山嶺隧道開挖施工方法

1 選擇隧道施工方法的指導思想與應遵循的原則

隧道施工符合安全環保、工藝先進、質量優良、進度均衡、節能降耗的要求，隧道施工應本著“安全、有序、優質、高效”的指導思想，按照“保護圍巖、內實外美、重視環境、動態施工”的原則組織施工。其施工方法的選擇應遵循以下原則：

(1)、確保施工安全，改善施工環境。

(2)、應根據設計文件、施工調研情況、地質圍巖級別、結合隧道長度、斷面大小、縱坡情況、襯砌方法、工期要求、裝備水平、隊伍素質等綜合因素決定。

(3)、地質變換頻繁隧道應考慮其適應性，便于工序調整轉換。

(4)、應盡量采用新技術、新工藝、新設備、新材料。

(5)、認真按照新奧法原理、掌握應用好光爆、噴錨、量測施工三要素。

2 選擇隧道施工方法的基本要素

(1)、施工條件

它包括一個施工隊伍所具備的施工能力、素質以及管理水平。目前我集團隧道施工隊伍的素質和施工裝備水平，有高有低，參差不齊，因此，在選擇施工方法時，不能不考慮這個因素的影響。

(2)、圍巖條件

圍巖條件也就是地質條件，其中包括圍巖級別、地下水及不良地質現象等。圍巖級別是對圍巖工程性質的綜合判定，對施工方法的選擇起著重要的甚至決定性的作用。

(3)、隧道斷面積

隧道尺寸和形狀，對施工方法選擇也有一定的影響。目前隧道斷面有向大斷面方向發展的趨勢，如公路隧道已開始修建3車道甚至4車道的大斷面，水電工程中的大斷面洞室，更是屢見不鮮。在這種情況下，施工方法必須適應其發展。在單線和雙線的鐵路隧道中，越來越多地采用了全斷面法及臺階法；而在更大斷面的隧道工程中，先采用各種方法修小斷面的導坑，再擴大形成全斷面的施工方法極為盛行。

(4)、埋深

隧道埋深與圍巖的初始應力場及多種因素有關，通常將埋深分為淺埋和深埋兩類，有時將淺埋又分為超淺埋和淺埋兩類。在同樣地質條件下，埋深的不同，施工方法也將有很大差異。

(5)、工期

作為設計條件之一的施工工期，在一定程度上會影響基本施工方法的選擇。因為工期決定了在均衡生產的條件下，對開挖、運輸等綜合生產能力的基本要求，即對施工均衡速度、機械化水平和管理模式的要求。

(6)、環境條件

當隧道施工對周圍環境產生如爆破振動、地表下沉、噪聲、地下水條件的變化等不良影響時，環境條件也應成為選擇隧道施工方法的重要因素之一，在城市市區條件下，甚至會成為選擇施工方法的決定性因素。

完善施工方法標準化、模式化的重要條件是建立適應各種條件下的隧道施工機械化配套技術的標準模式。

3 山嶺隧道開挖方法的選擇

山嶺隧道施工的過程和方法是多種多樣的，但鉆爆法仍然是我國目前應用最廣、最成熟的隧道修建方法，山嶺隧道開挖常用的方法為全斷面法、臺階法、中隔壁法(CD法)，交叉中隔壁法(CRD法)、單側壁導坑法、雙側壁導坑法等。

在當前的施工實踐中，從工程造價和施工速度考慮施工方法的選擇順序應為：全斷面－正臺階－臺階設臨時仰拱法－中隔壁法(CD)－交叉中隔壁法(CRD)－雙側壁導坑法：從施工安全考慮，其選擇順序應反過來。如何正確的選擇施工方法，應根據實際情況綜合考慮，但必須符合安全、快速、質量和環境要求，達到規避風險，加快施工進度和節約投資的目的。

4 各種施工方法在不同圍巖和隧道中適用情況

(1)、全斷面法

全斷面開挖法是按設計斷面將整個隧道開挖斷面一次鉆孔，一次爆破成型、一次初期支護到位的隧道開挖方法。主要適用于非淺埋I～Ⅲ級硬巖地層。淺埋段、偏壓段和洞口段不宜采用。如確實地質條件較好，也可采取先開挖小導坑，然后再擴大的施工方法，這對保持圍巖穩定是有利的。

該法有較大的作業空間，有利于采用大型配套機械化作業，鉆爆施工效率較高，可采用深眼爆破，提高施工速度，且工序少、便于施工組織和管理，較分部開挖法減少了對圍巖的振動次數。

