隧道全断面开挖工艺

3.隧道洞身开挖施工工艺

3.1全断面开挖方法

按设计将整个开挖断面采用一次性开挖成形（主要是爆破或机械开挖）、初期支护一次到位，再施作衬砌的施工方法叫全断面开挖法。

3.1.1 适用范围

全断面法主要适用于Ⅰ～Ⅲ级围岩；当断面在50m2以下，隧道又处于Ⅳ级围岩地层时，为了减少对地层的扰动次数，在进行局部注浆等辅助施工加固地层后，也可采用全断面法施工，但在第四纪地层中时，断面面积一般在20m2以下，施工中仍需特别注意。山岭隧道及小断面城市地下电力、热力、电信等管道多用此法。

图3.1.1 隧道全断面开挖图

（1）优点

①可以减少开挖对围岩的扰动次数，有利于围岩天然承载拱的形成；

②全断面开挖法有较大的作业空间，有利于采用大型配套机械化作业，提高施工速度，防水处理简单，且工序少，便于施工组织和管理。

（2）缺点

①对地质条件要求严格，围岩必须有足够的自稳能力；

②由于开挖面较大，围岩相对稳定性降低，且每循环工作量相对较大；

③当采用钻爆法开挖时，每次深孔爆破震动较大，因此要求进行精心的钻爆设计和严格的控制爆破作业。

3.1.2 施工工艺流程

图3.1.2：全断面施工工艺流程图

3.1.3 施工工艺

（1） 施工准备

①施工供风

施工供风应按照工程特点、工区划分、工区承担施工长度及同时作业面个数，根据每个工区洞内用风量的大小，独立设置供风系统。同时在计算各供风参数时，应考虑供风过程中风量、风压的损失，计算配置空压机型号和数量。根据计算采用管径适合的钢管，钢管节间法兰盘接头采用石棉衬垫，保证接头严密，不漏风，管路前端至工作面保持30m的距离，钢管与分风器采用φ50mm的高压软管连接，分风器与凿岩机采用φ25mm的软管进行连接，保证工作面风动凿岩机风压在0.5MPa以上。

②施工供水

施工用水尽量在工程位置附近选择水源，以缩短供水线路，并取水样进行水质鉴定，使用符合标准的工程用水，从水源处利用供水主管接至各施工工区，主管钢管接头之间采用法兰盘进行连接，进入工作面以后，采用φ50mm的高压胶管接至各分水器，并保证工作面凿岩机需用水压。

③施工用电

施工用电应进行专项施工用电设计，并采用三级配电二级保护方式。长大隧道采用利用10KV高压电缆进洞，变压以后引至各施工工区，变压器的容量采用500KVA，同时应考虑设置了发电机作为后备电源，以确保洞内的正常施工。高压电缆一般采用50mm2，线路按三相五线制进行布置，以满足动力设备及照明的需要，隧道动力设备供电为380V，隧道照明成洞地段采用220V，作业地段照明采用36V。

图3.1.3-01隧道风水电管路布置

④准备施工简易台架

准备施工用简易台架（钻孔作业台架、初支作业台架、防水卷材安设台架），由于简易台架具有结构简单，移动灵活、成本低、可现场加工等特点，在施工现场被广泛采用，开挖台架需要与爆破设计中孔位布置进行设计。利用现场既有的钢筋、工字钢、钢管等常用材料3～5吨左右（每个），3～5天即可加工完成。

图3.1.3-02隧道自加工开挖台架

（2）测量放线

测绘断面开挖轮廓。利用洞内装载机或作业台架沿隧道中线端移台架到施工掌子面，检查台架接触隧道底面的稳固性，调整台架前端与掌子面之间的距离，利于施钻。牢靠连接风钻软管至台架上各层的分风器和分水器接头，调试风钻正常准备施工。开挖断面轮廓放样可采用全站仪直接设站于洞内控制中线点上，将掌子面里程和仪器高程输入编程计算机后即可确定掌子面拱部中心，据此放出开挖轮廓。随着断面仪所指示的红色激光投影轮廓线，指示利用红油漆绘制即可完成。

（3）布置炮眼。

根据钻爆设计布置各类炮眼，并用明显的标志标记在掌子面开挖断面轮廓线内，具体的炮眼布置应根据已批准的爆破设计进行。

（4）钻眼爆破。

通过认真考虑隧道地质围岩的整体性能、岩性特点、开挖断面的大小、队伍的施钻技术水平、钻眼机具、开挖循环进尺、爆破器材，爆破的震动强度、对围岩的扰动等因素进行爆破参数设计。

