第6部分——坚硬围岩的隧道施工

1、1坚硬围岩的隧道施工2一、隧道施工的理论基础1、 隧道施工的核心问题 开挖：如何开挖才能有利于洞室稳定和便于支护。 支护：如何支护才能保证洞室稳定和便于开挖。2、 围绕核心问题有两种理论体系 松弛荷载理论（20年代）：稳定的岩体有自稳能力，不产生荷载，不稳定岩体则可能坍塌，需要支护，支护的荷载为围岩的松弛荷载；该理论代表人物：泰沙基，普氏。 岩承理论（50年代）：围岩稳定是岩体自身有承载能力，不稳定围岩丧失稳定是有一个过程的，如果这个过程中提供必要的限制，则围岩仍然稳定。 3松弛荷载理论岩承理论认识围岩有一定承载力，但极可能因松弛而失稳，从而对支护结构产生荷载。围岩是可能松弛而失稳，但松弛过程

2、仍有一定的承载力，对其尽可能保护、利用，视围岩为三位一体特性。力学原理土力学：视围岩为散粒体，计算荷载大小及分布。结构力学：支护为承载结构，检算内力，使之合理。建立荷载结构模型。岩体力学：视围岩为应力岩体，计算应力应变状态，支护为边界条件，检算其效果。建立岩体力学模型。工程措施支护分部开挖，临时支撑，成形后用整体式衬砌，去掉临时支撑。锚喷作为初期支护，控制围岩松弛，初衬为承载结构的一部分与二衬构成复合式衬砌。开挖分部开挖以便支撑施作，钻爆法或中小型机械掘进。大断面开挖，以减少对围岩的扰动，钻爆法或大中型机械掘进。优缺点直观，易理解，工艺简单易操作围岩松散或有水时需满铺背材，拆临时支撑麻烦，不安

3、全。锚喷支护适应性强，工艺复杂，对量测要求高；围岩松散或有水时，需要采用辅助工法，初衬无需拆除，施工安全，支护结构受力好。理论要点(1)开挖后围岩松弛，但坍塌是偶然的，故应准确判断各类围岩坍塌可能性；(2)即使不坍塌，松弛同样有荷载；(3)保证稳定，根据荷载设计临时支撑和永久结构；(4)施工时尽量避免松弛和坍塌。(1)围岩是主要承载部分，施工中应尽量保护；(2)支护仅对围岩起约束作用，既应允许围岩有变形，以发挥围岩承载力，又应阻止变形过度而失稳，故初期支护应为柔性结构；(3)以量测进行施工监控；(4)支护结构应早封闭，全面约束围岩。4二、新奥法施工基本原则及程序 1、基本原则 (1)少扰动：减

4、少扰动次数、强度、范围和持续时间（钻爆法施工时严格进行控制爆破、尽量用大断面开挖、短进尺、支护紧跟而缩短围岩应力松弛时间）； (2)早喷锚：使围岩不致因过度变形而失效，变形适度发展，充分发挥围岩自承能力； (3)勤量测：评价围岩稳定状态，判断其动态发展趋势，及时调整开挖及支护； (4) 紧封闭：喷锚封闭，避免岩石长时间暴露而强度衰减，阻止围岩过度变形。 5三、开挖方法 基本原则：在保证围岩稳定前提下，选择恰当开挖方式，尽量提高掘进速度。 按开挖隧道断面分类：全断面法，台阶法和分部开挖法。 即：以安全为前提，综合考虑工程地质及水文地质条件、围岩类别、埋置深度、断面大小、施工机械、经济、工期等。

5、当隧道施工对周围环境产生不利影响时，环境条件业作为选择施工方法的因素之一。如：城市地铁对地表沉降要求严格控制；地下水流失对居民用水产生影响时。6 （1）长台阶法。上台阶一般50m以上或大于5倍洞径，上下步可采用同类机械平行作业。 优缺点：干扰少、机械配套、通风和测量工作简单、可进行单工序作业，但要求围岩稳定性较好。 （2）短台阶法。上台阶长度小于5倍大于11.5洞径。 优缺点：可缩短仰拱封闭时间，利于开挖面稳定，但上下台阶作业干扰较大。 （3）超短台阶法。上台阶长度仅35m，适用于机械化程度不高的地段。 优缺点：断面闭合较快，利于开挖面稳定，但上下台阶作业干扰很大。7（二） 爆破材料 (2)