但由于開挖面積較大，圍巖相對穩定性降低，且每循環工作量相對較大，深孔爆破用藥量大，引起震動大，因此要求進行精心的鉆爆設計和嚴格控制爆破作業。

施工要點

①配備鉆孔臺車或多功能臺架及高效率裝運機械設備，縮短循環作業時間，合理采用平行交叉作業工序，提高施工進度。

②利用鉆孔臺車深孔鉆爆增加循環進尺，控制鉆孔進度，改善光面爆破效果，減少超欠挖。

③及時對開挖輪廓圍巖施做噴射混凝土封閉層。

④有條件時采用導洞超前的開挖方法，合理組織施工保證隧道施工安全。

⑤仰拱、鋪底超前二次襯砌且一次全幅澆筑，I～Ⅱ級圍巖離掌子面距離≤120m，Ⅲ級圍巖≤90m。

(2)、臺階法

臺階法施工是將隧道結構斷面分成兩個或幾個部分，即分成上下兩個斷面或幾個斷面分部進行開挖的隧道開挖方法。該法適用于鐵路雙線隧道Ⅲ、Ⅳ級圍巖，單線隧道V級圍巖亦可采用，但支護條件應予以加強。該法具體可分為正臺階法、三臺階臨時仰拱法、環形開挖預留核心土開挖法等。

該施工方法的優點是對地質變化的適應性較強，工序轉換較容易，并能較早地使初期支護閉合，有利于控制沉降。臺階長度一般應控制在1～1.5倍洞徑，為及早使初期支護封閉成環，也可適當縮短臺階長度，當圍巖較穩定，短臺階能保持時，臺階長度亦可適當縮短至3～5m，上下臺階同時鉆眼爆破，以起到加快施工進度，減少設備配置的目的。

下部斷面(中、下層臺階)是開挖作業的重要環節。近年來，在下部開挖中，因方法欠妥，作業不慎引起初期支護失穩造成的重大坍方事故已有多起，必須引起高度重視。在開挖順序上，宜采用先挖側槽、左右錯開向前推進的做法，不宜采用拉中槽挖馬口的方法。側槽一次開挖長度不宜太長，靠近邊墻范圍應采用風鉆、風鎬手工開挖，人工清壁扒碴，嚴禁使用重型機械開挖和裝碴，以免對圍巖過大擾動、破壞圍巖和初期支護系統的整體穩定性。

施工要點

①根據圍巖條件合理確定臺階長度和臺階數量，臺階長度一般應不超過1倍開挖洞徑，臺階高度根據地質情況、隧道斷面大小和施工機械設備情況確定。

②上臺階施作鋼架時，采用擴大拱腳或施作鎖腳錨桿等措施，控制圍巖和初期支護變形；

③下臺階在上臺階噴射混凝土達到設計強度70％以上時開挖，當巖體不穩定時需縮短進尺，必要時上下臺階分左、右兩部錯開開挖，并及時施做初期支護和仰拱。

④施工中應解決好上下臺階的施工干擾問題，下部施工應減少對上部圍巖、支護的擾動。

⑤下臺階施工時要保證鋼架順接平直，螺栓連接牢靠。

⑥仰拱、鋪底超前二次襯砌且一次全幅澆筑，Ⅲ級圍巖≤90m，Ⅳ級圍巖≤70m。

(3)、中隔壁法(CD法)

中隔壁法(CD法)是將隧道斷面左右一分為二，先挖一側，并在隧道中部設立利用鋼支撐及噴混凝土的臨時支撐隔墻，當先開挖一側超前一定距離后，再開挖另一側的隧道開挖方法。

該法變大跨為小跨，使斷面受力更合理，對減少沉降，保證隧道開挖安全、可靠具有良好效果。該法適用于較差地層，如采用人工或人工配合機械開挖的Ⅳ～V級圍巖和淺埋、偏壓及洞口段。施工過程中，為保證初支穩定，除噴錨支護外，須增加型鋼或鋼格柵支撐，并采用超前大管棚、超前錨桿、超前注漿小導管、超前預注漿等一種或多種輔助措施進行超前加固。

由于地層軟弱，斷面較小，只能采用小型機械或人工開挖及運輸作業，工序多，施工進度較慢。必要爆破時，應控制藥量，避免損壞中隔墻。臨時中隔墻型鋼支撐規格應與初期支護所采用的一致。每步臺階長度可控制在3～5m。

施工要點

①左右部的臺階開挖高度根據地質情況及隧道斷面大小而定。

②左、右兩側洞體施工縱向拉開間距不大于15m。

③每臺階開挖長度不大于該分部斷面直徑，保持開挖面平順，并及時初期支護。

④后一側開挖形成全斷面時，應及時完成全斷面初期支護閉合。

⑤中隔壁設置為弧形臨時支護，隧道左右開挖面初期支護連接平順，保證鋼架連接狀態良好。

⑥根據監控量測信息，初期支護穩定后拆除中隔壁臨時支護，一次拆除長度不超過15m，并加強監控量測。

⑦臨時支護拆除后及時施做隧道仰拱和二次襯砌。

(4)、交叉中隔壁法(CRD法)

當采用中隔壁法(CD法)仍然無法保持圍巖穩定和隧道施工安全時，可采用交叉中隔壁法(CRD法)開挖。該法的特點是各分部增設臨時仰拱和兩側交叉開挖，每步封閉成環，且封閉時間短，以抑制圍巖變形，達到圍巖沉降可控，初期支護安全穩定的目的。

