对于隧道工程来说, 其作业面处于地层内部, 作业环境复杂, 不明影响因素多, 这一特点决定了长大隧道的建设工期一般较长, 对于一个工程项目而言, 隧道往往成为其控制性工程。不仅影响整个工程的工期, 甚至可能最终影响业主的投资效益。因此, 如何实现特长隧道的快速掘进一直是工程界关注的热点问题。

目前我国在进行隧道施工时常用的施工方法为钻爆法, 为了保证工程的快速施工, 许多研究人员进行了深入研究。胡守正以克老隧道为研究对象, 综合运用施工技术和控制施工环境等多项技术, 对其进行了详细研究, 探讨了长大隧道快速施工的有效途径。朱建华以铁路单线长隧道为研究对象, 介绍了全断面爆破法开挖方式、机械设备合理的布置方式, 其研究成果能有效保证运输畅通, 为加快隧道施工进度提供了宝贵经验。结合米花岭隧道, 万姜林等介绍了相关新技术, 通过研究分析, 提出了有价值的技术成果与新工艺, 为铁路长大隧道的快速施工提供了启示。吴洪波以金洞隧道为工程背景, 针对隧道通过瓦斯等不良地质段时遇到的实际施工问题提出了相应的施工保证措施, 加快了施工速度。

本文以鼓岭长大隧道为研究对象, 深入探讨采用钻爆法施工方法如何提高施工工效。主要分析了水压爆破技术、独头压入式和巷道相结合的通风方式、掌子面积水排除技术以及机械臂湿喷机的施工工艺对提高施工工效的作用, 通过分析实测结果, 显示这4种技术能很好地提高施工工效, 同时对于改善施工环境、降低施工人员工作强度起到积极作用。

鼓岭隧道是福州104国道连江至晋安段改线工程的控制性工程, 处于福州盆地东侧鼓岭隆起区, 是1座双向六车道分离式特长、大跨径隧道, 隧道位于福州市鼓岭乡南洋村西侧约450m, 为双洞分离式隧道, 隧道右洞长5 367m, 最大埋深约490m;隧道左洞长5 351m, 最大埋深490m。隧道跨径为16.65m。隧道掘进采用新奥法施工, 复合式衬砌, 支护以锚、网、喷为主, 同时辅以管棚以及钢架的组合支护, 衬砌采用C20混凝土衬砌, 初期支护与二衬之间铺设防水层洞身围岩类型为Ⅱ级围岩, 主要为中～微风化岩, 主要岩性为侏罗系南园组凝灰熔岩, 近出口端与燕山晚期侵入花岗岩、花岗斑岩等呈侵入接触关系, 局部发育小规模节理密集带, 大部分段落岩体完整性较好。隧道进、出口段覆盖层较薄, 表层为薄层坡积粉质黏土, 加之开挖跨径较大, 容易造成大变形, 确保施工安全是本工程难点。

根据工程地质调绘, 场区除K28+380处沟谷水流较大外 (约1 000～1 500m³/d) , 其他各沟谷水流较小, 流量随季节变化大, 雨季水流量较大。

水压爆破设计与传统的光面爆破设计方法基本相同, 只是在炮孔堵眼和装药结构方法上进行了改进 (见图1) 。其设计原理是向爆眼中注入一定量的水, 然后用炮泥堵塞炮眼。爆炸产生的能量可以通过水介质均匀无损失地传递给周边岩石, 爆破发生时, 水介质率先进入裂隙通道, 这样一方面, 爆生气体相当于被水堵住了“去路”, 防止爆炸气体从裂隙通道中产生“逃逸”, 另外一方面, 当水介质进入裂隙之后, 由于水的流速较低, 与裂隙面之间产生较大的摩擦阻力, 节理裂隙面受到相对于空气介质要大很多的法向应力, 迫使裂隙进一步张开。在裂隙端, 水的挤压作用类似于“水楔”的作用, 使裂隙尖端产生应力集中效应。对于节理较发育的岩体, 其内在的裂隙较多, 由于水的渗入, 使能量不会从这些裂隙中快速消散掉, 而是会作用一段时间, 这就可以更充分地使裂隙得到扩展和撕裂, 从而大大提高炸药对节理裂隙岩体的破碎效果。许多研究人员对水压爆破技术进行了研究。

施工过程中, 原设计采用传统的光面爆破, 炮眼设计如图2所示。

水压爆破在炮眼数量、炮眼深度、炮眼分布以及起爆顺序等设计与常规爆破一模一样, 通过试验得出水压爆破和常规爆破的合理装药量, 具体装药量如表1所示。

为了提高分析的可靠性, 统计了连续采取常规爆破与水压爆破施工各20个循环得到的爆破结果, 如表2所示。水压爆破相对于常规爆破, 平均每循环进尺增加0.5m, 开挖时间减少0.26h, 通风时间减少25min。

