隧道开挖方法及其施工技术要点分析.pdf

-施工技术与测量技术 隧道开挖方法及其施工技术要点分析 董 宁，辜文凯(中铁二局第二工程有限公司，t J l l 成都 6 1 0 0 9 1)【摘要】对隧道开挖方法进行了归纳分类，对钻爆法类不同开挖方法的适用条件、技术要点、设备配 置、进度 指标进行 了分析总结，提 出了开挖 方法的确 定、调整依据。【关键词】隧道开挖；方法；技术；要点 【中图分类号】T U 4 5 5 2 隧道统称地下通道。按其使用功能不同，可分为交通隧 道、水工隧道、矿 山隧道、管线布置隧道；按其所处的位置不 同，可分为山岭隧道、跨海隧道、越江隧道；按其埋置深度的 不同，可分为深埋隧道、浅埋隧道。隧道的断面净空尺寸及 几何特征是由其使用功能和所处的特殊地质环境确定的，其 施工开挖掘进方法选择的重要依据也是其断面净空尺寸和 地质条件。隧道开挖是施工的重要工序，开挖方法的选择不 仅决定隧道的施工进度，而且严重影响到施工安全，科学合 理 的选择隧道开 挖方 法十分重 要。1 隧道开挖方法分类 隧道开挖掘进方法分机械掘进与钻爆开挖两大类。其 中机械掘进有 T B M、盾构两种方式，钻爆法开挖分全断面法、台阶法，其中台阶法又分二台阶、三台阶及三台阶预留核心 土法，其它主体方法还有 C D、C R D法、双侧壁导坑法、中洞 法。本文重点讨论钻爆发开挖常用方法的适用条件极其技 术控制要点。隧道开挖方法见图 1。隧 道 开 挖 方 法 机械掘进法t T盾B构M法 钻爆法 全断面法 二台阶法 台阶法 主 薯 留 核 心 土 法 L 三台阶七步开挖法 中隔壁法(C D法)交叉 中隔壁法(C R D法)双侧壁导坑法 中洞法 图 1 隧道 开挖 方 法分 类 2 各类钻爆开挖方法的适用条件及其技术要点 2 1全 断 面 法 2 1 1 全断面法的适用条件 全断面开挖法是指按隧道设计轮廓线将其一次爆破成 型，再进行下一步工序施工。其适用条件包括较好的围岩级 别和适度的开挖断面。而围岩级别低，其 自稳性差，若采用 全断面开挖必须先行预加固，对施工进度和效益并无益处；断面面积过大，不但对钻爆设备性能有特殊要求，而且起爆【文献标识码】B 顺序复杂，雷管段位多，超过常用段位需要生产厂家特制，费 用较高，一次起爆药量大，对围岩的扰动较大。对水工隧道 来讲，松动圈过大，不但对结构的耐久性有影响，而且加大固 结灌浆费用。从施工实践来看，只要满足以下两条件即可考虑采用全 断面开挖：隧道 围岩为 I、级；设计断面不大于 1 2 0 m 。另外断面面积小于6 0 m 的级围岩隧道也可考虑采 用全 断面开挖。2 1 2全断面法的技术要点 (1)地质复核。只要隧道围岩条件许可，工程项 目采用 全断面开挖比较普遍，但是仅仅根据施工图提供的围岩条件 决定开挖方法存在较大的风险，因为全断面开挖对围岩扰动 较大，一旦围岩变化而不改变施工方法必然导致事故发生。为此在全断面开挖掘进中有必要开展掌子面地质素描和超 前地质预报，掌握隧道围岩实际情况，适时复核围岩级别，一 旦出现围岩级别与设计相差较大，需要及时修改开挖方法，减小循环进 尺。(2)钻爆方案设计与优化。全断面开挖的另一技术要点 是钻爆设计。钻爆质量的好坏对施工进度影响巨大，而钻爆 方案的设计不是一成不变的，爆破参数需要在实施过程中不 断优化调整，因此方案的设计和优化是动态的。但是许多项 目现场别说动态设计了，连基本的爆破方案也没有，全凭开 挖工的施工经验。经验丰富的，爆破质量高；经验欠缺的，不 但进尺差、爆碴大块率多，连续补炮，有的连成型都困难，严 重影响施工进度，因此爆破设计是全断面开挖的技术要点。