隧道开挖施工

隧道开挖施工第1页/共148页施工方案根据开挖、支护及安装等程序，施工方案可以分为两类：

1、一次成巷方案

2、多次成巷方案第2页/共148页一次成巷方案定义：一次成巷的施工方案，要求在单位时间内完成开挖、永久支护、安装铺设等项工程，达到设计规定的成巷要求，使隧道尽快投产。

(一次成巷实际是多工序平行作业的施工方案)第3页/共148页一次成巷方案一次成巷适用范围：①断面不大的隧道施工中，一次成巷要求全断面开挖、支护和安装一次完成，开挖工作和永久支护之间应相隔一段距离，使开挖和支护同时进行。②断面较大的隧道施工中，采用先开导洞后扩挖支护法、台阶工作面法。第4页/共148页多次成巷方案定义：多次成巷是指在一条隧道中开挖、支护、安装等依次完成。适用范围：我国矿山部门已不提倡使用多次成巷方案，水工、铁路、公路隧道施工中，因为隧道用途不同一次成巷困难，此时可选用多次成巷方案。第5页/共148页两种方案的特点一次成巷有如下优点（机械化程度不高）1、成巷速度快；原因：充分利用隧道的有限空间、组织多工序平行作业。2、综合功效高；原因：充分利用工时，各工种之间能相互协作，从而减少窝工，支护填充石料就地取材，节约劳动力。3、作业安全；原因：一次成巷的永久支护可以及时支撑顶板。第6页/共148页两种方案的特点缺点：如果组织不好，在一次成巷的工作面上，由于人员多，同时作业的项目也多，会造成一定的紊乱。解决方法：在采用一次成巷的隧道中，必须把技术管理紧紧跟上，这样才能解决上述问题。快速开挖隧道：使占时间较多的钻眼、装岩和支护三项主要作业平行，还要实施多工序平行交叉作业。第7页/共148页两种方案的特点机械化程度高，多次成巷方案的优点：1、作业单一；2、工作条件好；3、功效高；4、便于推广高效率设备。第8页/共148页开挖方法按破碎岩石的方法来分：①钻爆法（适用于各类岩石地层）②盾构法、管棚桩法（适用于软土地层）③掘进机法（中硬以下的岩层中）第9页/共148页第10页/共148页第11页/共148页开挖方法洞室常用开挖方法1、全断面开挖法2、台阶开挖法3、导洞开挖法4、分部开挖法第12页/共148页全断面开挖法适用范围：在岩石坚固性中等以上，节理裂缝不甚发育，围岩整体性好，断面小于100平方米的条件下，可采用全断面开挖。优点：由于开挖面大，能发挥深孔爆破的优点；作业集中，便于施工管理；工作面空间大，易于通风，适合选用以大型机械为主的机械化作业线，施工速度快。缺点：使用小型机械时，凿岩、装药、装岩等比较麻烦，难以提高生产效率。第13页/共148页第14页/共148页第15页/共148页台阶开挖法正台阶开挖法反台阶开挖法采用正台阶法开挖时，将洞室断面分成两部分，先掘上部断面使上部超前而出现台阶。采用反台阶法开挖时，将洞室断面分成两部分，先掘下部断面使下部超前而出现反台阶。第16页/共148页第17页/共148页第18页/共148页台阶开挖法正反台阶法对比：优点：①正台阶法：不需为上部工作面搭设凿岩台架。②反台阶法：减少了上部工作面人力耙运岩碴，平行作业时间长，工效高。缺点：①反台阶需搭设凿岩台架。②正台阶法上部出碴慢，影响下部进度。第19页/共148页支护方式：①,喷混凝土衬砌：先整体开挖，后整体性自下而上的先墙后拱支护；②锚喷支护：拱顶支护与上部开挖平行作业。台阶开挖法第20页/共148页台阶开挖法台阶法与全断面开挖法共同具有的优点：1、开挖空间大，有利于提高施工机械化程度和劳动生产率；2、作业地点集中，施工管理方便3、轨道和管线路可以一次铺成，并可铺成双轨提高出渣效率；4、通风条件好，有利于改善劳动条件。第21页/共148页导洞开挖法定义：借助辅助巷道（导洞）开挖大断面洞室的方法称为导洞开挖法。导洞的作用：可以用于洞室施工通风、行人和运输，并有助于进一步查明洞室范围内的地质情况。导洞的特点：具有临时性，一般断面面积为4-8平方米，在中等稳定岩层中不需要临时支护，其按照位置分为“上导洞、下导洞、上下导洞、侧导洞等几种开挖方法。第22页/共148页第23页/共148页第24页/共148页分部开挖法定义：分部开挖法是将隧道断面分部开挖逐步成形，且一般将某部超前开挖，故也可以称为导坑超前开挖法。优点：分部开挖跨度较小，能显著增强洞室围岩的相对稳定性，且易于进行局部支护。缺点：部分开挖法工序多，工作面多，干扰大，开挖进度慢。适用范围：因此它主要适用于围岩软弱破碎严重且断面较大的洞室。第25页/共148页单侧壁导坑法第26页/共148页双侧壁导坑法第27页/共148页第28页/共148页第29页/共148页选择开挖方法考虑的因素1、地质条件：洞室的开挖与支护方式、施工速度、工程费用都与围岩的地质条件和地下水情况有关，尤其是开挖方法和支护形式，在很大程度上取决于地质条件。所以要先通过观察判断围岩的允许暴露面积和暴露时间，选择相适应的开挖方法，同时还要注意排水。第30页/共148页选择开挖方法考虑的因素2、洞室的断面大小：大断面洞室也因断面大小不同而采用不同的施工方法。这主要是从稳定围岩角度考虑的，其次考虑开挖进度，便于凿岩和装运岩石等因素。3、洞室的支护形式：支护类型的分类多样化，因此开挖方法也要与之相适应。第31页/共148页选择开挖方法考虑的因素4、装运条件：选择洞室开挖方法，除考虑稳定围岩外，尽量提供便于装运岩石的条件。5、施工队伍与设备条件：确定洞室开挖方法时，必须从现实出发，尽量利用单位现有的设备和机具，并考虑充分发挥施工队伍的技术特长。第32页/共148页施工实例：北京饭店地下停车库的施工覆土厚6.2m，采用暗挖法施工，东西长271m，南北总宽为36m，并毗邻在建的地铁王府井车站及区间，北邻北京饭店大楼，最近距离不到2m。主体结构地下两层。第33页/共148页第34页/共148页五跨结构施工方案第35页/共148页第36页/共148页第37页/共148页凿岩爆破基本参数炸药在炮孔中分配方法与实际爆破参数的确定布孔设计光面爆破和预裂爆破凿岩机械与工具选择5.2隧道钻爆法施工作业第38页/共148页岩石破碎技术及其发展

