摘要 忻州至阜平高速公路忻州至五台山段是山西省“十一五”重点工程和“三纵十一横十一环”高速公路网规划中第四横的重要组成部分,也是山西省东出西联、融入环渤海经济圈的重要东出口工程,被国家交通部确定为全国四项“高速公路科技示范工程”之一,凤凰岭隧道为特长隧道,是全线的控制性工程,隧道地质构造复杂,穿越多条大断层,地层破碎,岩溶较发育,施工难度大。本文综合实例介绍了长大隧道快速施工综合技术,重点介绍机械设备选型配置的方法及依据,且应用效果良好,为今后长大隧道快速施工提供了经验。
关键词 长大隧道;快速施工;技术
中图分类号U455文献标识码A文章编号 1674-6708(2010)30-0019-02
1 工程概况
凤凰岭隧道位于忻阜高速公路忻州至长城岭段,为高速公路隧道,分上下行左右洞设计,其中左洞全长5 896.9m,最大埋深772m,右洞全长5 773.5m,最大埋深775.8m。开挖断面积为Ⅴ级围岩105.3 m2(Ⅳ级95.6 m2,Ⅲ级84.3m2),设计行车速度为80km/h,行车道宽2m×3.75m,隧道净宽为10.25m,限高5m,路面横坡为2%(单向),隧道纵坡为1.8%,设计汽车荷载等级公路-1级,地震烈度按Ⅶ度设防。
隧道经过的岩性主要为灰岩、白云岩,隧址区位于五台山块隆次级构造单元系舟山掀斜向斜中段的北部,受系舟山大断裂的控制,隧道斜穿一系列走向为北东方向、剖面上呈反“S”型的同斜褶皱带核部,岩层翻卷、倒转、平卧、直立、扭曲现象严重,隧址区共发育7条断层,地下水不太发育,隧道围岩级别为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级,其中Ⅲ级围岩占隧道全长的63%。
本文对该隧道快速施工的机械设备选型配置作重点介绍。
2 隧道是个系统工程,综合技术探讨主要解决制约隧道快速施工的主要因素
特长隧道怎样才能“快”,一是总体方案上合理筹划。二是机械投入要配套。三是要有专业化施工队伍,包工队靠不住、小打小闹行不通。四是时间管理,空间占满,抓好循环,工序紧凑。
2.1 设备的选型及配置是隧道快速施工的关键因素
设备配置匹配,一是关键的设备要配强配足;二是配套设备要合理匹配。要防止大牛拉小车,更要防止小牛拉大车的现象。
2.1.1 掘进设备的选型及配置
凤凰岭隧道为双线高速公路隧道,根据断面的大小最多可容纳26台风枪同时作业,因为本隧道仅在Ⅴ级、部分Ⅳ级围岩中设置仰拱,不考虑仰拱与掌子面同时钻眼。按左右洞掌子面同时开挖(此时负荷最大)配置空压机,理论计算需配置11台20m3/min空压机,考虑设备的故障,增加1台备用。
Q=K(∑nqktkm+La)=1.1×(2×26×3.6×0.85×1.2 +2.15×2×2)=219.5m3/min
式中:q为每台YT-28风动机具的耗风量(m3/min),每台风枪取3.6 m3/min,TK500湿喷机根据型号耗风量10m3/min;
n为每种风动机具的台数;
kt为风动机具的同时工作系数,1~10台时取1~0.85,11~30台时取0.85~0.75;
km为因设备的机件磨损而使耗分量增大的设备磨损系数,一般为1.2~1.3;
L为风管的长度(m),包括主、支管道的实际铺设长度和管路附件折算的管道长度;
a为每公里的管路漏风量,平均为1.5m3/min~2.0m3/min;
k为海拔系数,海拔900m时取1.1。
2.1.2 喷混凝土设备的选型及配置
一般喷射混凝土时间在初期支护占很大比例,主要谈一下湿喷机的台数选择,TK500湿喷机生产率4m3/h~4.5m3/h,根据隧道延米设计数量再加上回弹为实际的喷射混凝凝土数量,本隧道每延米为6.5m3/h~8.1m3,循环进尺2.4m,我隧道采用的是配置4台湿喷机,只要空间满足可增加。
2.1.3 出碴设备的选型及配置
出碴是隧道施工的基本作业之一,分为装碴、运碴两步。选择出碴方式是,应结合隧道断面的大小、围岩的地质条件、一次开挖量、机械配套能力、经济效益、作业环境及工期要求等因素进行综合确定。基本要求是:装碴、运输能力大于最大开挖能力,挖掘机、装载机不等待运输车的问题。采取无轨运输所需车辆台数计算公式:
N=2L/(TV)
N为运输车台数;
T为装一车碴所需时间;
V为运输车在洞内的行驶速度,取平均值,考虑必要的停顿、间隙时间;
L为运输车出碴距离。
2.1.4 通风设备的选型及配置
洞内通风采用PVC 增强维纶布风管式通风,每循环进尺按3.0m,炸药用量按平均0.8kg/m3。掌子面所需风量按3个方面考虑,具体为洞内要求最低风速所需风量,排除爆破炮烟所需风量,内燃机械设备使用和洞内最多工作人员所需的风量进行计算,取其中的最大值为计算依据。
1)风量计算
(1)按洞内爆破使用炸药,排除炮烟计算风量:
Q=(5Gb-AL)/t
式中:Q为工作面风量 m3/min;
G为一次爆破的炸药总量kg;
b为炸药爆炸时有害气体的生成量,岩层中取40;
