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大跨度隧道全断面开挖施工工法
(YJGF15-92)
铁道部隧道工程局
隧道施工如仍采用60——70年代以轻型机具为主的小型机械进行分部开挖、 斗车运输、 木支撑替换混凝土衬砌的施工方法, 已不能适应隧道全断面施工的高速、 优质和安全的要求, 同时, 也无法满足修建大跨度和长大隧道的需要。
80年代建设的衡广复线, 在铁道部的领导和支持下, 针对评乐段长14.295km的大瑶山双线电气化铁路隧道的修建, 开发了大跨度隧道全断面开挖施工工法, 解决了隧道长、 断面大、 工期短带来的一系列难题。在施工中打破常规应用十项科研关键技术成果, 做出了许多新的尝试和突破, 发展、 改变了近百年来修建隧道的传统方法。全面应用新奥法原理指导施工; 成功地进行了硬岩深孔爆破和软岩全断一次成型爆破; 首次运用了光电测距导线和光电三角高程控制测量新技术进行隧道控制和竖井投点; 成功的进行了27.6km独头巷道的施工通风; 第一次大规模的应用带塑料板的复合衬砌技术, 发挥了围岩的承载能力, 创造了大的施工空间, 解决了隧道漏水问题; 全面采用大型机械化进行全断面施工, 形成了破岩装运、 支护、 衬砌三条卓有成效的机械化作业线, 创造了较高的施工速度, 最高单口月成洞217双线米, 全隧道平均单口月成洞99.2双线米, 经过地质恶劣的长465m的F９断层带, 单口月平均开挖19.75双线米; 施工中采用各种超前地质预报; 多种注浆加固围岩及堵水; 全面进行施工监控量测, 信息反馈技术。从而, 大大改进隧道施工作业环境, 为安全快速施工, 提高工程质量提供了技术保证。使该隧道施工技术成为中国隧道建设史上一个新旧方法的转折, 开创了隧道施工采用新方法、 新技术、 新设备、 新工艺的成功模式, 并制定了各种施工工艺操作细则及标准。
本工法的单项科研技术成果前后经过了部级技术鉴定。其综合配套技术获1989年铁道部科技进步特等奖。参加了首届全国工业企业技术进步成果展览, 国家重点建设项目图片展览、 国际第16届隧道年会展览和1992年国际铁路现代化展览等。本工法的多项科技成果已纳入铁道部的相关技术标准规范, 并已得到广泛推广和应用。如大秦线西段二十多座铁路隧道, 梧桐山、 板樟山等公路隧道和大广坝、 太平驿、 铜头水电工程的地下工程均应用了本工法施工, 取得了很好的经济效益和社会效益。
一、 工法特点
(1)本工法全面应用新奥法原理指导施工。
(2)采用五米深孔光面爆破, 解决了深孔掏槽、 克服管道效应、 非电起爆、 爆破振动监控量测、 周边预裂光爆等系列技术问题; 经过优选爆破器材和选择合理爆破参数等, 使炮眼利用率平均95%以上, 炮眼痕迹保存率达70%左右(见隧道硬岩深孔爆破工法)。
(3)监控量测技术、 数据处理方法和信息反馈的判断准则技术用于施工, 使一切施工管理、 施工方法用数据说话, 保证了隧道施工的安全作业。
(4)初始应力场及二次应力场的量测技术, 超前15m声波探测光谱显微构造分析, 结合洞内素描, 赤平极射投影技术, 进行了准确的地质预报, 其准确率达80%左右。
(5)采用喷锚支护复合衬砌结构, 其外层用锚杆喷射混凝土初期支护, 内层模注混凝土作二次衬砌, 两层间设置塑料防水层(见隧道复合式衬砌施工工法)。
(6)大型机械化快速配套施工, 成功地建立了凿岩装碴运输、 混凝土锚喷支护和二次衬砌三条机械化作业线, 使单口开挖月进尺最高达到203m, 平均月进尺187m, 混凝土衬砌施工最高达300m/月进尺(见隧道大断面快速施工工法)。
(7)隧道长距离(2763m)独头无轨运输施工通风的成功, 可减少一条平行导坑的工程。
