土木工程施工

第十一章 地下工程

11.2 矿山法隧道施工

一、 隧道工程设计与施工的两大理论 在实践中人们认识到，隧道工程及地下工程的核心问题，在于开挖和支护两个关键工序。针对上述核心问题，人们提出了两大理论体系：“松弛荷载理论”与“岩承理论”。 “ 松弛荷载理论” 内容为：稳定的岩体有自稳能力，对隧道不产生荷载；而不稳定的岩体则可能产生坍塌，需要用支护结构予以支撑岩体的荷载。这样，作用在支护结构上的荷载就是围岩在一定范围内由于松弛并可能塌落的岩（土）体的重力。 “ 岩承理论” 核心内容是：隧道围岩稳定显然是岩体自身有承载能力；不稳定围岩丧失稳定是具有一个过程的，如果在这个过程中提供必要的支护或限制，则围岩仍然能够保持稳定状态。

二、 隧道工程施工的矿山法和新奥法 矿山法是岩体隧道的常规施工方法，是暗挖法的一种，其因最早应用于矿山巷道而得名。由于在矿山法施工中，多数要采用钻眼爆破进行开挖，故又将矿山法称为钻爆法。矿山法有传统的矿山法和新奥法之分。 所谓传统的矿山法，是以木和钢构件作为临时支撑，待隧道开挖成型后，逐步将临时支撑撤换下来，而代之以整体式厚衬砌作为永久支护的施工方法。 新奥法（ NATM ）是新奥地利隧道施工方法的简称，它是以既有隧道工程经验和岩体力学的理论为基础，将锚杆和喷射混凝土组合在一起作为主要支护手段，通过监测控制围岩的变形，便于充分发挥围岩的自承能力的施工方法。

三、 传统矿山法施工1 ．矿山法的施工工序及基本施工方法（ 1 ）矿山法施工程序

施工准备

确定施工方案

竣工

检查是否可撤

换

开

挖

临时支撑

检查是否需加

强

整体式厚衬砌

在执行矿山法施工程序时，应遵循“少扰动、早支撑、慎撤换、快衬砌”等基本原则。 （ 2 ）矿山法的施工工序 矿山法施工包含凿岩掘进、出渣与运输、支撑架设、支撑撤换、混凝土衬砌施作、混凝土养护等等诸多工序，总体上讲主要包括开挖、支撑、衬砌施作三个环节，一条隧道的修建，就是主要靠这三个环节不断地循环来完成的。

从图中可见，拱部衬砌与边墙混凝土衬砌有时不同时施作，根据两者的先后顺序不同，可将矿山法的施工顺序分为先拱后墙法与先墙后拱法。 先拱后墙法是，先将隧道上部开挖成形并施作拱部衬砌后，在拱圈的掩护下再开挖下部，并施作边墙衬砌；先墙后拱法是，在隧道开挖成形后，在由下至上施作模筑混凝土衬砌。 先拱后墙法施工衬砌结构的整体性较差，受力状态不好，拱部衬砌结构的沉降量较大，要求的预拱度较大，增加了开挖工作量，该法施工速度较慢，上部施工较困难，但当上部拱圈完成之后，下部施工就较安全和快速；先墙后拱法施工各工序及各工作面之间相互干扰小，施工速度较快，衬砌结构整体性较好，受力状态也比较好。 采用何种施工顺序主要由隧道围岩条件、施工进度、施工安全、经济条件等等因素综合决定。

2 ．矿山法隧道的开挖 隧道开挖按着破岩的方法来分，主要采用两种施工方式：一种是钻爆法，它适用于各类岩石地层；另一种是掘进机法（又称TBM 法），其主要适用于中硬以下岩石地层。本书主要介绍钻爆法施工。（ 1 ）隧道常用开挖方法 隧道开挖按着隧道断面不同部位的开挖顺序，主要包括全断面法、台阶法、分部法等几种开挖施工方法。

1 ）全断面开挖法。

全断面开挖法，适用于岩石坚固性中等以上、节理裂隙不甚发育、围岩整体性较好，并配有钻孔台车和高效率装运机械的石质隧道；施工时，它将全部设计断面一次开挖成型，然后再修筑衬砌。全断面开挖法的主要工序是：钻孔机械就位，全断面一次钻孔，装药连线，钻孔机械撤离，起爆，出渣，钻孔机械就位，开始下一个钻爆作业循环，同时进行先墙后拱衬砌。

