常規(guī)隧道開挖方法

　　開挖方法分為明挖法和暗挖法。明挖法多用于淺埋隧道或城市鐵路隧道，而山嶺鐵路隧道多用暗挖法。按開挖斷面大小、位置分，有分部開挖法和全斷面開挖法。在石質(zhì)巖層中采用鉆爆法最為廣泛，采用掘進(jìn)機(jī)直接開挖也逐漸推廣。在松軟地質(zhì)中采用盾構(gòu)法開挖較多。

　　鉆爆法在隧道巖面上鉆眼，并裝填炸藥爆破，用全斷面開挖或分部開挖等將隧道開挖成型的施工方法。

　　鉆爆法開挖作業(yè)程序包括測(cè)量、鉆孔、裝藥、爆破、通風(fēng)、出碴、錨桿、立架、掛網(wǎng)、噴錨等工序。

　?、巽@孔：要先設(shè)計(jì)炮孔方案，然后按設(shè)計(jì)的炮孔位置、方向和深度嚴(yán)格鉆孔。單線隧道全斷面開挖，采用鉆孔臺(tái)車配備中型鑿巖機(jī)，鉆孔深度約為2.5～4.0米。雙線隧道全斷面開挖采用大型鑿巖臺(tái)車配備重型鑿巖機(jī)，鉆孔深度可達(dá)5.0米。炮孔直徑約為 4～5厘米。炮孔分為掏槽孔（開辟臨空面）、掘進(jìn)孔（保證進(jìn)度）和周邊孔（控制輪廓）。

　?、谘b藥：在掘進(jìn)孔、掏槽孔和周邊孔內(nèi)裝填炸藥。一般裝填硝胺炸藥，有時(shí)也用膠質(zhì)炸藥。裝填炸藥率約為炮眼長度的60%～80%，周邊孔的裝藥量要少些。為縮短裝藥時(shí)間，可把硝胺炸藥制成長的管狀藥卷，以便填入炮眼；也可利用特制的裝藥機(jī)械把細(xì)粒狀藥粉射入炮孔中。

　?、郾疲?9世紀(jì)上半期以前用明火起爆。1867年美國胡薩克鐵路隧道開始采用電力起爆。此后，電力起爆逐漸推廣。在全斷面掘進(jìn)中，為了減低爆破對(duì)圍巖的震動(dòng)和破壞，并保證爆破的效果，多采用分時(shí)間階段爆破的電雷管或毫秒雷管起爆。一般拱部采用光面爆破，邊墻采用預(yù)裂爆破。近期發(fā)展的非電引爆的導(dǎo)爆索應(yīng)用日益廣泛。

　　④施工通風(fēng)：排出或稀釋爆破后產(chǎn)生的有害氣體和由內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的氮氧化物及一氧化碳，同時(shí)排除煙塵，供給新鮮空氣，借以保證隧道施工人員的安全和改善工作環(huán)境。通風(fēng)可分主要系統(tǒng)和局部系統(tǒng)。主要系統(tǒng)可利用管道（直徑一般為1～1.5米，也有更大的）或巷道（平行導(dǎo)坑等），配以大型或中型通風(fēng)機(jī)；局部系統(tǒng)多用小型管道及小型通風(fēng)機(jī)。巷道通風(fēng)多采用吸出式，將污濁空氣吸出洞外，新鮮空氣由正洞流入。新鮮空氣不易達(dá)到的工作面，須采用局部通風(fēng)機(jī)補(bǔ)充壓入。

　?、菔┕ぶёo(hù)：隧道開挖必須及時(shí)支護(hù)，以減少圍巖松動(dòng)，防止塌方。施工支護(hù)分為構(gòu)件支撐和噴錨支護(hù)。構(gòu)件支撐一般有木料、金屬、鋼木混合構(gòu)件等，現(xiàn)在使用鋼支撐者逐漸加多。噴錨支護(hù)是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種支護(hù)方法，其特點(diǎn)是支護(hù)及時(shí)、穩(wěn)固可靠，具有一定柔性，與圍巖密貼，能給施工場(chǎng)地提供較大活動(dòng)空間。中國在一些老黃土隧道中應(yīng)用噴錨支護(hù)也獲得成功。噴射混凝土工藝分為干噴和濕噴?，F(xiàn)多采用干噴法，即將干拌混凝土內(nèi)摻入一定數(shù)量的速凝劑，用壓縮空氣將混凝土由管內(nèi)噴出。在噴口加水射到巖石面上，一次可噴3～5厘米厚度。在噴射混凝土中摻入一些鋼纖維，或在巖面掛鋼絲網(wǎng)可提高噴錨支護(hù)的強(qiáng)度。鋼錨桿安設(shè)在巖層面上的鉆孔內(nèi)，其長度和間距視圍巖性質(zhì)而定，一般長度為2～5米，通常用樹膠和水泥漿沿桿體全長錨固。在巖層較好地段僅噴混凝土即可得到足夠的支護(hù)強(qiáng)度。在圍巖堅(jiān)硬穩(wěn)定的地段也可不加支撐。在軟弱圍巖地段噴錨可以聯(lián)合使用，錨桿應(yīng)加長，以加強(qiáng)支護(hù)力。