(8)经过F9断层严重地层破碎带, 采用的周边浅孔预注浆堵水、 加固地层技术(见双线隧道富水软弱破碎围岩大断面工法)。
(9)控制精密测量技术, 使14.295km隧道贯通误差精度横向17.3mm(限制±400mm), 仅为限差的4.4%, 高程误差4.6mm(限差±50mm), 仅为限差的9.2%。
(10)隧道做到安全施工, 死亡率为第km0.57人。
二、 适用范围
(1)本工法适用于新奥法原理指导施工的各种隧道、 地下通道及洞室。
(2)深埋、 铁路围岩Ⅲ-Ⅳ类, 开挖断面80~120m2的隧道。
(3)采用大断面深孔爆破机械化快速施工的公路隧道。水工隧道及其它类似的地下工程。
三、 工艺原理
(1)以岩体力学理论为基础, 应用新奥法原理指导施工, 充分发挥围岩的自承能力, 经过控制爆破技术, 及时进行喷锚初期支护, 防止围岩松动, 应用量测监控及时反馈, 充分发挥围岩和初期支护的作用, 利用大型机械快速施工。
(2)应用爆破成型原理, 做到了对不同围岩的光面爆破、 预裂爆破和深孔爆破。
(3)利用变位反分析法原理, 进行复合衬砌的计算和设计。
(4)利用围岩特性曲线, 确定施工工序之间的合理施作时间。
(5)应用流体力学气体流动理论, 解决了施工长距离管道通风。
(6)应用地质力学原理、 浅层地震反射波原理和遥感原理探明了构造, 进行隧道地质超前预报。
(7)应用系统控制网络理论, 进行机械化配套和管理快速施工。
(8)应用概率论、 数理统计理论及测量误差理论, 合理处理边角数值, 绘制误差椭圆对三角网及导线分析; 将光电测距仪应用于洞内控制测量, 并提出光电测距导线环平差新方法, 大大提高测量精度。方便灵活, 省事省时。
(9)利用排、 堵、 截原理, 进行隧道防排水注浆处理, 使隧道基本做到滴水不漏、 保持干燥。
四、 施工工艺
(一)工艺程序
2.支护衬砌作业程序(图2)
(二)施工要点及注意事项
1. 深孔掏槽技术
(1)隧道掘进深孔爆破主要取决于大直径深孔掏槽是否成功, 本工法采用直眼掏槽, 掏槽面积1100mm×1100mm, 掏槽形式有: 
1)单临空孔掏槽, 如图3(a), 适用于3.0m以下浅孔爆破。
2)双临空孔掏槽, 如图3(b), 适用于3.0~3.5m爆破效果最佳。
3)三临空孔掏槽, 如图3(c), 适用于3.5~5.15m爆破中应用。
(2)当临空孔直径为102mm, 孔间距在70~150mm掏槽抛掷效果最好, 临空孔与装药炮眼间距150~180mm(裂隙发育时采用250~300mm)。
(3)装药参数: 使用大药卷Ф=42mm一号抗水硝铵炸药或Ф=40mm乳胶炸药集中装药, 掏槽效果良好, 参数如表1所示。
(4)掏槽炮眼起爆的合理间隔时间: 在深孔爆破中, 掏槽孔起爆间隔50~75ms, 采用段数越多越好, 让每一炮段都单独顺序起爆, 槽腔逐渐扩大, 一掏到底。
(5)掏槽位置: 一般设在隧道中心线偏左或偏右位置。具体尺寸如图4所示。如设在中心线上最理想, 但当钻孔台车在隧道中间钻孔时, 其左右两臂工作的界限位置在隧道中心线上, 掏槽在隧道横断面中间, 就需要两臂共同完成掏槽钻孔, 操作困难, 布眼不易准确。
2.全断面深孔预裂爆破。
(1)Ⅳ~Ⅵ类围岩5m预裂爆破中, 采用三临空孔直眼掏槽, 临空直径ψ102mm。
(2)周边眼间距E=45~50cm, 相对距离E/W取0.6~0.7(W为周边最小抵抗线长度), 装药结构用Ф35mm, 长165mm药卷, 装药集中度为0.3~0.35kg/m, 不偶合间隔装药, 不偶合系数1.37, 为克服管道效应可用高爆速(5000~6000m/s)炸药, 并在各卷炸药间串联传爆线, 让药卷架空于钻孔中间。另外适当采用底集中装药2~4卷, 每隔3~5个炮眼布置一个崩落眼集中装药。周边眼起爆时间采用即发雷管或 段毫秒雷管首先起爆与 段掏槽起爆相配合。
