影響大型地下洞室開挖的一些關鍵因素及其機理探析

李密林

（中國電力投資集團公司云南國際電力投資有限公司 云南 昆明 650228）

0 引言

盡管國內在大型地下洞室的開挖方面積累了豐富的施工經驗，而且也作了一定的理論和試驗研究，但是對于大型地下洞室施工程序的選擇和開挖方法的確定仍處于一種經驗和半經驗的狀態。在使用了現代化施工機械的情況下，對于大型地下洞室的開挖缺乏比較全面的研究。

1 斷面尺寸及體形特征

在圍巖穩定性較好的情況下，洞室斷面形式及大小對洞室開挖方法的影響是顯著的，當施工機械和技術裝備一定時，對于斷面尺寸比較小的隧洞，可以采用全斷面掘進，但對于跨度和高度比較大的洞室，則有可能只能采用分部開挖法。 《水利水電地下開挖工程施工技術規范》中根據隧洞及洞室斷面大小將其分為四類：

（1）小斷面：面積小于20m2或跨度小于4.5m；

（2）中斷面：面積為20-50m2或跨度為4.5-7.5m；

（3）大斷面：面積為50-120m2或跨度為7.5-12m；

（4）特大斷面：面積大于120m2或跨度大于12m。

實際施工中，因根據洞室的形狀特征及斷面尺寸采用合適的開挖方法。

在使用現代化的施工設備以后，大斷面隧洞開挖較多的使用了全斷面方法，全斷面開挖的最大斷面達到了12×7.5m2，而對特大斷面洞室， 臺階法成為優先考慮的方案， 臺階法開挖的最大斷面為21.2×25.4m2。 針對圍巖地質條件比較好的隧洞，由表中對比可以得出如下結論：

（1）相對于同等大小的城門洞形隧洞，圓形隧洞基本上都沒有采取全斷面開挖，較多的使用了臺階分層開挖，而且在上半部分采用了導洞超前的方法，這樣不僅有利于上部后續的支護作業，而且使隧洞一次開挖后的底面是平面，較好的解決了隧洞必須作為施工通道的問題；

（2）在使用三臂鑿巖臺車的情況下，對城門洞形隧洞，高度和跨度成為考慮施工方法的一個重要依據：高度和跨度均小于10m 的隧洞，優先考慮使用全斷面法；高度和跨度相當，且均在10-15m 之間的隧洞，可以采用中下導洞超前全斷面開挖法；高跨比大于1，且高度在10-15m 之間的隧洞，使用臺階法比較適合；高度大于15m 的特大斷面隧洞，則必須使用臺階法開挖，且上層開挖要考慮導洞超前；另外，高跨比比較小，即矮寬型的隧洞，可以使用中導洞超前、兩側擴挖的方法（側臺階法），這點對于臺階法分層后的上層仍然適用。 使用臺階法開挖的洞室下層基本上都采用豎直孔梯段爆破， 不僅加快了開挖速度，而且使爆破效率提高，降低了工程成本。

對于屬于超大斷面的地下廠房，一般采用臺階法分層開挖，施工中首先確定合理的分層方案，然后大體上遵循自上而下的順序逐級開挖。廠房上部頂拱的開挖利用鑿巖臺車鉆孔，周邊光面爆破，因為廠房跨度大，所以施工中采用導洞（中導洞或者兩側導洞）超前的方式；廠房中部開挖則利用液壓鉆或潛孔鉆鉆大孔徑豎直孔， 梯段爆破開挖，這樣可以大大提高爆破效率，同時為了減輕爆破震動對巖錨梁及邊墻的影響，一般會采取邊墻預裂或者預留保護層等措施；廠房下部則主要利用引水隧洞和尾水洞作為施工通道， 開挖仍以臺階爆破為主，但由于廠房下部機坑結構復雜，所以可能會采用不同的鉆爆方式。