A为隧道断面积 取平均87.2m2;
L为炮烟抛掷区长度,L=15+G/5=56.8;
t为通风时间 取30min。
计算:G=3.0×87.2×0.8=209.3(kg),
Q=(5×209.3×40-87.2×56.8/30=1230.2m3/min
(2)按最底风速所需风量:
Q≥V最小×S最大
V最小为保证坑道内稳定风流要求,全断面开挖时风速不得小于0.15m/s;
S最大为坑道最大断面积(m2),取87.2m2;
则:Q≥0.15×60×87.2=784.8(m3/min)。
(3)按洞内内燃机械设备的同时使用和洞内最多工作人员所需要的风量进行计算:
根据隧规规定,柴油设备千瓦/分钟需要新鲜空气不小于3m3。
洞内柴油设备总数,取掌子面同时工作的挖掘机1台,装载机1 台,运碴汽车3台(运输车速度洞外20km/h,洞内15km/h(运距洞外3km,洞内3.6km),洞内装一车碴5min),功率利用系数为0.65。
内燃机总功率W总=为188(挖掘机)+195(装载机)+201×4(运输车)=1 187kW
洞内作业人员按50人,每人供风量3m3/min,Q人=50×3=150(m3/min)
则:Q= W总+ Q人=3×1187×0.65+3×50=2 465(m3/min)
从以上计算结果,取所需最大风量值Q=2 465(m3/min),
(4)漏风计算
按照上述各种公式计算风量,均未考虑漏风而损失的风量,故洞内实际所需总风量Q 需应为
Q需=PQ(m3/min)
式中:P为漏风系数,百米漏风率为1.2%;
Q为计算风量(m3/min);
则:通风机所需提供的风量Q风机=QP=2465×1.144=2819(m3/min)。
2)风压计算
为了保证把足够的风量送到工作面,并在风口保持一定的风速,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:H机≥H总阻
通风阻力等于摩擦阻力和局部阻力之和。
(1)隧道主洞摩擦阻力
H摩擦1=aLUQ2/A3=0.011×3600×35.4×48.52/733=8.4Pa
式中 a—摩擦阻力系数,对于混凝土衬砌隧道a=(29.4~68.7)×10-4,喷锚支护隧道a=(78.5~118)×10-4,取喷锚支护隧道0.011;
L为风机通风全长;
U为隧道周长35.4m;
Q为通风量m3/s;
A为已衬砌段面积73m2;
(2)局部阻力
=ξρQ2/(2A2)=6.02×1.2×48.52/(2×292)=10.1Pa
式中:ξ为局部阻力系数,进洞口取0.6,出洞口取1,进入加宽段取0.04,出加宽段取0.1,左线进车取2.8,出车遇到右线取0.92,总阻力系数ξ=0.6+1+5×(0.04+0.1)+2.8+0.92=6.02;
ρ为空气容重1.2kg/m3
Q为通风量m3/s
A为车行横洞面积29m2
H总阻= H摩擦1+ H局部=18.5Pa
选用变极多速SDF(C)-No12.5型通风机(风量2 912m3/min,风压5 355Pa,功率110kW×2)压入式通风,风管直径为1.5m。
2.2 切实可行的施工方案是隧道快速施工的前提条件
方案是从战略角度对整体工程的部署和安排,涉及施工全过程的各个环节,对工期起着决定性作用。成功的方案能指导隧道的顺利进行,凤凰岭隧道确定的主要方案有:一是选择安全有效的进洞方案,为隧道快速施工抢占先机条件。二是要素配备方案的执行为隧道快速施工奠定了基础。三是借助科技手段,准确判断前方地质条件,实行岩变我变。四是做好技术保障方案,进行技术攻关,破解施工难点。五是二衬施工保障方案,强化二次衬砌施工能力,确保工序距离达标,以二衬保掘进。
2.3 落实终极责任制,提高现场施工组织管理能力[1]
隧道的快速施工,首先是掘进速度的提升,因此掌子面管理是隧道工程现场管理的核心,建立隧道掌子面责任制是项目终端责任制最直接、最具体的体现。隧道掌子面现场作业人员多、工序衔接多、协作环节多,本项目具体做法是明确各类人员分工、对岗位职责进行分层量化、逐项界定,分别制定“工作标准”、“管理标准”和“岗位责任制”,解决了掌子面施工管理“由谁负责、怎么负责、不负责怎么办”的问题,并通过值班人员填写隧道综合管理表,让项目管理层获取准确信息,从而适时做出正确决策。
3 效果及体会
凤凰岭隧道高速公路双车道人工钻爆法施工月进尺Ⅳ级软弱围岩156m,Ⅲ级围岩达307m,平均月Ⅳ级软弱围岩进尺140m,Ⅲ级围岩达280m,单口掘进速度创我公司隧道施工新纪录。
隧道施工是一个系统工程,具有工作面狭小,有的施工工序又不能平行交叉作业,只能按部就班,循序渐进,通过凤凰岭隧道的施工,笔者有以下体会:
1)合理、精良的生产要素配置是隧道快速施工的前提;
2)切实可行的施工方案是隧道快速施工的可靠保障;
3)强有力的施工管理是隧道快速施工必不可少的条件。
参考文献
[1]胡守正.长大隧道快速施工途径探索[J].现代隧道技术,2003(40):4.