3.全断面深孔光面爆破。
(1)掏槽眼: 采用三临空孔直眼掏槽, 直径为Ф102mm。
(2)周边眼: 周边眼间距50~65mm, 一般按相对距离E/W=0.8,用Ф35mm小药卷间隔装药, 装药集中度为0.20~0.25kg/m。
(3)起爆顺序: 由里向外层层爆破, 掏槽眼起爆雷管 段, 扩槽眼为 段, 掘进眼由里层向外层段别为 , 底板眼为 , 周边眼最后起爆为 段。
4.全断面深孔钻爆作业
(1)钻孔前, 测量中线水平, 将拱顶两侧起拱线及轨面线位置控制准确, 将设计炮孔布置在开挖面上。
(2)钻孔: 钻孔台车轴线与隧道中线平等, 要求精确就位, 按设计画定的位置和炮眼顺序进行钻孔, 避免漏钻和台车臂互相干扰, 钻孔深度5.15mm, 直径Ф48mm, 掏槽临空孔三个Ф102mm(由Ф48mm扩大为Ф102mm, 有条件也可一次钻成直径Ф102mm的底孔)。
(3)装药爆破: 
1)备足计划装药量和各种爆破器材, 周边眼在洞外加工好竹片, 串装药串。
2)装药前先用高压风装孔中岩粉吹净。
3)人工装药先上后下, 先两侧后中间。每孔装药后用炮泥堵好, 炮泥长不少于20cm。
4)连线起爆: 整个掌子面导爆管分六束, 分别捆绑于同段雷管上(为保险起见每束安两个同段雷管最好), 最后再把六束导爆管并联捆扎在一个雷管上, 留足导爆索长度, 检查好安全再行起爆。
(4)通风找顶: 
1)当隧道进出口采用无轨运输, 初期阶段(掘进1370m)用两台MFA100P-SC型风机分散串联在Ф1200mm铁风管上进行压入式通风, 后期增加一根Ф1200mm铁风管至模板台车处, 同时向洞内压风。
2)在有平导地段, 用巷道式通风(平导进风, 正洞出风)。平导以后地段依然采用风管压入式通风。
3)斜、 竖井到达井底后, 采用上半断面开挖, 有轨运输, 可用压入式混合式通风, 风管直径Ф1000mm铁皮风管。
4)通风管理: 
(a)当施工方法发生改变或两工区之间贯通, 对原通风布局及时进行调整、 改进。
(b)当风管有效范围达不到掘进工作面时, 应按长风管, 使掌子面一带通风良好。
(c)衬砌台车移动前, 拆除前后风管, 移动后及时接通前后风管。
(d)维护好风管, 处理漏风, 保养、 维修风机, 定期进行通风检测。可用现场实测方法查明炸药在双线隧道中爆破时的抛掷长度, CO发生量及沿隧道纵向分布规律, 测定无轨运输柴油机废气的分布规律和无轨运输时通风量指标。
5)爆破后先通风, 掌子面基本没有炮烟, 人员才能进入掌子面把危石撬掉, 再用高压水冲选开挖面除尘。
(5)喷混凝土支护: 隧道喷射混凝土采用双水环喷头国产PH-30型或转子型喷射机, 人工对开挖面拱部进行一次喷射混凝土。RODOT-75喷射机械手和B1.5~4.0喷射三联机配套用于出碴后, 拱部二次复喷和边墙的混凝土喷射作业。
(6)用侧卸式2.6~2.8m3斗的装载机装碴, 12~20t自卸汽车运输出碴。
5.二次混凝土衬砌施工
(1)要求混凝土工厂和混凝土输送车的输送能力与混凝土泵的灌注能力相匹配。
(2)混凝土自进入搅拌输送车至卸料时间不超过初凝时间, 混凝土输送过程中要保证不发生离析, 若运至灌注地点的混凝土有离析现象时, 在灌注前须进行二次搅拌。
(3)模板台车每次移位前, 在准备衬砌部位的两侧边墙下方须预先灌注墙基混凝土, 高度为700mm, 并沿隧道方向每隔1500mm, 预埋地脚螺栓, 以便固定钢模板的最低边缘。实施中常因预埋地脚螺栓位置偏移, 很难与模板最下边缘孔对好, 为防模板走动用加设横撑办法解决。
(4)隧道衬砌封顶采用钢管压注法, 选择合适的混凝土塌落度, 仍从拱部的灌注口压注封顶。