6、爆速：爆轰波在炸药内部的传播速度，一般密度越大，爆速越大； (3) 爆力：炸药爆炸时对周围介质作功的能力； (4) 猛度：炸药爆炸后对与之接触固体的局部破坏能力； 1、 炸药 炸药的主要性能为： (1) 敏感度（感度）：炸药爆炸对外能的需要程度，包括：热感度、火焰感度、机械感度、爆轰感度； 8 (5) 殉爆距离：一个药包爆炸后，能引起与之不相接触的邻近药包爆炸的最大距离；被动药包殉爆主要是主动药包爆炸后的冲击波引起。在设计装药结构时很有用，采用柱面状间隔装药，但药卷间距不得大于殉爆距离。 2、 工程中常用的炸药 (1) 铵梯炸药：无瓦斯隧道中使用，简称岩石炸药，其中2号岩石炸药最常用；有瓦斯隧

7、道中使用，为煤矿炸药，在岩石炸药中加食盐消焰。 9 (2) 水胶炸药：抗水性强，常用于水下爆破，含水量大，爆温低，安全； (3) 乳化炸药：硝酸铵，硝酸钠水溶液与碳质燃料通过乳化作用，形成乳脂状混合炸药。 (4) 硝化甘油炸药：抗水性强，密度大，爆炸威力大，适用于有水和坚硬岩石爆破，但敏感度高，安全性差，价格贵。 隧道工程常用的炸药直径2240mm，长165500mm。10（三） 爆破方法 1、 石质隧道爆破机理 岩石隧道钻眼爆破应满足条件： (1) 开挖轮廓成型规则，岩面平整，超欠挖量符合规定； (2) 爆破对围岩的扰动破坏小，以保证围岩稳定； (3) 爆破后石碴块度适中，符合装碴作业要求；

8、钻眼工作量小，炸药、爆材消耗小； (4) 防止对周围设备的破坏，减少对环境尤其是水的污染。11 2、 爆破参数 (1) 炸药用量： Q=k L S 式中：k为炸药单耗kg/m3，L为掘进长m，S为面积m2，k=0.72.5kg/m3。 (2) 炮眼直径D：不偶合系数=D/ ，应控制在1.11.4之间，对掏槽眼及辅助眼应用较小值，对周边眼应用较大值。 (3) 炮眼数目N： 式中：装药系数，为药卷总长度与炮眼长度比值；-药卷单位长度质量kg/m；q单孔平均装药量，q=L。12 (1) 掏槽眼布置：作用是先在开挖面上掏出一个小型槽口，以形成临空面。掏槽形式有斜眼掏槽和直眼掏槽。 斜眼掏槽：锥形、楔形

9、、爬眼。斜眼掏槽优缺点：可按岩层情况选择掏槽方式和角度，易把石碴抛出，掏槽眼个数少，但施工不便； 3、 炮眼布置 三种炮眼：掏槽眼，辅助眼，周边眼。13 直眼掏槽：大直径中空孔、双临空孔、三临空孔、单临空孔。直眼掏槽优缺点：可用多机同时钻眼，施工速度快，石碴抛掷距离短，但炮眼个数多，炸药单耗大，位置及方向要求精度高。中空眼的作用：提供临空面。经验：3.5m进尺，双空孔最优；3.55.5m深孔，三空孔最好；3m浅孔，单空孔较好。 (2) 辅助眼布置：作用是进一步扩大槽口；主要解决炮眼间距E和最小抵抗线W问题，一般取E/W=0.60.8，爆破时由内向外逐层布置，逐层起爆。 14 4、 光面爆破和预

10、裂爆破 (1) 光面爆破：通过调整周边眼的爆破参数，使爆炸先沿各孔的中心连线形成贯通破裂缝，然后由爆炸气体的作用，使裂的岩体向洞内抛射。 (2) 预裂爆破：实质上也是光面爆破的一种，爆破原理同光面爆破，只是分区起爆顺序不同，起爆顺序是周边眼掏槽眼辅助眼底板眼；孔间距E，预留内圈岩层厚，药量均较光面爆破小，但周边眼数量大。 15 5、 装药结构 指药卷在炮眼中的布置形式。 (1) 按方向分： 正向装药：起爆药卷放在眼口第二个药卷位置，聚能穴向眼底，用炮泥堵眼口； 反向装药：起爆药卷放在眼底第二个药卷位置，聚能穴向眼口； (2) 按连续性分： 连续装药：掏槽眼和辅助眼多用大直径药卷孔底连续装药；