钻爆方案设计 内容包括：掏槽形式确定，炮孔布置(孔眼参 数)、数量、深度、角度，装药量与装药结构，起爆方法与起爆 顺序。其中孔眼参数与装药量、装药结构需要在钻爆施工过 程中不断修正和优化。(3)循环进尺与步距规定。循环进尺需要根据围岩级 别、断面尺寸、设备配置条件确定，采用全断面开挖，I、级 围岩进尺不得大于3 5 m，II I 级围岩不得大于 2 5 m；仰拱开 定稿 日期 2 0 1 20 4 2 0 作者简介 董宁，高级工程师，主要从事隧道及地下工 程施 工技 术研 究。四川建筑第 3 2卷 6期2 0 1 2 1 2 1 6 7 万方数据施=l=技术与测搜术 j 挖一次开挖长度，级围岩规定为 1 2 m，l l I 围岩为6 m；仰拱 作业面距开挖掌子面距离规定，采用全断面开挖的 I、级围岩不大于9 0 m；距开挖掌子面最近的衬砌端头距离，在 无不良地质情况下，、级围岩均不得大于2 0 0 m。2 1 3 全 断面开挖施工 的设备配置及 进度 指标 近年来，由于通风设备性能的改进促进了通风技术的进 步，长大隧道施工不再采用无轨运输通风方式，只要围岩条 件许可或通过有效支护后能够采用全断面开挖的均采用全 断面开挖，为大型设备进洞施工创造条件。随着工程机械技 术的不断进步，隧道施工的各个工序均能实现机械化或半机 械化作业，特别是全断面开挖施工方法，各个工序 已能实现 完全机械化作业，其主要设备及效能简介如下。凿岩钻孔台车：主要用于打炮孔、超前预报探孔、锚杆 孑 L。现场最常用的以进 口设备为主，主要型号有阿特拉斯、汤姆洛克两大系列，隧道施工采用阿特拉斯钻孔台车居多，其性能稳定，钻孑 L 效率高，最高速度能达到2 03 O m h。但 进 口台车价格昂贵，维修费用高，特别在渗漏水较大的隧道，控制电脑出现故障的频率较高，一旦出现故障必然影响到几 天的进度，加之目前国内劳动力廉价，许多项 目任然以采用 手持风动钻机钻孔 Y T系列的居多。而在安全风险较高的隧 道，一般采用凿岩电脑台车施工。锚杆台车：锚杆台车具有钻孔、安装锚杆、灌浆功能，属 于一体机。进口设备还是以阿特拉斯、汤姆洛克系列为主，一般在长大隧道或地质复杂的高风险隧道配置。混凝土喷射手：长大隧道或地质复杂的高风险隧道，为 确保施工进度，均需要配置混凝土喷射手。目前国内常用的 混凝土喷射手为麦斯特系列，生产能力可达到 2 5 m h。挖、装、运设备：挖掘机主要用于爆破后找顶、刷帮、挖齐 头(清除掌子面危石)，装载机采用正装侧卸式，双线隧道在 洞内一般配两台同时作业，出碴运输设备采用大型自卸车，常采用斯太尔或红岩系列，载重 2 5 t 以上。采用全部断面开挖，工序简单，设备配套、爆破技术可 行，则月进度在 1 8 0 2 4 0 m。2 2台阶 法 2 2 1 台阶法开挖的适用条件(1)台阶法定义。台阶法开挖是将隧道设计断面分成两 次或三次开挖，上台阶超前一定距离，超前长度大于 5 0 m或 5倍洞径以上叫长台阶开挖；上下台阶并进，台阶长度仅 3 5 m 临时支护或衬砌快速闭合，叫微台阶开挖。(2)台阶法的适用条件。台阶开挖法是隧道施工中采用 最广泛的方法。、级 围岩适 用二 台阶法 开挖，也可采用 全断面开挖，究竟采用哪种开挖方法，不仅仅取决于围岩的 级别，还需要考虑开挖断面的大小是否与施工设备匹配，围 岩的稳定情况，施工进度要求与施工习惯等因素。断面过大 对施工设备要求较高，一次起爆用药量也很大，对围岩的扰 动较大，同岩稳定时间短，这种情况一般不采用全断面而采 用 二台阶开挖。