最原始的岩石破碎是用锤击岩石，随后是用热胀冷缩的原理，用木材烧热岩石，随后再用冷水浇，造成岩石碎裂，显然这些方法碎岩效率是很低的。

黑火药在其发明之初主要用于军事。正式用在隧道开挖则是公元1627年KasperWeinde首先在匈牙利，使用黑火药进行了矿山岩石巷道爆破。那时，还没有钻机，用手工打眼，塞进黑火药，再进行起爆。

5.2隧道钻爆法施工作业第39页/共148页

直到1863年，意大利Sommineller发明了风动凿岩机，才开始使用风钻进行隧洞开挖。同时，火药也做成药卷形式使用。1857年至1870年，欧洲修建的仙尼斯铁路隧道，长12233m，就是采用这种开挖方法。炸药的发展相对慢一些，从1846年提炼出硝化甘油到1875年诺贝尔制成胶质炸药，几乎用了30年时间。到1870年，在欧洲修建长14912m的圣哥达隧道时，隧道钻爆技术更趋完善进步了。5.2隧道钻爆法施工作业第40页/共148页

随着科技的发展，目前正在研制开发并渐趋成熟的破岩技术有如下几种：水力破岩；热―机碎岩；贯通锥形断裂破岩(PCF技术)；激光破岩；微波破岩；等离子破岩；电子束破岩等。5.2隧道钻爆法施工作业第41页/共148页