(5)混凝土脱模强度必须达到2.5MPa, 一般情况下需养扩17小时以上方准拆模。
6.量测项目的确定和布置
(1)监测项目见表2。
(2)量测布点见表3。
(3)量测频率见表4。
(4)围岩稳定性判别: 
1)根据实测位移值或预测最终位移来判别, 见表5。
2)根据位移变化速率判别: 当净空变化速率大于10mm/天时, 需加强支护系统, 当净空变化速率小于0.2mm/天时, 则认为基本稳定。
3)根据位移-时间曲线的形态判断: 当围岩变化速率下降时, 围岩趋于稳定。若变化速率保持不变时, 应加强支护系统。当变形速率不断上升时, 表示已进入危险状态, 必须立即加强支护系统。
7.控制测量
(1)光电测距精密导线网取代传统的三角网作为洞内外的平面控制。
(2)沿导线点采用光电测距三角高程方法控制隧道高程。
(3)在竖井联系测量中, 利用光学投点, 光电测距仪导入高程和运用GAK-I型陀螺经纬仪测量井上下联系边的空间投影, 几何平面角传递坐标方位。
(4)用数理统计处理观测数据。
五、 施工机械
(一)施工机械
隧道大断面快速施工建立了开挖装运、 锚喷支护、 混凝土衬砌三条机械化作业线、 设备配备如表6。三条机械化作业线的形成对加快工程进度、 节省劳力、 提高工程质量发挥了重要作用。
(二)施工机械管理
1.建立机械施工专业队
(1)对工程队实行了机械专业配属制, 按照开挖、 装运、 喷锚、 支护和混凝土衬砌的施工, 组建了相应的专业分队, 把安装调试、 使用、 维修、 改造的子系统内部各环节尽可能地协调起来, 专业队除使用机械外, 还要负责机械维护保养和配件, 材料消耗考核, 形成专业队管理为主的管、 用、 养、 修体制。
(2)配属制同经租制相结合, 局处两级统一掌握大型通用设备, 以租赁方式为生产服务。
(3)变单纯的行政手段管理为横向经济责任制的互相制约与联系, 使开挖、 衬砌专业生产组织形式的施工进度和经济效益同核算单位的责、 权、 利相统一。
(4)在工程队实行”百含”的同时, 在机械管理上及时采取工程队对专业分队实行五定(定人员、 定设备、 定消耗、 定质量、 定产量), 专业队对工程队实行五包(生产、 质量、 消耗、 安全、 设备完好)包定指标, 层层分解, 落实到单机和个人。
(5)在机械维修上, 实行任务到人, 机组包干。职责明确、 奖罚兑理, 保修质量同完成任务和分配严格挂钩。
2.为专业化施工服务的技术组织保证, 是加强基层力量搞好机械设备管理的基础。
3.施工机械管理的主要组织措施。
(1)以三定四包(定机、 定人, 定岗位, 包保管、 包使用、 包维修保养、 包完成任务)为主要内容的岗位责任制。
(2)开展横向经济承包责任制。
(3)强制保修和单机经济责任制。
六、 劳动组织
(一)开挖劳动组织
(1)测量划线(包括监控测量)6人
(2)钻孔(包括锚杆施工)16人
(3)装药爆破18人
(4)通风找顶洒水2人
(5)喷射混凝土24人
(6)出碴15人
(7)清理、 安装风水电、 养路等29人
合计109人
(二)混凝土衬砌劳动组织
(1)塑料防水层铺设2人
(2)混凝土工厂12人
(3)输送泵6人
(4)混凝土输送18人
(5)其它15人
(6)脱模定位7人
合计70人
七、 质量控制和安全要求
本工法除应遵循现行国家和部颁有关隧道施工、 安全、 质量、 验收规范外, 还应按照我局制定的大瑶山隧道施工操作细则、 质量标准和安全检查规程施工。为了搞好质量控制和安全要求还应进行: 
1.控制隧道超欠挖
(1)根据不同围岩情况, 选择合理的钻爆参数, 选配最佳爆破器材, 完善爆破工艺, 提高爆破质量。
(2)提高画线、 打眼精度, 特别是周边眼的精度, 直接影响超挖值, 必须按设计轮廓进行。