　?、扪b碴與運(yùn)輸：在開挖作業(yè)中，裝碴機(jī)可采用多種類型，如后翻式、裝載式、扒斗式、蟹爪式和大鏟斗內(nèi)燃裝載機(jī)等。運(yùn)輸機(jī)車有內(nèi)燃牽引車、電瓶車等，運(yùn)輸車輛有大斗車、槽式列車、梭式礦車及大型自卸汽車等。運(yùn)輸線分有軌和無軌兩種。

　　由鉆孔直到出碴完畢稱為一個(gè)開挖循環(huán)。根據(jù)中國的經(jīng)驗(yàn)，在單線全斷面開挖中24小時(shí)能作兩個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)能進(jìn)3.5米深度，每日單口進(jìn)度可達(dá)7米。然而在開挖中難免遇到斷層或松軟石質(zhì)以及涌水等，不易保持每日的預(yù)計(jì)循環(huán)，所以每月單口實(shí)際進(jìn)度多低于200米。中國成昆線蜜蜂箐單線隧道單口最高月進(jìn)度曾達(dá)到 200米。日本大清水雙線隧道單口最高月進(jìn)度曾達(dá)到 160米。開挖循環(huán)作業(yè)的特點(diǎn)是一個(gè)工序接一個(gè)工序必須逐項(xiàng)按時(shí)完成，否則前一工序推遲就會(huì)影響下一工序，因而拖長全部時(shí)間。其中最主要的工序?yàn)殂@孔及出碴，所用時(shí)間占全部作業(yè)時(shí)間比例較大。

　　鉆爆法開挖采用的方法有全斷面開挖法和分部開挖法。

　?、偃珨嗝骈_挖法：一次開挖成型的方法。一般采用帶有鑿巖機(jī)的臺(tái)車鉆孔，用毫秒爆破，噴錨支護(hù)。還要有大型裝碴運(yùn)輸機(jī)械和通風(fēng)設(shè)備。全斷面開挖法又演變?yōu)榘霐嗝娣ā０霐嗝娣ㄊ腔⌒紊习氩款I(lǐng)先，下半部隔一段距離施工。

　?、诜植块_挖法：先用小斷面超前開挖導(dǎo)坑，然后，將導(dǎo)坑擴(kuò)大到半斷面或全斷面的開挖方法。這種方法主要優(yōu)點(diǎn)是可采用輕型機(jī)械施工，多開工作面，各工序間拉開一定的安全距離。缺點(diǎn)是工序多，有干擾，用人多。根據(jù)導(dǎo)坑在隧道斷面的位置分為：上導(dǎo)坑法、中央導(dǎo)坑法、下導(dǎo)坑法以及由上下導(dǎo)坑互相配合的各種方法，另有把全斷面縱向分為臺(tái)階進(jìn)行開挖，而各層臺(tái)階距離較短的臺(tái)階法。