2 ）台阶开挖法。

采用该法时，将设计断面分上半部断面与下半部断面分两次先后开挖成形，若上半部断面开挖超前，则称正台阶开挖法（如表 11.1 与图 11.3 所示）；若下半部断面开挖超前，则称反台阶开挖法（如表 11.1 与图 11.4 所示）。台阶法开挖便于使用轻型凿岩机打眼，而不必使用大型凿岩台车。在装渣运输、衬砌修筑方面，则与全断面法基本相同。

3 ）分部开挖法。

对于软弱破碎围岩或设计断面较大的隧道施工，一次开挖的范围要小，而且要及时支撑与衬砌，以保持围岩的稳定，此种情况下，可采用分部开挖法。分部开挖法是将隧道断面分部开挖逐步成型，且一般将某一部分超前开挖，故又称为导坑超前开挖法。常用的有上导坑法、上下导坑法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法（如表 11.1 所示）等。

在当前的施工实践中，采用最多的方法是台阶法，其次是全断面法。在大断面隧道中，单侧壁导坑法和双侧壁导坑法采用较多。由于施工机械的开发和辅助工法的采用，施工方法有向更多地采用全断面法，特别是全断面法与超短台阶法结合的发展趋势。

（ 2 ）开挖作业 隧道开挖作业（指钻爆开挖）包括钻眼、装药、爆破等几项工作内容。 钻爆设计内容包括：炮眼（掏槽眼、辅助眼、周边眼）的布置、数目、深度和角度、装药量和装药结构、起爆方法和爆破顺序等。1 ）钻眼 ① 炮眼布置。钻眼前应根据开挖断面中线、水平线和断面轮廓标出炮眼位置，经核查无误后方可钻眼。 隧道爆破通常采用掏槽爆破，即将开挖面上的炮眼分区布置和分区顺序起爆，逐步扩大形成一次爆破开挖。所处分区不同，炮眼所起的作用不同，据此可将炮眼分为掏槽眼、辅助眼和周边眼三种（如图 11.5 所示）。

a ．掏槽眼 掏槽炮的作用是将开挖面上适当部位先掏出一个小型槽口，以形成新的临空面，为后爆的辅助炮开创更有利的临空面达到提高爆破效率的作用。掏槽形式一般可分为直眼掏槽和斜眼掏槽两大类。b ．辅助眼 辅助眼的作用是进一步扩大槽口体积和爆破量，并逐步接近开挖断面形状，为周边眼创造有利的爆破条件。c ．周边眼 周边眼也是一种辅助炮眼，其目的是成型作用。周边眼爆破后使坑道断面达到设计的形状和尺寸。 ② 钻眼机具。钻爆开挖应先布置炮眼，之后用钻眼机具钻眼。钻爆掘进中常使用的钻孔机具有：风动凿岩机和液压凿岩机，其工作原理均为利用镶嵌在钻头体前端的凿刃反复冲击并转动破碎岩石而成孔。

2 ）装药 ①爆破材料。隧道工程中的爆破材料包括炸药和起爆材料。在隧道爆破施工中，使用最广的是硝铵炸药。在爆破过程中，需设置传爆起爆系统，常用的起爆材料包括导火索、火雷管、电雷管、塑料导爆管、非电雷管、导爆索、继爆管等。 ②装药结构。所谓装药结构是指继爆药药卷和起爆药药卷在炮眼中的布置形式。按起爆药卷在炮眼中的位置和其中雷管的聚能穴的方向可分为正向装药和反向装药；按其连续性可分为连续装药和间隔装药。 正向装药时，每一炮眼内从眼底向眼口的装药顺序为：先装普通药卷→次装引爆药卷→后用炮眼泥堵塞眼口；反向装药时，每一炮眼内从眼底向眼口的装药顺序为：先装引爆药卷次装普通药卷。 掏槽眼和辅助眼多采用大直径药卷在孔底连续装药。周边眼可采用小直径药卷连续装药或用大直径药卷间隔装药。

3 ）爆破。隧道爆破常采用光面爆破与预裂爆破等爆破方法。

光面爆破又称缓冲爆破法，它是通过调整周边眼的各爆破参数，使爆炸先沿各孔的中心连线形成贯通的破裂缝，然后内围岩体裂解并向临空面方向抛掷。光面爆破的分区起爆顺序是：掏槽眼→辅助眼（由里向外）→周边眼→底板眼。在完整的硬岩岩层中宜采用光面爆破法。