11、间隔装药：周边眼可用小直径药卷连续装药或大直径药卷间隔装药。 16 6、 起爆顺序及时差 由内向外逐层起爆，起爆顺序可用迟发雷管的不同延时来实现； 各层炮眼之间的起爆时差越小，爆破效果越好，常用微差爆破为40200ms； 同层炮眼必须同时起爆； 延期时间可由孔内控制，也可由孔外控制，孔内延时用的较多。 17第八部分 坚硬围岩的隧道施工（2）18一、 光面爆破和预裂爆破 隧道施工中，采用光面爆破和预裂爆破的主要原因是控制爆破对遗留岩体的损伤，其重要标志就是控制隧道的超欠挖。目前由爆破造成的超欠挖，是个严重而普遍的问题。它对隧道施工速度和成本有着不容忽视的影响。在超欠挖严重的情况下，对坑道的稳定性

12、也会产生一定的影响。由于爆破引起的超欠挖虽然是不可避免的，但是可以控制的，良好的爆破技术可以使超欠挖控制在一定的水平之内。因此，研究和实施控制超欠挖的技术是十分必要的。 以设计的隧道开挖轮廓线为基准，实际开挖获得的断面在基准线以外部分称为超挖，在基准线以内的部分则称为欠挖。 19 根据对近百座隧道的调查和统计，在采用矿山法（钻爆法）施工的隧道中，平均超挖值为38.7cm，最大达到76cm。采用控制爆破技术后，平均超挖值已减小到1620cm，而且开挖表面的平坦性也得到了较大的改善。但仍然有不少隧道的超挖值达到30cm左右。即使象隧道施工技术水平较高的国家，也仍有不少隧道的平均超挖达到2530cm

13、 。 根据研究和调查的结果，影响超欠挖的因素可以归纳为以下几点： 1、钻孔精度； 2、爆破技术； 3、施工组织管理； 4、测量划线； 5、地质条件变化； 6、其它。20 解决方法与途径： 1、改变“宁超勿欠”的传统观念 在控制超欠挖技术的研究中，首先应改变观念，即 必需改变“宁超勿欠”的传统观点，树立“少欠少超”的观点。也就是说，应容许一定程度的欠挖，例如，日本在隧道施工中，基本上容许概率为16的欠挖。即在开挖断面上取100个点，有不超过16个点的超挖就可以了。这样就可以避免开挖轮廓线的无谓扩大，而使超挖得以减少。例如，铁路隧道施工规范（TB 10204 200）规定：当围岩完整、石质坚硬时，

14、容许岩石个别突出部分（每1m2不大于0.1m2）侵入衬砌。侵入值应小于衬砌厚度的1/3，并小于10cm。对喷锚衬砌应不大于5cm。 21 2、提高钻孔技术水平 钻孔技术对隧道超欠挖的影响主要是周边炮孔的外插角 、开口位置e和钻孔的深度L，它们与超欠挖高度(h)有如下的关系： h= e + L tan( / 2) 上式表明：随外插角和钻孔深度L的增大，h增大。 L是一个设计指标，可在设计中加以控制，即在其它条件一定时，采用较浅孔爆破对减少超挖是有利的。这也是国外在钻孔深度上很少采用超过4.0m以上深孔的原因。而在一般情况下，都采用3.5m左右的钻孔深度。此外，深孔爆破的一次装药量也大，对周边围岩

15、的损伤也大。22 和L主要取决于司钻工的操作水平和所采用的钻机性能。通常，钻机都有一个外缘高度h，为保证后续掘进能正常钻孔，就必须有一个超挖高度hd（即超挖控制下限）。 国内常用的瑞典阿特拉斯、日本古河、芬兰托姆洛克等凿岩台车，其hd=57cm。因此，如采用液压钻孔台车，钻孔需要的最小平均超挖约为7cm，这实际上也就是平均线性超挖的控制下限。而铁路隧道的容许超挖一般为ha15cm。这样，如L3m，则外插角应为 4.55；如L5m，则为 2.65。为确保控制 ，一定要努力提高司钻人员的操作水平和责任心，并借助激光指向仪、测斜仪辅助定向，或采用计算机控制的凿岩台车来钻孔。23 此外由于钻孔作业覆盖