　　上導(dǎo)坑法適用于軟弱巖層、襯砌順序是先拱后墻，曾于1872～1881年為圣哥達(dá)隧道采用。中國短隧道一般用這種方法。中央導(dǎo)坑法是導(dǎo)坑開挖后向四周打輻射炮眼爆破出全斷面或先擴(kuò)大上半部。20世紀(jì)初美洲曾用這種方法，20年代美國新喀斯喀特隧道也用這種方法。下導(dǎo)坑法即下導(dǎo)坑領(lǐng)先的方法。其中包括：a.上下導(dǎo)坑法，利用領(lǐng)先的下導(dǎo)坑向上預(yù)打漏斗孔，便于開展上導(dǎo)坑等多工序平行作業(yè)。襯砌順序多用先拱后墻，遇圍巖較好時(shí)亦可改為先墻后拱。b.漏斗棚架法，適用于堅(jiān)硬地層，以下導(dǎo)坑掘進(jìn)領(lǐng)先，由下而上分層開挖，設(shè)棚架，先襯砌邊墻后砌拱。1961～1966年在中國成昆線關(guān)村壩鐵路隧道應(yīng)用，1964年復(fù)工后取得平均單口月成洞152米的進(jìn)度。c.蘑菇形法，同漏斗棚架法類似，也設(shè)棚架，但先襯砌拱部后砌邊墻。1971～1973年在枝柳線彭莫山單線隧道應(yīng)用，取得平均單口月成洞132米的進(jìn)度側(cè)壁導(dǎo)坑法，兩個(gè)下導(dǎo)坑領(lǐng)先，環(huán)形開挖，最后挖掉中心土體，襯砌順序?yàn)橄葔蠊?，多用于圍巖很差的雙線隧道。也有采用上導(dǎo)坑領(lǐng)先及兩個(gè)下導(dǎo)坑成品字形的。全斷面開挖法和分部開挖法是鉆爆法開挖常用的方法，但隧道施工很復(fù)雜，時(shí)常遇到各種困難情況，如大斷層、流沙、膨脹地層、溶洞、大量涌水等，尚需采取相應(yīng)措施。

　　盾構(gòu)法采用盾構(gòu)作為施工機(jī)具的隧道施工方法[2] .1825年在倫敦泰晤士河水下隧道首先試用盾構(gòu)，并獲得成功。此后，松軟地質(zhì)多采用盾構(gòu)法開挖。盾構(gòu)是一種圓形鋼結(jié)構(gòu)開挖機(jī)械，其前端為切口環(huán)，中間為支撐環(huán)，后端為盾尾。開挖時(shí)，切口環(huán)首先切入地層并能掩護(hù)工人安全地工作；支撐環(huán)是承受荷載的主要部分，其中安設(shè)多臺(tái)推進(jìn)盾構(gòu)的千斤頂及其他機(jī)械；盾尾隨著上述兩部分前進(jìn)，保護(hù)工人安裝鑄鐵管片或鋼筋混凝土管片。盾構(gòu)法適用于松軟地層，施工安全，對(duì)地層擾動(dòng)少，控制圍巖周邊準(zhǔn)確，極少超挖。日本丹那鐵路隧道曾采用盾構(gòu)法施工。

　　掘進(jìn)機(jī)法在整個(gè)隧道斷面上，用連續(xù)掘進(jìn)的聯(lián)動(dòng)機(jī)施工的方法。早在19世紀(jì)50年代初，美國胡薩克隧道就試用過掘進(jìn)機(jī)，但未成功。直到20世紀(jì)50年代以后才逐漸發(fā)展起來。掘進(jìn)機(jī)是一種用強(qiáng)力切割地層的圓形鋼結(jié)構(gòu)機(jī)械，有多種類型。普通型的掘進(jìn)機(jī)的前端是一個(gè)金屬圓盤，以強(qiáng)大的旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)力驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，圓盤上裝有數(shù)十把特制刀具，切割地層，圓盤周邊裝有若干鏟斗將切割的碎石傾入皮帶運(yùn)輸機(jī)，自后部運(yùn)出。機(jī)身中部有數(shù)對(duì)可伸縮的支撐機(jī)構(gòu)，當(dāng)?shù)毒咔懈畹貙訒r(shí)，它先外伸撐緊在周圍巖壁上，以平衡強(qiáng)大的扭矩和推力。掘進(jìn)機(jī)法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)圍巖擾動(dòng)少，控制斷面準(zhǔn)確，無超挖，速度快，操作人員少。

　　隧道襯砌隧道開挖后，為使圍巖穩(wěn)定，確保運(yùn)營安全，需按一定輪廓尺寸建造一層具有足夠強(qiáng)度的支護(hù)結(jié)構(gòu)，這種隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)稱為隧道襯砌。常用的襯砌種類有就地灌注混凝土類、預(yù)制塊拼裝、噴錨或單噴混凝土、復(fù)合式襯砌。復(fù)合式襯砌是在噴錨或單噴支護(hù)之后，再就地灌注一層混凝土，形成噴錨支護(hù)同混凝土襯砌結(jié)合的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。如遇有水地段可在兩層支護(hù)間加掛一層塑料板或做其他防水層。

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