钻孔爆破法是岩土工程中广泛采用的一种破碎岩石的传统方法。

钻爆法施工主要由：钻孔、爆破、出碴三个基本工序组成。相继完成这三个工序作业为一个开挖循环或掘进循环。每一掘进循环所推进的长度称之为循环进尺。除了这三个基本工序外，实现循环进尺还需进行如临时支护、测量、供水供气、工作面通风防尘等多方面的工作，通常把这类作业称为辅助作业。5.2隧道钻爆法施工作业第42页/共148页要求：按设计要求开挖出断面；石碴块度适中，抛掷范围相对集中，便于装碴运输；钻眼工作量少，掘进速度快，少占作业循环时间；减小对围岩的震动破坏，以保证围岩的稳定；减少对施工用机具设备及支护结构的破坏，减少对周围环境的破坏。5.2隧道钻爆法施工作业第43页/共148页5.2隧道钻爆法施工作业1.爆破破岩作用机理及有关概念压缩粉碎区抛掷区破坏区震动区第44页/共148页5.2

隧道钻爆法施工作业临空面

又叫自由面，是指暴露在大气中的开挖面。

爆破漏斗

在有临空面的情况下，炸药爆破形成的一个圆锥形的爆破凹坑就叫爆破漏斗。

2.爆破基本概念第45页/共148页5.2

隧道钻爆法施工作业最小抵抗线W

药包中心到自由面的最小距离。

爆破作用指数

爆破漏斗半径r与最小抵抗线W的比值n（n=r/w）称为爆破作用指数

n=1的爆破称为标准抛掷爆破，其漏斗标准抛掷爆破漏斗；

n＞1的爆破称为加强抛掷爆破或扬弃爆破；第46页/共148页5.2隧道钻爆法施工作业

0.75<n<1的爆破称为加强松动或减弱抛掷爆破；

n≤0.75的爆破称为松动爆破。第47页/共148页凿岩爆破基本参数思考题：用凿岩爆破法，要进行哪些参数的设计？5.2

隧道钻爆法施工作业第48页/共148页凿岩爆破基本参数单位岩体炸药消耗量开挖断面的炮孔数量炮孔直径和药卷直径炮孔深度炮孔间距与抵抗线5.2隧道钻爆法施工作业第49页/共148页单位岩体炸药消耗量定义：爆破每立方米岩石所需的炸药量称为单位岩体炸药消耗量。影响因素：岩体的力学性质隧道断面的大小以及自由面的数量选取炸药的性能5.2

隧道钻爆法施工作业第50页/共148页5.2

隧道钻爆法施工作业第51页/共148页经验公式：断面面积小于20m2的使用：

5.2

隧道钻爆法施工作业第52页/共148页经验公式：断面面积在20-50之间时使用：

5.2

隧道钻爆法施工作业第53页/共148页经验公式：断面面积大于50时使用：

5.2

隧道钻爆法施工作业第54页/共148页经验公式：坚硬岩体大断面开挖的单位岩体炸药消耗量按照：

（瑞典建议采用的计算式，其值偏小）5.2

隧道钻爆法施工作业第55页/共148页确定炮孔数量的原则：1、在保证爆破效果良好，即炮孔利用率高，爆破形成的洞室规格符合设计要求的前提下，以及在满足装岩设备要求的块度前提下，尽量可能减少炮孔；2、岩层稳定性较差时，符合“新奥法”或光面爆破的原则，多打孔少装药。5.2

隧道钻爆法施工作业第56页/共148页按经验公式来确定炮孔数量20以内断面的洞室可按下面公式计算：

5.2

隧道钻爆法施工作业第57页/共148页大断面洞室按下式进行计算：

5.2

隧道钻爆法施工作业第58页/共148页炮孔直径和药卷直径炮孔直径和药卷直径越大，炸药的能量利用率越高，需要的炮孔量越少，但对围岩的破环也越大，所以不易过大或过小。定义：不偶合系数——炮孔直径和药卷直径的比值炮孔直径与药卷直径间隙的存在，不但影响爆破效率，而且有产生间隙效应的可能性。5.2

隧道钻爆法施工作业第59页/共148页炮孔直径和药卷直径凿岩机钻孔速度的经验公式：

孔越大，速度越慢。5.2

隧道钻爆法施工作业第60页/共148页炮孔深度孔深这个参数，如果仅就凿岩技术条件确定最优凿岩深度，一般比较容易的，经现场实测便可以确定。设计时，希望尽可能增加炮孔深度，这样有利于增加循环进尺，相对减少辅助作业时间，降低爆破材料的消耗量，进而降低开挖成本。5.2