該法除噴錨支護及增設足夠強度和剛度的型鋼或鋼格柵支撐外，還應采用多種輔助措施進行超前加固。

交叉中隔壁法(CRD法)適用于斷層破碎帶、碎石土、卵石土、圓礫土、濕陷性黃土、全風化的花崗巖地層的V～Ⅵ級圍巖及較差圍巖中的淺埋、偏壓及洞口段等。

施工要點

①隧道按左右部份分塊實施開挖，每塊小斷面開挖高度大致接近。

②每塊小斷面開挖長度2～3m，或不大于該分塊斷面直徑，及時設置臨時仰拱封閉、步步成環，盡量縮短成環時間。

③中隔墻設置為弧形臨時支護，隧道左右開挖小斷面水平臨時支護保持對接一致，螺栓連接牢固。

④及時進行底部左右小斷面開挖封閉支護，并利用回填注漿加固底板。

⑤根據監控量測信息，初期支護穩定后拆除中隔壁臨時支護，一次拆除長度不超過15m，并加強監控量測。

⑥臨時支護拆除后及時施做隧道仰拱和二次襯砌。

(5)、單側壁導坑法

單側壁導坑法施工與中隔壁法(CD法)類似，但其導坑開挖斷面相對較小。

(6)、雙側壁導坑法

雙側壁導坑法是采用先開挖隧道兩側導坑，及時施作導坑四周初期支護及臨時支護，必要時施做邊墻襯砌，然后再根據地質條件、斷面大小，對剩余部分采用二臺階或三臺階開挖的方法，其實質是將大跨度的隧道變為三個小跨度的隧道進行開挖。

該法施工進度較慢，成本較高，但其在施工安全尤其在控制地表下沉方面，優于其它施工方法。此外，由于兩側導坑先行，能提前排放隧道拱部和中部土體中的部分地下水，為后續施工創造條件。因此城市淺埋、軟弱、大跨隧道和山嶺軟弱破碎、地下水發育的大跨隧道可優先選用雙側壁導坑法。在V～Ⅵ級圍巖的淺埋、偏壓及洞口段，也可采用此法施工。

操作嬰點

①側壁導坑形狀應近似橢圓形，導坑斷面寬度宜為整個斷面的1／3。

②兩側側壁導坑超前中部10～20m，可獨立同步開挖初支，中部采用臺階法開發，保持平行作業。

③導坑開挖后應及時進行初期支護及臨時支護，并盡早封閉成環。

④通過監控量測確定臨時支護體系穩定后，拆除臨時支護，一次拆除長度不超過15m，拆除區間加強監控量測。

⑤臨時支護拆除完成后，及時施作仰拱并進行二次襯砌。

總之，對于硬巖隧道宜采用全斷面法與臺階法，分部開挖法適用于軟巖隧道。采用臺階法施工時，不宜采用長臺階，因其不利于初期支護及早封閉成環。在采用分部開挖法的硬巖隧道中爆破作業將會嚴重破壞已成形的中隔壁，應采取一定的保護措施。

根據以上總結，本隧道Ⅱ級圍巖地質情況為，洞身圍巖以弱風化晶屑凝灰巖為主，受斷層影響，巖石較破碎，圍巖多呈碎石狀壓碎結構或塊碎狀鑲嵌結構。Ⅲ級圍巖地質情況為，斷層破碎帶，積壓片理，節理裂隙發育，圍巖呈碎石狀壓碎結構，穩定性差。Ⅳ、V級圍巖地質情況為，斷層破碎帶，積壓片理，節理裂隙發育，圍巖呈碎石狀壓碎結構，穩定性差。根據圍巖狀況與施工生產安全、施工進度、成本等多方面因素選擇，Ⅱ級圍巖設計臺階法開挖，根據現場實際地址情況(掌子面圍巖巖性為灰色、青灰色弱風化凝灰熔巖，節理裂隙局部較發育，整體性好。)，和施工進度要求開挖方法變更為全斷面法施工，由原來每天進尺4m提升為每天進尺6m～8m。Ⅲ級圍巖設計臺階法開挖，根據現場實際地址情況(掌子面圍巖巖性為灰色、深灰色弱風化凝灰熔巖，節理發育，穩定性較好。)，和施工進度要求部分Ⅲ級圍巖變更為全斷開挖，由原來每天進尺4m提升為每天進尺6m～8m。Ⅳ級圍巖設計為臺階法，根據現場實際圍巖情況，符合設計圍巖，我們采用臺階法開挖，每日進尺2m～4m。V級圍巖設計為雙側壁導坑法開挖，在實施一段后由于此開挖方法安全系數高，但開挖速度慢，每日進尺0.6m，對工程進度有所制約。在后續施工中我們和設計院共同探討調節在保證安全的前提下調節開挖方法，由原設計雙側壁導坑法變更為三臺階預留核心土法，把每日進尺速度提升一倍，在原材料上也大大節省。