16、空间所限，以及受隧道形状影响，拱部180 范围内，应控制上仰角，而在两侧边墙部位则应控制水平的外插角，对底板则应注意下插角。 实际施工中，周边孔开口位置e有三种情况，其出现机率和差值大小则主要决定于钻孔水平。 第一种情况（a），不影响超欠挖； 第二种情况（b），将使超挖增加一个e值； 第三种情况（c），将使超挖减小一个e值，但出现欠挖。因而，钻孔时先定位，后钻进，并在掌子面上完整醒目地标出周边孔位线，把e控制在较小范围内（约在3cm）是可能的。 24 由公式可知：当、L一定时，e作为一个独立参数，当e为正值时（即孔口位置在设计线外时），随e的增加，h增加；而当e为负值时，随e的减少，h则减少。

17、 从实际施工的经验看，控制是比较困难的，但控制e值是可能的。如一些国家容许一定的欠挖，即有意识地使e为负值（图3中的c情况），对减少超挖是有效的。 3、进一步解决好爆破技术参数的合理匹配 在对国内外100多座隧道的超欠挖统计结果表明：爆破技术对超欠挖影响也是很大的。这里所谓的爆破技术指：爆破方法、爆破方式以及各种爆破参数。 （1） 爆破方法的影响。在表1的统计中可以看出：即使采用控制爆破也仍然有相当数量的隧道超欠挖。但与普通爆破比较，超挖约降低47.3%。 25 （2） 开挖方式的不同，爆破方式有：全断面一次爆破、台阶法爆破、导洞先行扩大爆破和预留光面层爆破等方式。通常认为地质条件许可时，全断

18、面一次爆破方式（包括台阶法）有利于减少爆破重复振动、减少工序转换和干扰，便于快速施工。而从减少超挖，改善开挖成形看，预留光面层、导洞先行开挖的爆破方式是比较好的。表2是三种爆破方式的效果比较。 表1 爆破方法的比较爆破方法平均超挖（cm）欠挖（cm）比较（）备注普通爆破 38.70 无统计 100最大76cm控制爆破 20.40 无统计 52.7最大37cm26 在控制爆破中，主要的技术参数包括：单位岩石炸药消耗量q、周边孔线装药密度g、周边炮孔布置等。合理地解决这些参数之间的配合，对减少超欠挖是至关重要的。 单位岩石炸药耗量q与平均线性超挖h呈线性正相关关系。过大或过小都不能获得较好结果。图

19、4是平均线性超挖h炮孔保存率k及炮孔利用率之间的关系。在孔深3.0m、IV类围岩、液压钻孔等实验条件下，且h7cm，h15cm，k0.7，0.9时，最优的q值为1.05 1.2kg/m3。 表2 不同爆破方式效果比较爆破方式超挖值（cm）欠挖值（）炮孔保存率（）备注全断面、台阶法10.814.53136080作业方法和地质预留光面层12.882775条件大致相同导洞先行扩大7.210.50.30.6818627 周边孔线装药密度与超挖大体上呈幂函数的关系而与炮眼保存率则呈抛物线相关关系（图5）。在与相同的条件下，最优的g值为0.18 0.28kg/m。 周边孔的布置，在其它因素一定时，超挖高度

20、h随周边孔间距E的增大而增加；而对最小抵抗线W而言，它与超挖高度h则有近似抛物线的关系。 图4 h-q，h-k，h- 关系图 图5 h-g k-g 关系图 28 由此可见，较小的E（某一范围内）将有助于减少超挖，并提高轮廓的光滑性；而对 W则是处于某一范围内，才能使超挖控制在要求的目标范围内。因此，为获得较小超挖和光滑轮廓就必须使周边孔间距E/W处于合理范围。 由施工实验统计，当E、W一定，且L3.5m，g0.25kg/m时，E/W与h，k有图6的关系。可见，相对间距E/W对超挖和轮廓成形的影响是很大的，根据实验，在IV类围岩中，合理相对间距E/W0.651.10之间，周边孔间距E4580cm

21、，最小抵抗线W5080cm之间。 图6 E/W-h E/W-k关系 29 （3） 爆破器材及装药方法 采用合理的爆破器材（雷管和炸药）和装药方法，可以减小由于爆破产生的振动和应力波对围岩的破坏作用，因而有利于减小超欠挖，提高轮廓质量。 测试表明，当相邻段位炮孔起爆时差小于50ms时，振动波会在围岩中产生叠加作用，从而加大对围岩的扰动和破坏，使超挖增大，成形变差。这在节理发育的围岩中，更为明显。在条件大体相同的条件下，用等差雷管、半秒雷管和毫秒雷管所作的现场对比实验表明，以“等差”雷管爆破效果最好、振动小。采用毫秒雷管跳段使用也可以获得较好的效果。因此，从控制超欠挖的角度看，宜推广“等差“雷管或