①钻爆设计应包括的内容

各类炮眼（掏槽眼、辅助眼、周边眼、底板眼）的布置、深度、斜率和数量，爆破器材、装药量和装药结构，起爆方法和顺序，钻眼机具和钻眼要求，主要技术经济指标及必要的说明等。

②掏槽方式选择

掏槽眼的布设方式和掏槽大小对爆破创设临空面和爆破效果起到关键的影响，掏槽方式和掏槽位置的选择可根据断面大小，炮眼数量、设定的掘进进尺综合考虑后来选择。隧道施工一般采用斜眼掏槽和直眼掏槽。

③炮眼布置

周边眼沿隧道开挖轮廓线布置，保证开挖断面符合施工图要求；掘进眼交错均匀布置在内圈眼与掏槽眼之间，力求爆破出的石渣块度适合装渣的需求；周边眼、内圈眼与辅助眼的孔底保持在同一垂直面上，掏槽钻孔应加深10～20cm。

④装药结构

周边眼应使用小直径药卷，采用间隔装药结构，并用竹片将药卷与围岩隔开，其它炮眼采用连续装药结构，一般采用较大直径药卷。眼口用炮泥堵塞，长度不小于30cm。

⑤起爆顺序及网络

光爆爆破时，从掏槽眼开始，一层一层从截面中心向外起爆，最后是周边眼爆破，具体为掏槽眼先爆，接着为辅助掘进眼，再接着为周边眼，最后是底板眼。根据现场人工装药的方便及非电毫秒的延时误差，确定合理的起爆时差，若缺段时尽量采用大段别的代替，以保证时差。炮眼起爆采用非电毫秒延时雷管分段起爆，其中周边眼用导爆索连接传爆，与非电毫秒雷管相连，其他炮眼采用底部安设置非电毫秒延时雷管反向起爆装药结构，导爆管引出传爆，双火雷管引爆。

（5）施工通风，排除掌子面炮烟及污浊空气，具体通风方式可根据工程特点及掌子面掘进深度等采用压入式、混合式、压出式或巷道式。优先考虑压入式通风，压入式通风有效射程大，冲淡和排出炮烟的作用强；操作简单，只需隔一定距离延长通风管。长距离通风尽量采用串联式轴流风机，风压较大。通风管的选用：为防止风压过大通风管开裂，通风机口200～300m采用带钢圈的负压风管。其余采用漏风率低，内摩擦阻力系数小的高强软风管，单节长20～30m(为避免通风管过长，出风口距掌子面太远，出风口固定一节5～10m的短风管)。条件允许的情况下，尽可通选用大直径通风管。通风检算主要从最低允许风速、最多允许工作人数、排除炮烟、稀释内燃机废气四方面考虑。

（6）找顶排险

找顶排除松动岩块可能脱落的安全隐患，出碴设备进场准备装转碴体，此时体现了全断面法机械化程度高的优势，合理组织大功率机械设备，由领工员统一指挥调度，缩短出碴工序时间。

（7）出渣与运输

根据隧道长度、断面大小、纵坡大小、经济性及施工进度要求等进行综合确定出渣运输方式，保证作业安全。

常规情况下掌子面采用装载机装渣，大型自卸汽车运渣。施工过程中首先要保证工作面的照明，以便于司机操作，同时也要保证装渣及运渣设备处于良好状态，机械的装渣能力应与每次开挖土石方量及运输车辆的容量相适应，运输道路平整通畅，在关健地段设置车辆调度室，对进出车辆进行合理调配。施工区域显要位置设置安全警示标识。

（8）断面检查

对开挖断面质量进行检查，并进行地质素描和地质状况判定。检查结果满足验收和规范要求，达到合格，方可进行下道工序施工，否则应对开挖轮廓表面局部存在欠挖的部位进行处理，直至合格，进入下道工序。

（9）施工初期支护

锚杆支护可在钻孔台架上与钻爆同时施做，另单独制作结构与钻孔台架相似初支简易台架，挂网和喷砼等剩余支护措施在该初支台架上完成，缩短初支工序施工时间。另外，在围岩地质状况良好未发生变化的情况下，可开挖2—3个循环后一次利用简易台架按照设计锚喷参数做好初期支护，但如围岩状况有明显变化，应对完成的上循环进尺段立即进行初支，并考虑是否改变开挖施工方法。