隧道钻爆法施工作业第61页/共148页炮孔间距与抵抗线炮孔间距即同排或同圈炮眼中心之间的距离。

5.2

隧道钻爆法施工作业第62页/共148页5.2隧道钻爆法施工作业隧道工程中常用的炸药铵梯炸药。浆状（水胶）炸药。该种炸药具有抗水性强、密度高、爆炸威力大、原料广、成本低和安全等优点，常用于有水爆破中。乳化炸药。通常是以硝酸铵，硝酸钠水溶液与碳质燃料通过乳化作用形成的乳脂状混合炸药，也称为乳胶炸药。硝化甘油炸药。硝化甘油炸药抗水性强、密度高、爆炸威力大。第63页/共148页5.2隧道钻爆法施工作业掏槽眼——针对隧道开挖爆破只有一个临空面的特点，为提高爆破效果，宜先在开挖断面的适当位置布置几个掏槽炮眼；

辅助眼——位于掏槽炮眼与周边炮眼之间的炮眼称为辅助眼继爆管；周边眼——沿隧道周边布置的炮眼称为周边眼。

1、炮眼的种类：第64页/共148页5.2隧道钻爆法施工作业

掏槽眼

辅助眼周边眼第65页/共148页5.2隧道钻爆法施工作业2、掏槽眼的形式斜眼掏槽

垂直楔形掏槽

锥形掏槽第66页/共148页5.2

隧道钻爆法施工作业第67页/共148页5.2隧道钻爆法施工作业直眼掏槽——所有掏槽炮眼均垂直于开挖面的掏槽形式，称为直眼掏槽。

柱状掏槽：充分利用大直径空眼作为临空孔和岩石破碎后的膨胀空间，使爆破后能形成柱状槽口的掏槽爆破。

柱状掏槽第68页/共148页5.2隧道钻爆法施工作业

螺旋形掏槽——中心眼为空眼，邻近空眼的装药眼与空眼之间距离逐渐加大，其联线呈螺旋形状。

柱状掏槽螺旋形掏槽第69页/共148页辅助孔定义：从掏槽孔至周边孔之间的孔称为辅助孔，也称扩槽孔。作用：其作用是扩大掏槽容积并按洞室形状逐渐扩挖。布孔原则：辅助孔按爆破原理或三角形原理进行布孔，即主要考虑抵抗线。5.2

隧道钻爆法施工作业第70页/共148页第71页/共148页周边孔定义：位于隧洞边缘，通过爆破控制隧洞边缘轮廓线的孔，称为周边孔。作用：周边孔起控制洞室轮廓线的作用。布孔原则：对孔位、孔深和角度偏差都有较高的要求。普通爆破，因爆破对围岩破坏的影响，周边孔的孔位可在设计轮廓线以内10cm处。光面爆破，其孔位应在轮廓线上。孔距与隧洞的断面大小和岩石的坚硬度有关。5.2

隧道钻爆法施工作业第72页/共148页炸药在炮孔中分配方法与实际爆破参数的确定炸药的布置：掏槽孔和底板孔按平均药量的110%～120%布药，非光面爆破时的周边孔按平均药量的80%～90%布药，光面爆破时的周边孔按光面爆破参数设计要求布药，剩下的炸药则均匀布在辅助孔中。5.2

隧道钻爆法施工作业第73页/共148页5.2隧道钻爆法施工作业光面爆破——

光面爆破是通过正确确定周边眼的各爆破参数，使爆破后的围岩断面轮廓整齐，最大限度地减轻爆破对围岩的震动和破坏，尽可能维持围岩原有完整性和稳定性的爆破技术。

第74页/共148页光面爆破效果图光面眼第75页/共148页5.2隧道钻爆法施工作业光面爆破的分区起爆顺序为：掏槽眼——辅助眼——周边眼——底板眼

预裂爆破：预裂爆破实质上是光面爆破的一种，其爆破原理与光面爆破相同，只是分区起爆顺序不同。预裂爆破的分区起爆顺序为：周边眼——掏槽眼——辅助眼——底板眼。第76页/共148页周边孔间距光爆周边孔间距比预爆的大，是预爆炮孔间距的1.33～1.89倍。根据实验，光面爆破与预裂爆破的炮孔间距a与炮孔直径d的关系为：光面爆破的炮孔间距：预裂爆破的炮孔间距：5.2

