4、m。 (1)作业循环时间缩短的方法 朔黄铁路白茅尖隧道采用353E二臂钻孔台车打眼，WA420( 2.7m3)/斗)装碴、东玲3 141( 6m3)运输，炮眼钻孔深4.5m。 秦岭终南山隧道采用自制简易钻爆台车钻眼，分四层共28台风钻同时作业。该隧道采用无轨运输方式，配备WA 470( 3. 0 m/斗),CAT 966E ( 3.0m/斗)装碴机步行作业，8台20 t奔驰汽车、6台15t尼桑汽车组成运输作业线。循环作业时间见表白茅尖隧道采用一台二臂钻眼台车钻眼，一台装碴机装碴，理论上月开挖进尺可以达到4. 3302460/ 920= 202 m；秦岭终南山隧道采用风钻钻眼，一台装碴机装碴，理

5、论上月开挖进尺可以达到3.5302460/ 486= 311 m 。秦岭终南山隧道经过方案比选，主要通过打眼、装碴、运输工序作业时间的压缩，将作业循环时间压缩。 (2)缩短作业循环时间后的效果 各月实际施工进度为(开工前半年)：2002年4月为241 m(开工筹备期)，2002年5月为202 m(岩爆影响段)，2002年6月为221 m(洪灾停工一周时间 )，2002年7月为305m，2002年8月为285m，2002年9月为249 m，连续半年平均月进度达到250.5 m，满足总工期要求，达到了压缩作业循环时间的效果。 2.2 爆破技术 光面爆破主要参数的确定光而爆破主要针对周边一层岩体的爆

6、破，要在爆落岩体的同时，应形成光滑、平整的边界，其主要爆破参数有最小抵抗线、炮眼密集系数、不藕合系数、线装药系数、孔距与起爆时差。光而爆破主要参数的确定，既要满足光而爆破的技术要求，又要保证隧道快速掘进的需要。技术上可行就是要减少对周边围岩的扰动、超欠挖小、炸药用量少、爆落石块符合己配备机械装碴要求;掘进速度快就是尽量少打眼，节约打眼时间，加快施工进度。 (1)最小抵抗线与炮眼密集系数 为了加快施工进度，减少打眼的数量，节约打眼时间，压缩循环时间，周边眼间距大一些可以少打眼，达到缩短循环时间，在炮眼密集系数不变的情况下，最小抵抗线一也要增大，山此导致周边眼装药量的增加，造成炮眼周边局部岩石扰动

7、过大，影响围岩的稳定。 隧道开挖断而大大于80 m2，跨度大，光爆孔所受岩石夹制作用小，岩体容易爆落，经多次爆破比较，以下取值比较合适。II类围岩光爆孔孔距F取45cm，最小抵抗线W取55 cm；1V类围岩光爆孔间距E取50cm，最小抵抗线W取65 cm；V类围岩光爆孔间距F取55 cm，最小抵抗线W取65 cm。光爆孔密集系数K： II哄围岩为0. 82，1V类围岩为0. 77，V类围岩为0.85。 隧道岩石特坚硬，W,V类围岩完整，在实践中对周边眼采用加大药量，减少不藕合系数，以达到减少钻眼数量的目的。尽管这样对周边围岩增大了扰动，但对木隧道岩石不会造成影响。 (2)不藕合系数 一般岩石隧

8、道不藕合系数K取2. 5比较合适，山几秦岭终南山隧道围岩坚硬的特殊性，我们根据多次实验与调整，K取1. 7较为合适，即炮眼直径42 mm，装25 mm的药卷光而爆破效果很好。在软岩地段周边眼可采用导爆索。 (3)线装药密度 为了控制爆破引起的裂隙发展，保持岩石新壁而完整和稳固，要在保证炮眼连心线上岩石得以破裂贯通的前提下，尽可能减少炸药量。一般将线装药密度取为0. 05 0. 3 kg/ m，其中软岩为0. 07 0.12吨/m，中硬岩为0. 1 0. 15 kg/ m，硬岩为0. 150. 25 kg/ m。在进行爆破设计时，按具体爆破条件计算光爆眼的线装药密度。 qo= K K,KZW式中