预裂爆破法是以预先爆破周边炮的办法，沿设计轮廓线炸出一个贯通缝，从而把开挖部分的主体岩石预其外部围岩分割开，紧随其后爆破掏槽炮和辅助炮；由于预裂面的存在，可更有效地减少后续爆破冲击波对围岩的扰动。预裂爆破法的分区起爆顺序为：周边眼→掏槽眼→辅助眼→底板眼。对于软岩或破碎岩层宜采用预裂爆破法。

（ 3 ）出渣与运输 除了导坑开挖作业外，出渣与运输是影响隧道掘进速度另一项重要作业。出渣作业包括装渣、运渣与卸渣三个环节；运输（洞内运输）工作除了包含从洞外运进混凝土拌和料、支撑、拱架、模板和轨道材料等工作外，还包括出渣任务，即在开挖面上装渣并运出洞外弃土场卸掉。出渣作业在整个隧道施工作业循环中所占时间约为 40％～ 60％，因此出渣作业能力的强弱在很大程度上影响着隧道施工速度。

1 ）装渣。 装渣工作由装渣机械来完成，装渣机械类型，按其扒渣机构形式可分为：铲斗式、蟹爪式、立爪式、耙斗式、挖斗式等几种，按走行方式分为：轨道式、轮胎式和履带式等几种方式。

2 ）运输 隧道施工的洞内运输主要包括出渣和进料两项工作。运输方式分为有轨和无轨两种，具体选用何种方式应隧道长度、开挖方法、机具设备、运量大小等确定。 无轨式运输是采用无轨运输车出渣和进料。其特点是机动灵活，不需要铺设轨道，适用于弃渣离洞口较远和道路纵坡度较大的场合。缺点是由于大多采用内燃驱动车辆，作业时在整个洞中排出废气污染洞内空气，故适用于大断面开挖和中等长度的隧道施工中。 有轨式运输是铺设小型钢轨轨道，用轨道式运输车辆出渣和进料。有轨运输大多采用电瓶车或内燃机车牵引，有少量为人力推运，采用斗车或梭式矿车运石渣，是一种适应性较强的及较为经济的运输方式。3 ）卸渣 应事先安排好卸渣场地、卸渣线路和卸渣机具等，以便洞内渣石（土）出洞后安全、有效、快速地被卸掉。

3 ．支撑

所谓支撑，是指为防止坑道开挖后因围岩松动引起坑臂坍塌而及时架设的临时支护，隧道支撑也称为临时支撑。支撑架设应严格按照临时支撑的设计进行；按规定，临时支撑的设计工作由施工方负责完成。支撑应满足如下基本要求：能及时架设、适用可靠、构造简单、便于拆装、运输方便，能防止突然失效，便于修筑永久支护，经济安全，能多次周转使用等。木支撑、钢支撑、锚杆支撑、喷射混凝土支撑是几种主要的支撑类型。根据开挖与支撑之间的顺序关系，支撑包括了先支后挖（适用于Ⅰ、Ⅱ类围岩）、随挖随支（适用于Ⅱ、Ⅲ类围岩）及先挖后支（适用于Ⅳ类以上围岩）等几种方式。

4 ．衬砌 在开挖坑道进行临时支撑后，为防止围岩不致因暴露时间国长而引起风化、松动和塌落的发展，降低围岩的稳定性，需要尽快修筑衬砌。衬砌兼起长期防护和支撑作用，故其又称永久支撑。 衬砌按衬砌材料分类有：石砌衬砌、模筑混凝土衬砌、喷射混凝土衬砌和锚喷衬砌等；按隧道断面形状分类有：直墙式衬砌、曲墙式衬砌和带仰拱封闭的曲墙衬砌。 隧道工程及地下工程中常用的支护衬砌形式主要有：整体式衬砌、复合式衬砌及锚喷衬砌。复合式衬砌是由初期支护和二期支护所组成，初期支护的作用是帮助围岩达成施工期间的初步稳定，二期支护作用则是提供安全储备或承受后期围岩压力，复合衬砌常用于新奥法施工。整体式衬砌即为永久性的隧道模筑混凝土衬砌，其常用于传统的矿山法施工。本文主要介绍整体式衬砌施工。

四、 新奥法的基本原理

新奥法是矿山法（指广义矿山法）中的一种，它既不是独立的设计方法，也不是独立的施工方法，而是以新发展的施工技术（喷射混凝土、锚杆等）为依托的、将设计、施工和量侧融为一体的技术方法。 在修筑隧道时，对钻爆法而言，新奥法要求采用光面爆破的开挖方法，支护手段主要是锚杆加喷射混凝土，支护时机则根据现存量侧的围岩变形结果来确定。光面爆破、锚喷支护和现场量侧被称为新奥法的“三大支柱”。