、V级围岩在采用型钢拱架和锚、网喷等有效支护后 采用三台阶或微台阶开挖。微台阶开挖法也用在变大跨为 小跨 的大断面隧道分部开挖施工中。1 68 三台阶和微台阶开挖方法由于受作业空间限制，工序相 互干扰大，进度慢，且不适合用大型设备施工，很少有项 目 采用。三台阶预 留核 心土开挖 法和 i台阶 七步 开挖法均 适合 V级 围岩 的土层、沙砾 石地层 隧道开挖，以人工开挖为主 2 2 2台阶法技 术要点 (1)台阶长度：台阶长度及步距，确定台阶长度需要考虑 围岩地质条件，支护封闭时间，大型设备施工所需空间，相关 技术文件及技术指南特别要求。、级围岩隧道以采用长 台阶开挖为多，台阶长度多在5 0 m以上，这样前后工序有足 够的空间，不会造成工序干扰。级围岩由于 自稳时间短，要求支护快速封闭，常采用短台阶施工，台阶长度在 2 5倍 洞径，、V级围岩也可采用微台阶开挖，台阶长度3 5 m。(2)支护要求：、V级围岩一般都设有型钢或钢筋格栅 拱架，拱架分单元段加工，现场螺栓连接安装，上下台阶的拱 架安装时必须要求足够的净空，确保上下拱架段安装精度。严禁街头错位而采用钢筋搭接，严禁减少每榀拱架之间的纵 连钢筋和拱架锁脚锚杆。喷射混凝土必须将拱架全覆盖。(3)爆破技术要求：对采用台阶法施工的硬岩隧道，需要 进行爆破作业。为了尽可能地减少爆破对已完成的上台阶 支护体系的影响，下台阶必须采用控制爆破。(4)三台阶预留核心土开挖法和三台阶七步开挖的技术 要点：超前小导管支护，环形开挖，预留核心土防掌子面失 稳。预留核心土的长度控制在4 I n左右，中台阶或下台阶左 右开挖时，应错开2 3 m，落底后应立即组织仰拱施工，临时 支护及时封闭。2 2 3 台阶法开挖施工的设备配置及进度指标(1)二台阶法开挖施工其台阶高度能满足大型机械设备 作业要求，设备配置与全断面开挖相同，施工进度在 1 0 0 1 5 0 m。(2)在采用三台阶法或微台阶施工时，由于第一台阶高 度受限，第一台阶钻孔、装碴、喷混凝土无法采用大型设备全 部完成，需要配置小型设备同时人工配合作业，这样就难以 发挥大型设备的优势。因此采用三台阶开挖方法施工，可以 配置大型设备，但同时需要小型设备与之配合，小型设备主 要是上台阶的钻爆设备、出碴设备、喷混凝土设备。微台阶 开挖除钻爆设备外，可配置与全断面开挖相同的设备。i台 阶或微台阶开挖月施工进度指标在6 0 8 0 m。(3)三 台阶预 留核心 土法或 三台阶七 步开挖法，除 开挖 和翻碴采用小型设备加人工辅助施工外，装运、喷、锚均可采 用与全断面相 同的大型设，月进度在 6 0 m左右。2 3中隔壁法(C D法)2 3 1 中隔壁 法的定义 中隔壁法即为分部台阶法，将隧道开挖面分为左右两部 分，先在隧道一侧自上而下分层开挖，完成初期支护，当喷射 混凝土达到设计强度的7 O后，按同样的方法开挖另一侧。中隔壁法的核心就是在开挖另一侧时保留中问的型钢拱架 加网喷混凝土支护，这样即形成中隔壁，同侧采用台阶法开 挖时视支护 内力及变形情 况增设仰拱，因此支护不一定 闭合。四川建筑第 3 2卷 6期2 0 1 2 1 2 万方数据_j 施工技术与测量技术j j 2 3 2 中隔壁法的适用条件 中隔壁法适用于部分级围岩和全部 V围岩，大型填充 型断层段，残、坡积层隧道洞 口段，浅埋大跨隧道，地表建筑 复杂、沉降要求极高隧道。