9、qo-一线装药密度(kg/ o) ; K-一炮眼密集系数，K= F/ w; K,-一岩性系数，一般取:软岩为0. 5 0. 7，中硬岩为0. 750. 95，硬岩为1. 01. 5; Kz-一炮眼深度系数，一般为0. 5，每加深1 m 增加0. 2。 秦岭终南山隧道在进行爆破设计时，按公式计算，围岩的线装药密度(qo)为:由以上计算可知，只有III类围岩在硬岩0. 150. 25 kg/ m之间，而IV , V类围岩都超过硬岩范围。 ( 4)爆破进尺的选择秦岭终南山隧道从理论上计算应钻7m左右的眼，由于己有二臂钻眼台车钻杆长度只有5 m,最深只能达到5 m。开工之初采用二臂钻眼台车打眼，钻眼时

10、间长，隧道超挖严重;山几风钻钻眼隧道超欠挖明显比深孔减小，故后期采用风钻钻眼，眼深哄围岩为2 m, 1V类围岩为3. 5 m, V类围岩为3. 5 m2.2.2钻爆设计 (1)全断而开挖地段每循环炸药用量 Q = q.Sl式中q-一爆破1而岩石用药量; S-一断而积:II磷围岩96. 18 m2/ m, 1V类围岩 87. 02 m3/ m, V类围岩84. 48 m3/ m; I-一眼深:II哄2.0m, 1V ,V类3. 5 m。 q取值:II类围岩1. 0吨左右，V类围岩1.2kg左右，V类围岩取1. 25吨左右。 其中掏槽眼药量增加30%，辅助眼取(0. 55一0.6) q。 (2)炮

11、眼数目 N= 0. 0012 X(q.Sl ad2)式中q一单位用药量(吨/ m3) ; S-一开挖断而积(WZ) ; a-一炸药装填系数，取0. 7; d-一药管直径，取0. 04 m。 断而S为84 96 m2，实际布眼:III类围岩186个，Iv类166个(图) 1)，V类160个。2. 2. 3爆破效果及影响因素秦岭终南山隧道与西康铁路秦岭隧道II线平导平行.地质情况相似.铁路II线平导爆破情况见表2.秦岭终南山隧道爆破情况见表3。秦岭终南山隧道平均超挖一般小于6 cm.最大超挖量小于8 cm.局部欠挖小于5 cm.炮眼利用率90%以上.较好地段达到95. 8%;炮眼痕迹保存率:拱部达

12、到94%以上.边墙达到90%以上。山此说明秦岭终南山隧道爆破设计符合该隧道地质情况较为合理。 通过以上爆破设计的运用.秦岭终南山隧道在2002年7月11月，, 2003年I 月分别开挖掘进了305m.365m.306m的好成绩.并提前34人开挖掘进完工.保证了工期要求。2. 3施工通风技术2. 3. 1隧道快速掘进施工通风的特点与对策 隧道进口段3 000 m为独头掘进.采用人工钻爆法开挖.无轨运输。钻眼、爆破、装碴运输、喷混凝上、内燃机械排气使洞内空气中的氧气含量大大减少.而且混杂各种有去气体与粉尘.造成洞内空气污浊。随着隧道开挖掌了而不断向前推进.施工通风难度越来越大。现按上述施工方法和设

13、备配置进行计算。(1)按洞内同一时间作业人数最多计算的供风量 取同一时间在隧道内作业人数的最大值计算.取最大值等于50人.按每人需供给新鲜空气量3m3/ min、取风量备用系数1. 2计。 所需的新鲜空气q=3 X 50 X 1. 2= 180( m)3/min。 2)按爆破排烟所需供风量 Q= 2.25/tC(Al)2b/p2t1/3式中Q-一工作而风量(m)/ min) ; t一一通风时间 .取30 min; G-一一次爆破炸药总量(吨).按V类围岩 取值G=366.95 kg; A-一掘进巷道的断而积(W2).按V类围岩 断而计算A = 84. 48 m2; l-一巷道全长或临界长度(m