隧道钻爆法施工作业第77页/共148页周边孔间距光面预裂炮孔间距（m）炮孔直径（mm）光面与预裂爆破的炮孔间距关系5.2

隧道钻爆法施工作业第78页/共148页炮孔密集系数和最小抵抗线周边孔的密集系数m为间距a与最小抵抗线W的比值：瑞典兰格弗尔斯的试验结果表明，时，得到的平整度较好。5.2

隧道钻爆法施工作业第79页/共148页光面爆破参数的确定光面爆破参数一般通过试验或规范初步确定，施工中可按照选定的参数，总结每次爆破效果，测量半孔率和轮廓的不平整度，不断调整光面爆破参数。5.2

隧道钻爆法施工作业第80页/共148页装药结构和起爆装药结构：按光面爆破的要求，装药沿炮孔应纵向均匀分布，并有合理的不偶合系数。例：浅孔（小于2m）采用连续装药，深孔采用导爆索连接的空气间隔装药。起爆：光面爆破应使用毫秒微差雷管，且周边孔一般应同段起爆才能保证光面爆破效果。顺序：掏槽（1～3段）、辅助（由内圈向外）、周边（1段）5.2

隧道钻爆法施工作业第81页/共148页光面爆破及预裂爆破的凿岩与爆破质量标准最大超挖值：为凿岩孔位误差最大值和凿岩外斜最大值之和。平均超挖值：目前国外按“宁欠毋超”的办法进行施工（合理）；5.2

隧道钻爆法施工作业第82页/共148页5.2隧道钻爆法施工作业隧道爆破开挖中的超挖问题产生超挖的原因围岩层理与节理。测量放样误差。炮眼开挖位置的准确性。凿岩机体构造的影响。爆破方法与参数。第83页/共148页5.2隧道钻爆法施工作业控制超挖的主要措施有：根据地质条件选择合适的爆破方法和钻爆参数。光面爆破应使用低密度、低爆速、低猛度、高爆力的炸药。测量放样要正确。加强钻孔技术管理，提高钻孔精度。建立健全开挖、测量、爆破质量管理检查制度。第84页/共148页超挖超挖第85页/共148页欠挖欠挖第86页/共148页凿岩机械与工具选择选用凿岩机械考虑的因素同时开动凿岩机械数量的确定凿岩机械生产率计算凿岩工具选择5.2隧道钻爆法施工作业第87页/共148页5.2隧道钻爆法施工作业

风动凿岩机

按使用动力内燃凿岩机电动凿岩机液压凿岩机冲击转动式按钻进工作原理旋转式旋转冲击式

钻孔机具1.凿岩机第88页/共148页第89页/共148页第90页/共148页7655型气腿凿岩机第91页/共148页导轨式凿岩机第92页/共148页

8.1.1凿岩机

2)液压凿岩机

H178全液压凿岩台车第93页/共148页

2)液压凿岩机

应用于小断面的液压凿岩台车第94页/共148页

2)液压凿岩机

智能自控液压凿岩台车第95页/共148页2.凿岩台车三臂台车单臂台车第96页/共148页选用凿岩机械考虑的因素1、岩石物理力学特性，坚固系数、可钻性；

2、凿岩作业所需生产率，或开挖进度快慢的要求；

3、开挖洞室断面尺寸大小；

4、开挖方法的影响；

5、炮孔深度和孔径的影响；

6、工程量大小和工程造价高低。5.2

隧道钻爆法施工作业第97页/共148页同时开动凿岩机械数量的确定1、开挖断面大小

2、凿岩机工作效率影响因素5.2

隧道钻爆法施工作业第98页/共148页同时开动凿岩机械数量的确定一个工作面上同时开动凿岩机数量或凿岩台车上钻臂数量按下式确定：5.2

隧道钻爆法施工作业第99页/共148页

凿岩机类型气腿或手持凿岩机

凿岩台车钻臂每台凿岩机工作面积4.0～4.2轻型：5～10重型风动：15～20重型液压:20～30每台凿岩机或钻臂的工作面积5.2

隧道钻爆法施工作业第100页/共148页凿岩机械生产率计算根据制造厂提供的纯钻速数据或试验的纯钻速数据，按下式计算凿岩机械实际生产率：5.2

隧道钻爆法施工作业第101页/共148页凿岩工具选择钎头，选用钎头即要考虑钎头直径，也要选择钎头的形式和使用合金种类。（36～50mm；一字形、十字形、球齿形）5.2