呈块状但裂隙填充物少的硬质 级围岩，不适合采用中隔壁法，这类围岩一般采用弱爆破效 果差，采用常规爆破则破坏临时支护，中隔壁无法失去作用，反而形成施工安全隐患。2 3 3 中隔壁法的技术要点(1)爆破技术要点：采用 C D法施工的级围岩，确需要 爆破开挖的，必须遵循“弱爆破、短进尺”原则，对一次起爆药 量 进行严格控制。(2)支护技术要点：先行侧的中隔壁钢支撑应加工成 外鼓弧形，弧度的大小随净空高度而定，不宜过大。单元长 度的划分应方便人工安装，不宜太重，连接形式一般都考虑 栓接，必须在胎架上加工单元并组装试拼连接件，连接板栓 孔不得用氧乙炔枪随意切割，防止栓、孔间隙过大导致节点 刚度减小。安装间距必须符合设计要求，拱脚不的悬空，纵 连钢筋和锁脚锚杆严禁偷工减料，喷射混凝土必须覆盖型钢 拱架。超前小导管必须按设计布置，严禁不按设计要求注 浆。注浆施工必须有工程技术人员现场值班，做好注浆记 录，发现进浆量、压力出现异常需要及时分析原因，必须安装 反流止浆塞。台阶开挖过程中，若发现支护内力较大，洞 周变形速率快，可增加临时钢支撑。(3)监测技术要点：必须编制监测专项方案。监测内 容包括支护内力，特别是在第二部分开挖过程中的中隔壁的 内力变化情况，拱顶沉降及地面沉降，洞室收敛。必须有明 确的预警值，设计没有给定预警值时，可根据施工规范及技 术指南设置。必须设置专业的监测队伍。必须按施工 规范和或技术指南规定的监测频率开展工作，及时分析数 据，反馈信息。(4)变形控制技术要点：各部是采用二台阶还是三台 阶开挖应根据地质条件，所用的机械设备，断面的大小确定，台阶步距控制在 3 5 m。不论采用爆破辅助开挖还是采 用人工或机械开挖，循环进尺不得大于 1 5 m钢拱架间距。左右两侧掘进距离控制在 1 52 0 m。滞后部分开挖落底 后必须尽快安装仰拱型钢拱架，在最短时间内将临时支护封 闭。中隔壁的拆除长度必须通过模拟分析在监测数据指 导下进行，同时要考虑防水板铺装、钢筋安装、衬砌三道工序 能平行作业，若分析结果不能满足三道工序平行作业要求，则只能将其中两道工序断续作业。2 3 4 中隔壁法开挖施工的设备配置及进度指标 采用中隔壁方法开挖施工，由于作业空间有限，无法采 用大型机械设备，常采用小型设备加人工辅助施工。需要爆 破作业的钻孔采用 Y T 2 8风钻，不需要爆破的采用风镐开挖，也可采用 D s系列小型挖掘机开挖。出碴采用人力推车或小 型翻斗车。喷混凝土一般采用 T K系列湿喷机。采用中隔壁 法开挖施工月进度指标在 6 0 m左右。2 4交叉 中隔壁 法(C R D法)2 4 1 交叉中隔壁法的定义 交叉中隔壁法与中隔壁法相似，是在中隔壁法的基础上 改进发展的开挖工法，其核心技术是将隧道左右分部、上下 分层循序开挖。上部按台阶法左右循序掘进，再交叉先左后 右开挖下台阶，每开挖一部既单独将支护闭合成环，即左右 交换，步步成环开挖技术，这也是交叉中隔壁法(C R D法)与 中隔壁法(C D法)的本质区别。2 4 2 交叉中隔壁法的适用条件 交叉中隔壁法适用于浅埋、大跨、软弱围岩隧道，对控制 变形和地面沉降要求很高的城市地铁暗挖隧道具有较强优 势，适合围岩级别为部分级、V级。2 4 3交叉 中隔壁法的技术要点(1)分部分层原则：应根据围岩条件、特性、断面大小划 分，既要考虑围岩变形时空效应，又要考虑支护受力要均匀，同时能充分发挥人、机效率，最常见的是左右分两部，上下分 三层。(2)支护技术要点：先行开挖的临时钢支撑都必须加 工成具有一定弧度的钢支撑单元，其加工与安装技术要点与 中隔壁法相同；要根据围岩变形时空效应控制各部开挖速 度，尽快施作仰拱，及时封闭成环；及时对掌子面进行喷射 混凝土封闭，防止掌子面失稳；其它支护技术要点与中隔 壁法相同。