独头压入式通风是指通过压缩机由一头往另一头送风的方式, 当遇到长大隧道时, 压力会随着距离的增加有所降低, 从而降低通风效果, 延长爆破后排烟的时间。为了解决这一问题, 本项目探索采用了独头压入式和巷道式相结合的通风方式, 按照掘进距离分别采用不同的通风方式。

左右洞均为独立的通风系统, 掌子面的新鲜风流由洞口轴流风机供给, 轴流风机放在洞外30m处, 数量设置为2台, 通风过程中横通道通过关闭风门予以封闭, 如图3所示。

1) 第1步将洞口的2台轴流风机都移至右洞洞内第1个横洞靠洞口处, 如图4所示。右线轴流风机采用软风筒穿过横洞沿左洞侧壁布置到离其掌子面50m, 输送新鲜空气, 输送过程中风门关闭。射流风机安装在靠掌子面的第1个横洞洞顶处, 诱导污浊风流从隧道横洞排至左线主洞, 最后排出洞外。每掘进1 000m, 在左线主洞内增设1台射流风机加速污浊气体排出。

2) 第2步右洞当按设计掘进出下一个横洞后把轴流风机前移 (沿掌子面方向) 一个横洞, 相应的横洞处射流风机也前移, 依次循环直至隧道贯通, 如图5所示。

为了分析独头压入式和巷道式相结合技术对排风速度的影响, 选取其中的3个循环进行对比, 数据如表3所示。

鼓岭特长隧道原设计反坡排水方式为传统多级串联排水, 将掌子面水抽排至洞口, 经隧道外排水系统排放。反坡排水采取多级排水, 每个集水槽安装1台污水泵, 如图6所示。

随着隧道开挖的推进, 反坡多级串联排水显示出不足的地方, 主要表现为排水不及时、水泵空转等现象, 导致各级排水设备的排水节拍不一致, 满足不了排水需求, 同时由于本隧道排水量较大, 需要使用较多水泵, 费用较高。为了保证隧道施工面积水及时排除, 对原排水系统进行了优化, 增设洞内水循环装置、抽水设备自动启停装置以及自动切换装置等, 将开挖过程中产生的水利用于洞内施工, 包括打钻、清洁、养护等, 随时根据洞内裂隙水量大小及时进行引排。采取的具体措施如下。

1) 增设洞内水循环装置

通过优化设计, 在固定泵站处安装一个洞内水循环装置, 隧道洞内施工用水量 (包括风钻用水及清洁用水等) 约为500 m³/d。实际施工过程中在离掌子面最近的固定泵站处布置一水循环装置, 同时在排水钢管每100m放置1个出水口、在水管上安装1个管道增压泵, 具体如图7, 8所示。经现场验证, 该装置既能满足洞内施工用水, 又能有效减少渗水的外排 (少排1 000m³/d左右) 。

2) 优化原有的抽水泵站装置

增设抽水设备自动启停装置、抽水设备自动切换装置以及缺相保护器, 使抽水设备当遇到水位下降超过一定程度后, 水泵自动停止工作, 同时保证水泵轮流作业。通过优化, 有效解决了原排水系统存在的掌子面积水以及排水不及时的问题, 通过对比, 每延米排水时间由0.4h缩短至0.25h, 节省了0.15h, 较大提高了工效。

湿喷工艺是预先在搅拌机里将砂、石子和水泥等材料搅拌好后, 通过喷射设备将混合料喷送到支护面上, 按照喷射的形式一般分为普通湿喷机和机械臂湿喷机两种。

相对于普通湿喷机, 机械臂湿喷机在保证喷射质量, 提高工作效率及改善作业环境和职业健康方面有很大的优势, 两者之间的对比如表4所示。从表4可以看出, 相对普通湿喷机, 机械臂湿喷机在施工质量控制、进度控制及经济性等方面都有明显的优势, 在长大隧道工程中值得推荐使用。

长大隧道在施工过程中施工环境复杂, 不可预见因素多, 工期长。为了分析如何实现快速安全施工, 以鼓岭隧道为研究对象, 分析了水压爆破技术、独头压入式和巷道式相结合的通风方式、掌子面排水技术以及机械臂湿喷机4项新技术在长隧道施工过程中对施工工效的影响。实测结果显示, 这4项新技术在提高施工工效、节约材料、改善施工环境以及降低施工工人劳动强度等方面都有明显的作用。这些技术性价比高, 同时符合绿色施工的理念, 值得施工单位借鉴。