14、); 一一淋水系数.在此取0. 3;b一一炸药爆炸时有去气体的生成量.岩层 中取40; P-一风筒漏风系数。 根据秦岭特长隧道II线平导的通风经验.PVC增强维纶布风管百米漏风率正常情况GH 为1. 0%.则: P=1/1一(l / 100)P100 =1/1一(3000/ 100) X 0. 0l=1. 43式中L一一临界长度。z K-一紊流扩散系数.K取0. 60。风流有效射程=4At 2/ ( 2D) =4X 84.48t2/(2X 1.5)=12. 26 则l=12. 5 X 366. 95 X 0. 60 X 40/ 84. 48/ 1. 432 =637( m) Q压=2. 25C

15、(Al )2 b/p21/3 =2. 25/ 30 x366. 95 x(84. 48 x 637) 2 x 0. 3 x 40/ 1. 4321/3 =1 380( m3/ min) (3)为保证基木风速所需通风量 全断而开挖时.取巷道风速为0.15m/ s进行估算.断而积按最大断而为96. 18 m2计.则最小需供风量为: 0. 15 x 60 x 96. 18= 866( m3/ min) 但风速不得大于 6 m/ s.取最小断而计算.故最大的供风量为:6 x 60 x 84. 48= 30 413 m3/ min。(4)双机装碴无轨运输按洞内同时使用内燃机械计算的供风量式中K-一功率通

16、风系数.取3. 0 m3/ min; N，一一柴汕机设备总数，取掌了而同时工作的 装碴机2台，运输汽车1台; T;-一各台柴汕机设备的额定功率，装碴机功 率为167 k，运输汽车功率为235 k。 口=K/N;T=3.0X(167 X 2+ 235) =1 707( m3/ min) 需通风机提供的风量: 双机装碴洞内同时使用内燃机械所需供风量为1 707 m3/ min，为控制风量。这是山少:秦岭终南山隧道根据工期要求，采用无轨运输方式，配备了大功率装碴机步行作业，8台20 t奔驰汽车、6台15t尼桑汽车组成运输作业线进行装、运碴的原因。 2.3.2通风方案及风压计算 根据秦岭终南山隧道采用

17、中一开挖，临时支护工序较少的快速掘进情况，与秦岭II线平导相似，故采用压入式管道通风。 风机选型的基木要求是大风量、高风压。风管选择是柔性、大直径风管。系统布置为:风管挂于几拱脚，向洞内压风，即采用大风量轴流风机、柔性风管所组成的压入式通风系统。 为了保证把足够的风量送到工作而，并在风口保持一定的风速，这就要求通风机具有一定的风压，使其克服沿途的所有阻力。通风机应具备的风压为: 通风方案采用独头压入式通风方式(图2) 装碴机2台，运输汽车1台; T;-一各台柴汕机设备的额定功率，装碴机功 率为167 k，运输汽车功率为235 k。 Q=K N;T=3.0X(167 X 2+ 235) =1 7

18、07( m3/ min) 需通风机提供的风量: Q风机= QmaxP= 1707X 1.43= 2441(m3/min) 双机装碴洞内同时使用内燃机械所需供风量为1 707 m3/ min，为控制风量。这是山少:秦岭终南山隧道根据工期要求，采用无轨运输方式，配备了WA470( 3. 0 m3/ -E-) ,CAT966F( 3. 0 m3/ -E-)大功率装碴机并行作业，8台20 t奔驰汽车、6台15t尼桑汽车组成运输作业线进行装、运碴的原因。 2.3.2通风方案及风压计算 根据秦岭终南山隧道采用中一开挖，临时支护工序较少的快速掘进情况，与秦岭II线平导相似，故采用压入式管道通风。 风机选型的