(3)监测技术要点：中隔壁临时型钢支撑承受较大压力，特别是滞后部分开挖后压力变化明显；拱肩承受较大的拉 力。对临时支护内力的监测是交叉监测技术要点与中隔壁 法相 同。(4)变形控制技术要点：支护封闭成环时间的早晚，对 洞周变形有明显影响，封闭越晚变形越大；合理确定循环 进尺和施工步距，开挖循环进尺过大，会导致地表沉降和支 护内力出现瞬时峰值。台阶过长会出现变形累计，台阶过短 对掌子面稳定不利。台阶的长短与隧道围岩岩土特性有关，同时根据监控量测数据适时调整。从一些工程时间来看，同 层间循环步距一般控制在 3 5 m，左右两侧步距一般控制在 1 0 1 5 m；初期支护背后松动层应及时进行回填注浆。虽 然采用 C R D法施工的隧道在开挖之前都进行来了超前预注 浆，但在开挖和支护施工过程中，围岩受到了一定程度的扰 动，导致围岩与支护不能联合受力，因此应及时进行低压回 填注浆。注浆时间滞后支护作业 1个循环；严格控制首部 开挖引起的拱顶沉降。对有关工程项目的监测数据统计发 现，首部开挖引起的拱顶下沉站到施工过程中拱顶下沉总量 的3 0 4 0。因此对要控制施工过程 中的总下沉量，控 制首部拱顶下沉量是关键步骤；型钢支撑必须具有足够的 刚度，特别是单元节点刚度必须按等强度设计，其次必须要 保证型钢支撑的安装质量，安装轴线顺畅，不得减少节点螺 栓、锁脚锚杆、型钢支撑间连接钢筋、临时垫板；渗漏水必 须及时抽排疏干，局部不得积水；在二衬施工前严禁随意 拆除中隔壁和临时仰拱，施工二衬时拆除中隔壁和临时仰拱 的长度必须通过数值分析后结合监控量测信息确定，必要时 应适当减小一次衬砌模注长度。2 4 4交叉 中隔壁 法开挖施工 的设备配置 与进度指标 交叉中隔壁法开挖施工设备与中隔壁法配置基本相同，月进度指标在 4 0 6 0 m。四J I l 建筑第 3 2卷 6期2 0 1 2 1 2 1 6 9 万方数据施工技术与测量技术 2 5双侧壁导坑 法 2 5 1 双侧壁导坑法的定义与适用条件 双侧壁导坑开挖法是先开挖隧道两侧导坑，及时完成支 护后再视围岩岩土特性、断面大小按二或三台阶开挖剩余部 分的施T方法，其核心技术任然是变大跨为小跨的分部正台 阶施工方法。双侧壁导坑开挖法主要适用于浅埋大跨 V、级围岩的开挖，在开挖两侧导坑时，若有必要还可施作边墙 二衬，这样可以节约部分临时支护措施。2 5 2 双 侧壁导坑 法的技 术要点 (1)导坑断面特性与大小：导坑形状应近似椭圆形，宽度 为隧道开挖断面宽度 1 3，高度为宽度的2倍左右。(2)开挖与支护技术要点：两侧壁导坑可独立同步采用 短台阶开挖，中部应滞后侧壁 1 01 5 m采用正台阶开挖，各 部在开挖循环过程中必须及时施作支护，尽早将支护封闭成 环。拱部型钢支撑与侧壁型钢支撑的连接是施工难点，同时 也是受力关键部位，因此在侧壁导坑钢支撑施工时两侧必须 准确定位，确保全断面钢支撑能在同一垂直面内，降低拱部 钢支撑的安装难度，避免钢支撑发生扭曲。支护的其它技术 要点与交叉 中隔壁法相同。(3)变形控制技术要点：双侧壁导坑开挖变形控制技术 要点主要还是支护施工质量控制和开挖步距控制。支护施 T质量控制与交叉中隔壁开挖方法相同，开挖步距也是影响 变形的重要因素。导坑和中部开挖台阶一般控制在3 5 m，掌子面未经加固稳定时间较短时，台阶长度可取大值。侧壁 导坑超前中部开挖步距一般控制在 1 01 5 m，步距过大，型 钢支撑迟迟不能封闭，导致变形累积，过小会影响工序正常 施工。