另外，洞室的長度也是洞室開挖時必須考慮的一個因素，當洞室較短時，使用綜合開挖方法（水平孔加豎直孔）是不經濟的。在小灣、三板溪地下廠房的母線洞開挖中，雖然采用了臺階法開挖，但是臺階下部仍然使用鑿巖臺車鉆孔，節省了機械轉場時間，使整個開挖過程變得簡單。

2 圍巖穩定因素

想達到快速掘進的目的， 洞室開挖中首先必須保證圍巖的穩定，如果施工中由于開挖體整體或局部失穩，發生塌方、掉頂等事故，不僅威脅到工程和人員設備的安全，而且會增加工程成本，耽誤工期，影響整個工程的進度。 大型地下洞室斷面尺寸大，而且相互之間空間關系復雜，在施工中必須充分考慮到影響圍巖穩定的各方面因素。 在施工機械設備和技術水平一定的條件下，保證洞室圍巖穩定成為選定合理的施工方法和施工程序的一個重要依據。

3 施工機械

3.1 施工機械對總體施工方案的影響

地下洞室開挖過程中所使用的施工機械對總體方案的影響巨大，有時甚至是決定性的。 現代化施工機械，特別是大型鑿巖鉆孔機械的使用，大大提高了地下工程的開挖速度，并且使原先存在的交通和通風難題相對變得簡單。

3.2 施工機械性能對開挖程序的影響

現代化施工機械的使用可以加快施工進度，簡化施工程序，但是各種施工機械性能上的差異也會對施工程序造成一定的影響，特別是在大型地下洞室分層開挖的過程中，必須兼顧鉆孔機械的外形尺寸和作業范圍，以期選定合理的開挖斷面，充分發揮現有施工機械的作用。

4 爆破震動因素

在地下工程鉆爆法開挖的過程中， 爆破引起的震動可能會對圍巖及相鄰洞室產生影響，并且在一些特殊的部位，出于保護某些重要部位或設施的需要，爆破震動可能會成為阻礙快速掘進的主要因素。

工程中普遍以質點震動速度作為爆破震動控制的依據，《爆破安全規程》中對各類隧洞的安全震動速度規定如下：（1）水工隧洞10cm/s；（2）交通隧洞15.0cm/s；（3）礦山巷道：圍巖不穩定有良好支護10.0cm/s；圍巖中等有良好支護20.0cm/s；圍巖穩定無支護30.0cm/s。

關于質點震動速度與裝藥量及爆心距的關系，目前在國內比較通用的是前蘇聯的M.A 薩道夫斯基公式V=K（Q13R ）α，式中V 為質點震動速度，cm/s；Q 為單響藥量（齊發爆破時為總裝藥量，時為最大一段裝藥量），kg；R 為質點到爆源中心的距離，又稱爆心距，m；K、α 為與爆破方法、地質、地形條件有關的待定系數，又稱K 為場地系數，Q 為衰減指數。

5 其他因素

地下洞室開挖還受到施工輔助工程、施工進度等其他一些因素的影響。 例如，在一些長大隧洞的施工中，一般會采用導洞領先，兩側擴挖跟進的開挖方法，但是當獨頭掘進長度較大時，隧洞中通風狀況將會變得糟糕，而且由于大斷面隨洞開挖工程量大，鉆孔、爆破、運輸等造成隧洞內的空氣污染程度較高， 在這種情況下可以加快開挖導洞，在導洞貫通后再擴挖，這樣可以實現縱向式通風，改善隧洞通風條件。另外，地下洞室開挖還受到施工通道的制約，這方面的影響既包含本身可利用的施工通道條件，也包括為相鄰洞室施工提供通道的考慮。

6 結束語

總之，對大型洞室施工方法，特別是在目前地下洞室開挖廣泛使用了現代化施工機械的情況下，對洞室開挖方法和開挖程序作比較系統的研究，將具有很實際的工程意義。

［1］于景辰.地下廠房開挖的若干問題[J].東北水利水電，1999，5:15-17.

［2］陳萬業，董蘭鳳.地下洞室施工理論與技術進展[J].西北水電，2002，2:47-50.