隧道钻爆法施工作业第102页/共148页第103页/共148页第104页/共148页第105页/共148页钎杆，目前常用的钎杆多为合金中空钢，如55硅锰钼和35硅锰钼等，这种钎杆寿命长，钻速高。连接方式：锥体连接、螺纹连接。锥度：柱形物体的横断面向一端逐渐缩小的形式。凿岩工具选择5.2

隧道钻爆法施工作业第106页/共148页浅孔凿岩钎杆5.2

隧道钻爆法施工作业第107页/共148页中深孔凿岩钎杆5.2

隧道钻爆法施工作业第108页/共148页装岩与运输洞室装运方式选择洞室装运设备选择平洞装岩设备生产率计算运输设备需要用量计算5.2

隧道钻爆法施工作业第109页/共148页

装碴运输作业三大环节：装碴、运输和卸碴。

碴量计算出碴量应为开挖后的虚碴体积，单循环爆破后石碴量可按下式计算：（m3）5.3装岩与运输装岩

第110页/共148页装渣方式

装渣的方式可采用人力装渣或机械装渣。装渣机械翻斗式、铲斗式、蟹爪式、挖斗式装渣机的走行方式有轨道走行和轮胎走行两种。

5.3装岩与运输第111页/共148页翻斗式装碴机翻斗式装碴机5.3装岩与运输第112页/共148页轮胎铲斗式装岩机第113页/共148页立爪式耙碴机第114页/共148页蟹爪式装载机第115页/共148页轮胎式装载机第116页/共148页履带式侧卸装岩机第117页/共148页侧卸装碴机1铲斗式装碴机第118页/共148页有轨装碴设备有轨装碴机输送带耙斗轨道第119页/共148页运输

1、有轨运输：特点：有轨运输基本上不排出有害气体，对空气污染较轻，设备构造简单，容易制作；占用空间小而且固定等。不足之处在于轨道铺设较复杂，维修工作量大；调车作业复杂；开挖面延伸轨道影响正常装碴作业等。5.3装岩与运输第120页/共148页梭车有轨运输第121页/共148页2、无轨运输：无轨运输主要是指汽车运输5.3装岩与运输第122页/共148页翻斗车第123页/共148页选择装岩运输方式应考虑的因素开挖断面尺寸：有轨运输适用于各种断面，无轨运输适用于较大断面。洞口距开挖工作面长度：进行经济比较，通常短程使用无轨运输，长度大于2KM选有轨。施工进度要求：如果工期短任务重，通常选用无轨运输，因为无轨运输可选用大容量装载机，加快出碴进度。设备来源：考虑施工队伍的设备情况。5.3装岩与运输第124页/共148页调车工作5.3装岩与运输第125页/共148页5.3装岩与运输第126页/共148页5.3装岩与运输第127页/共148页第128页/共148页岩石装运设计方法概念：岩石装运设计就是设计装运方案与选择设备。★步骤：首先是根据工期要求及月进度和日进度开挖要求，在确定掘进循环图表的基础上，初定装运时间；然后根据循环爆破的岩石方量，计算装岩和运输生产率，并由此来选择和购买设备。

5.3装岩与运输第129页/共148页洞室通风通风方法风量计算选择风筒选择通风机5.4洞室通风第130页/共148页施工通风与防尘

冲淡和更换有害气体保证新鲜空气的供给洞内空气应流通、新鲜，氧气含量不得少于20％降低粉尘浓度

粉尘是隧道空气污染的重要因素，其中的游离SiO2对人体危害很大，施工人员长期吸入岩粉，将会患硅肺病。降低洞内温度施工通风的目的及有关规定5.4洞室通风第131页/共148页施工通风

隧道内风管

5.4洞室通风第132页/共148页通风方式风管式通风是用软管作风道，又可分为压入式、抽出式和混合式三种型式。1.风管式通风压入式抽出式混合式5.4洞室通风第133页/共148页压入式通风第134页/共148页隧道内风管

第135页/共148页压入式：

概念：压入式通