中部开挖落底后及时施工临时支护，二衬滞后中部不 得 大于 3 0 f n，并视监测数据情况及时调整。2 5 3双侧壁导坑法的技术要点 双侧壁导坑法开挖施工设备与中隔壁法配置基本相同，月进度指标在 4 0 6 0 m。2 6中洞 法 2 6 1 中洞法适用条件 中洞法主要适用于连拱隧道开挖，在浅埋大断面软弱围 岩隧道也可采用中洞法开挖，但与 C R D法相比较，其支护受 力不明确，工序更复杂，除连拱隧道外很少有工程采用。2 6 2中洞法技术要点(1)导洞位置与断面尺寸要点：中导洞的位置位于连拱 隧道中墙位置，断面形式为马蹄形，高度应比中墙高 11 5 m，导洞 中线两侧宽度 比中墙断面宽 2 m，若考虑开挖 与中墙 混凝土施工同步平行作业，可适当加宽。(2)中洞两侧剩余部分视情况采用台阶法或侧壁导坑法 开挖，其技术控制要点与前述方法相同。3 结束语 近年来，隧道施工出现了较多的责任事故，究其事故的 原因，诚然有许多管理方面的不足，但因施工方法选择不当 导致的事故也时有发生，为此对施工方法的选择及技术控制 要点有必要进行梳理和总结。由于隧道工程地质复杂，加上 设计阶段的地质勘探工作不够细致，设计者根据地质资料依 瓢画壶，会导致施工图设计给定的地质情况与实际情况有较 大出入，当围岩级别已发生较大变化而施工方法没有适时调 整，势必导致事故发生。因此隧道施工不仅仅只针对施工图 提供的各洞段围岩条件制定与之相适应的施工方法，而且应 将超前地质预报，地质复核工作纳入施工工序，提前做好 施工方法的转换和工序衔接。参考文献 1 叶英 隧道施工超前 地质预报 M 人民交通出版社，2 0 1 1 2 王梦恕 地下工 程浅埋 暗挖技术 通论 M 合肥：安徽教 育 出 版社，2 0 0 4 3 T B 1 0 3 0 4 2 0 0 9铁路隧道工程施工安全技术规程 s ；不 不 謇 不 不 爷 乖 乖 乖 乖 乖 吻 纫 袜-幺 环 乖 秘 坏 乖 钎(上接第 1 6 6页)求要熟悉和掌握，保证材料(橡胶止水带、密封膏、钢板)在实际施工过程中达到设计要求。3 结束语 通过对这个lT程变形缝渗漏的处理，笔者体会到防止地 下室渗水不光是着眼大面积的防水措施、防水层的施工质 量，还更要注重细节处理。现在主流的防水措施是卷材或涂 料与防水混凝土相结合，已是很成熟和可靠的工艺了。地下 室防水的薄弱环节是在一些特殊部位，如变形缝、后浇带、外 墙的水平施工缝，一般出现渗漏情况的也是这些部位。设计一般也很重视这些部位的防水处理，在施工这些环 1 7 0 节必须高度重视的是如何保证设计意图在施工中完全实现，这就要求在施工前充分了解各种材料的性能，合理安排好施 工工序，提前制定好保护措施。如果发现设计采用的防水处 理措施在具体工程实施时受客观条件影响，施工无法达到其 要求，应提前与设计 探讨更 为可 行、完成后质 量有保 证 的防 水处理方法，以达到防患于未然，将可能出现的渗水隐患完 全避免。如果不管有没有相适应的施工方法来满足设计要 求，盲 目按图施工，出现问题后再来采取补救措施，总是会留 下遗憾。四J I I 建筑第 3 2卷 6期2 0 1 2 1 2 万方数据隧道开挖方法及其施工技术要点分析隧道开挖方法及其施工技术要点分析作者：董宁，辜文凯作者单位：中铁二局第二工程有限公司,四川成都,610091刊名：四川建筑英文刊名：Sichuan Architectural年，卷(期)：2012,32(6)本文链接：http:/