19、基木要求是大风量、高风压。风管选择是柔性、大直径风管。系统布置为:风管挂于拱脚，向洞内压风，即采用大风量轴流风机、柔性风管所组成的压入式通风系统。 为了保证把足够的风量送到工作而，并在风口保持一定的风速，这就要求通风机具有一定的风压，使其克服沿途的所有阻力。通风机应具备的风压为通风方案采用独头压入式通风方式(图2)山表4计算可知.将风机设在洞外.采用一台SDF( C)一N012. 5型变级多速风机(该机参数为:风量1550 2 912 m)/ min.风机风压1 378一 5 355 Pa.功率2 X 110kw).风管采用 5 m柔性风管.新鲜空气自洞外经风机、风管送至工作而.污浊空气沿洞身

20、排出洞外2.3.3通风效果检测 距洞口1 900 m空气粉尘含量检测结果见表5。 2. 4岩爆段的综合防治措施 该隧道地质为混合片麻岩及花岗岩，地质构造和地层岩性复杂，存在岩爆。正确处理岩爆有利于保证工期，减少岩爆对人员、机械设备的危去。岩爆段的综合防治措施主要有: (1)喷射混凝上在清除危岩后，施作喷混凝上覆盖岩爆坑。喷混凝上具有减弱岩爆的效果，可用来保护施工人员和设备的安全，防止锚杆之间的碎石飞出，还可将未清除干净的小碎岩粘结在一起，预防坠卜岩石伤人。 (2)锚杆加固围岩 锚杆加固围岩其主要作用是进行岩体加固，以防劈裂和剥落的岩石塌落弹射。根据终南山快速掘进的要求，采用锚固剂锚杆。锚杆长度

21、和间距根据主应力大小和结构的整体要求而定，一般径向锚杆长度为2.5 3.5 m。 由于锚喷网联合结构强度增长迅速，能很快形成支护能力，并且与围岩密帖，与周边围岩形成弹性共同体，可阻止应力集中与裂隙向岩体深部发展，起到可靠的全而的防护作用。经现场实践，锚喷网联合支护能有效的克服轻微岩爆和中等岩爆对施工的影响，且施工简便，现场广泛采用此方法是一种经济有效的防止岩爆的支护措施。 ( 3)钢支撑锚喷网联合支护 在岩爆严重区，为提高结构整体支护能力，减少岩爆对施工的影响，可在岩爆地段采取密排钢支撑，(2)锚杆加固围岩 锚杆加固围岩其主要作用是进行岩体加固，以防劈裂和剥落的岩石塌落弹射。根据终南山快速掘进

22、的要求，采用锚固剂锚杆。锚杆长度和间距根据主应力大小和结构的整体要求而定，一般径向锚杆长度为2.5 3.5 m。 由于锚喷网联合结构强度增长迅速，能很快形成支护能力，并且与围岩密帖，与周边围岩形成弹性共同体，可阻止应力集中与裂隙向岩体深部发展，起到可靠的全而的防护作用。经现场实践，锚喷网联合支护能有效的克服轻微岩爆和中等岩爆对施工的影响，且施工简便，现场广泛采用此方法是一种经济有效的防止岩爆的支护措施。 ( 3)钢支撑锚喷网联合支护 在岩爆严重区，为提高结构整体支护能力，减少岩爆对施工的影响，可在岩爆地段采取密排钢支撑，与锚喷网联合形成支护体系。在K65+ 562+569强烈岩爆段，采用钢拱架

23、1榀/m架立，配合锚喷网联合支护，有效地控制了岩爆的继续发生。 ( 4)待避及找顶 待避是一种有效的安全措施，一般在岩爆比较强烈的时侯，为防止飞石造成事故，可以在安全处躲避，待避到平静为止。找顶也是简单有效的安全措施，在距掌子而2倍洞跨范围内，加强巡回找顶，清除岩爆产生的浮石，避免石块坍落伤人。 ( 5)其他防护方法 改善施工方法，采取“短进尺、多循环”的开挖方法，缩短每茬炮的开挖进尺和“密钻眼、弱爆破”的施工方法。一般岩爆段循环进尺控制在3. 0 m以下，岩爆严重段循环进尺控制在2. 5 m以下。爆破周边眼间距控制在40 cm左右，最小低抗线在60。左右。二圈眼、周边眼装药量根据现场岩爆的发生情况降低炸药用量，尽可能减少爆破对岩体的破坏。 ( 6)增设临时防护 主要是防止突然发