(3)保证周边眼间隔装药质量, 装药前应将药卷用竹片加工成药串。钻孔装药量要严格控制, 雷管不能混装, 注意炮孔口炮泥堵塞质量。
(4)在解决好控制超挖技术时, 必须有一套严格的施工管理制度来保证技术的实施。
2.喷射混凝土的质量控制
(1)喷射混凝土施工应达到的平均强度为: 
R=0.85R+1.65Sn
式中R——喷射混凝土标号;
Sn——标准差; 
(2)喷射厚度检查: 一般用钻孔、 锤钉等办法检查。
(3)检查喷层是否平顺, 有无漏喷、 离鼓、 有无裂缝, 尺寸断面是否正确等。
3.应用监控量测进行信息化施工, 及时判断不同围岩的稳定情况, 进行施工决策, 确保安全。
八、 效益分析
以大瑶山隧道为例: 
(1)施工中采用本工法大大加快了修建速度, 经对比测算, 比传统方法修建提前二年半, 可提前增加运输收入。
(2)钻爆采用光面爆破技术, 较普通爆破每立方米岩石节约2.9元左右。
(3)大瑶山隧道施工爆破技术的成功应用, 使中国隧道的施工技术达到了国际先进水平, 为中国修建隧道, 特别是长大隧道开创了一条新路。
(4)本工法施工爆破技术, 安全可靠, 在14.295km的大瑶山隧道施工过程中, 钻爆施工无一伤亡。
(5)采用全断面机械化施工和传统的分部开挖木支撑法在同类地层中进行对比, 能提高施工进度25%~35%左右。用复合式衬砌每延米用钢量有所增加, 但可节省木材55%~65%左右, 每延米成洞工天减少25%~35%左右。
(6)根据新奥法的原理, 在总结大瑶山隧道施工经验的基础上, 在Ⅰ—Ⅱ类软弱地层施工中运用本工法, 亦取得了圆满成功。
(7)本工法的施工原理, 支护结构参数、 施工方法、 施工工艺、 施工设备的选型配套, 已形成一种模式, 根据这个模式编写了《新奥法指南》, 这本《指南》已在类似地下工程、 铁路、 公路隧道中全面推广和应用, 已取得了显著的经济效益和社会效益。
九、 工程实例
大瑶山隧道全长14.295km, 在修建过程中, 全面应用了本工法。使科研关键技术成果, 直接转化为生产力。施工中采用大断面硬岩深孔爆破、 光面爆破和预裂爆破, 使开挖进尺大幅度提高; 运用光电测距导线和光电三角高程控制进行隧道控制和竖井投点, 使隧道施工测量达到了很高的贯通精度, 其误差为: 中线横向17.3mm, 为限差的4.4%, 中线高程4.6mm, 为限差的9.2%; 施工通风技术的应用, 使隧道的独头巷掘进长度达到2.76km, 而勿需设置单独的通风巷道; 应用带塑料板的复合衬砌结构技术, 发挥了围岩的承载能力; 采用大型机械化全断面、 半断面施工, 形成了破岩装运、 支护、 衬砌三条机械化作业线, 创造了较高的施工进度, 最高单口成洞217双线米, 全隧道均单口月成洞99.2双线米; 施工中采用各种超前地质预报; 多种注浆加固围岩及堵水; 全面进行施工监控量测, 信息反馈技术; 使施工中未发生较大的塌方, 创造了较高的安全生产纪录, 取得了高标准的工程质量, 工序合格率100%, 优良率84.3%。
大瑶山隧道从1981年11月开工到1987年5月贯通, 1988年竣工通车, 历时6年半, 比传统施工方法提前两年半建成, 在中国隧道史上是一个新旧的转折点, 也是地下工程修建技术一次大的飞跃。
大瑶山隧道的施工模式, 如合理选择支护结构参数和型式, 适用不同地质条件的施工方法、 施工工艺和施工设备的选型配套等, 已形成一套工法。这套工法已在类似地下工程如大广坝、 太平驿、 铜头等水电工程, 铁路如大秦线西段二十多座隧道, 军都山等数十座隧道, 公路如梧桐山、 板樟山等多座隧道中全面推广应用。
执笔: 朱 弋

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