22、应注意配置好毫秒雷管的段别。 30 装药方法有：(a)体积不耦合装药，即药包直径于掘进炮眼药包直径一样，药包集中在孔底部分；(b)空气间隔装药；(c)小直径药包，全孔均匀装药。孔口均用炮泥堵塞。 三种装药方法的实验爆破效果见表3。表3 不同药包和装药方法的爆破效果装药方法药包直径（mm）平均超挖（cm）炮眼保存率（）炮眼利用率（）集中装药40、3514.806892.0间隔装药3212.7270.593.5连续装药202510.6870.193.3 由表3可以看出：小药包连续装药对控制超挖效果最好，比之间隔装药和集中装药分别减少超挖16和28。因此，在爆破中宜推广采用小直径药包的连续装药。31

23、 4、现场施工管理和组织 前已指出，良好的施工管理和组织，对减少超欠挖具有十分现实的意义。 在爆破质量管理中，应坚持以下基本原则： （1）必须采用控制爆破（光面爆破、预裂爆破等），通过工程类比和现场实验，优化爆破参数设计； （2）在满足技术经济要求的情况下，应优先考虑采取操作简单、且精度高、有良好性能的钻孔机械、测量放线仪器、断面检测仪器以及爆破器材等； （3）应严格控制断面的测量放线精度，特别是要避免随意放大或缩小断面的现象； （4）必须严格控制钻孔精度，重点是控制周边眼的外插角、开口误差以及炮眼在断面分布的均匀性；32 （5）必须严格控制重要爆破作业质量，特别是要控制装药量，并保证正确的起

24、爆顺序； （6）必须做到及时检测和及时反馈； （7）必须强化施工组织管理、推行作业标准化、并经常加强作业人员文化和责任心的教育等。 5、测量放线 首先要保证中线和标高的准确。其次是要通过正确的方法来保证轮廓线位置的准确。 中线和标高的偏移，将使断面轮廓线向一侧偏移，造成开挖断面一侧超挖、一侧欠挖。通常隧道掌子面都是倾斜的，会引起放线误差。提高放线精度方法是：采取激光指向仪控制隧道掘进方向，提高中线和标高的精度；并配合放线提高轮廓线放线精度。33 6、地质条件 地质条件是客观条件，它是确定爆破参数的基本依据。目前，爆破设计主要是经验、类比或现场实验设计、因而地质条件的影响就主要表现在随掘进而不断

25、变化上。其中主要是围岩节理裂隙的变化。在现场施工中，应根据情况调整钻孔方位和角度，或适当调整周边孔的参数。为此可采取如下措施：在施工中，紧跟开挖面进行调整观测描述；并对围岩的节理裂隙状态进行预测；据此调整爆破参数和施工方法或采取局部内移炮眼、局部空孔不装药、加密炮眼、局部调整起爆顺序等辅助措施。34 预裂爆破也是低振动爆破的一种方法。将爆破时的振动控制在一定值以下，来减少对遗留岩体的损伤。主要是在外周设置槽孔，把它作为自由面，从外向中央次序爆破。 如图8所示，普通爆破与预裂爆破的试验便将比较图8 预裂爆破与普通爆破的比较35表 预裂爆破与普通爆破的比较爆破参数普通爆破（A）预裂爆破（B）降低比

26、（B/A）爆破参数总炸药量（）单位炸药量（）炮眼数（个）单位炮眼数（个）44.40.90932.816.50.34692.10.370.74爆破振动振动速度（cm/s）水平垂直1.002.750.320.300.160.11值掏槽水平垂直47865539470.080.07扩大水平垂170.19 采用外周槽孔爆破的方法，在炸药量上减到1/3，振动值减到1/51/14，效果是显著的。为了加速槽孔的钻孔速度，开发了槽孔钻机，如图9所示。 36（一） 概述 1、TBM国内外应用情况 TBM始于20世纪30年代； 世界上已用TBM掘进了1000余座隧道，总长度4000km左右。 典型隧道有： 英法海峡隧道：三座平行隧道，长约50km，使用了11台掘进机。1802年开工，1883年停工，1986年开始隧道施工，直到1993年完成，其中海底主要工程部分不到3年，1993年建成。二、掘进机法施工37 (2) 隧