（10）监控量测。

在施做初期支护的同时，按照监控量测实施方案进行量测断面及量测点的布置，初期支护施工完成后，立即采集初始量测基础数据，并按照方案要求的频率进行后续监测，及时分析处理监测数据，并及时将结果反馈到施工过程中指导现场施工，灵活科学地根据现场施工情况及时调整量测项目和内容，准确掌握开挖支护后的围岩变化情况，为指导施工、修正设计、确定后续工序施工时间提供依据。监控量测量测断面的布置间距按照围岩级别确定，通常Ⅴ～Ⅵ级围岩量测断面间距取5m，Ⅳ级围岩量测断面间距取5～10m，Ⅲ级围岩取10～30m，Ⅰ、Ⅱ级围岩视具体地质情况确定。监控量测必测项目一般有地表沉降、拱顶下沉、净空变化及洞内、外观察，常用的量测仪器有水准仪、全站仪、收敛计等，量测频率应根据测量断面距开挖掌子面的距离及位移速度确定，原则上采用较高的频率观测，出现异常情况或不良地质时，应增大监测频率。

（11）结构防排水

在监控量测最终的监测及处理结果显示呈围岩稳定状态后，利用作业台架，进行结构防排水设计措施的施工，施工前应对初支表面进行检查和处理，保证防水设施挂设质量。

（12）仰拱及二衬施工

在掘进掌子面纵深推进至一定安全距离后，对设计有仰拱地段，分左右幅或利用栈桥进行捡底、仰拱、填充混凝土浇筑，使初期支护尽早闭合成环，并为顺利运输创造条件。当仰拱超前完成至30—50m后准备二衬施工，二衬施工前应确定围岩监控量测结果显示围岩状态稳定后方能开始组织施工。二衬混凝土采用全断面液压模板台车、泵送混凝土灌注。混凝土在自动计量拌合站拌合，混凝土罐车运输。

3.1.4 施工顺序及控制要点

3.1.4.1施工顺序

图3.1.4.1 全断面施工方式

全断面法施工顺序：施工中先全断面开挖①，施作初期支护②，再开挖仰拱（捡底）③，再浇筑仰拱砼④，待初期支护趋于稳定后整体模筑二次衬砌⑤。

3.1.4.2控制要点

（1）隧道开挖断面的中线和高程必须符合施工图要求。

① 检查数量：每一开挖循环检查一次；

② 检查方法：采用仪器测量。

（2）隧道开挖必须严格控制欠挖,当围岩完整、石质坚硬时，岩石个别突出部位（每1㎡不大于0.1㎡）侵入衬砌必须小于5cm,拱脚和墙脚以上1m内断面严禁欠挖。

① 检查数量：每一开挖循环检查一次；

② 检查方法：采用自动断面仪等仪器测量周边轮廓断面，绘断面图与施工图断面核对。

（3）洞身开挖必须核对地质，在每一次开挖后及时观察、描述开挖面地层的层理、节理、裂隙的结构状况、岩体的软硬程度、出水量大小等，核对施工图地质情况，判断围岩稳定性。

（4）光面爆破或预裂爆破钻孔眼，必须根据钻爆设计图准确标示出钻孔位置。钻孔时必须按钻爆设计要求严格控制钻孔的间距、深度和角度，掏槽眼的眼口间距和深度允许偏差为5cm。周边眼的间距允许偏差为5cm，外插角必须符合钻爆设计要求，孔底不得超出开挖断面轮廓线15cm。

① 检查数量：每一开挖循环检查全部掏槽眼和10%周边眼；

② 检查方法：测量。

（5）光面爆破的钻孔痕迹保存率，硬岩不得小于80%，中硬岩不得小于60%，并在开挖轮廓面上均匀分布。

① 检查数量：每一爆破开挖循环检查一次；

② 检查方法：对照钻爆设计资料，观察、计数检验钻孔痕迹保存率。

3.1.5 工艺装备

全断面开挖施工工艺是一项综合程度较高的施工工艺，比分部开挖效率有很大提高。全断面开挖施工方法与机械设备配套原则为配置设备生产能力高于进度指标，保证即使个别设备发生故障，施工生产也不致受到影响。同类机械设备尽可能采用同厂家设备，以便于维修、配件供应和通用互换，确保机械使用率。

常规的隧道全断面开挖法的设备如下：

开挖：空压机、风动式凿岩机、自制式简易开挖台架（多臂作业台车）

图3.1.5-01 YT-28凿岩机

图3.1.5-02 三臂凿岩台车

装碴运碴：挖掘机、装载机、自卸汽车、扒渣机

图3.1.5-03 履带式趴碴机

初期支护：喷浆机、湿喷机械手、锚杆作业台车

图3.1.5-04 岩峰TK600湿喷机

图3.1.5-04湿喷机机械手

防排水：挂板台车、射钉枪、防水板超声波焊机

图3.1.5-05 防水板超声波焊机

仰拱及二衬：自制式衬砌台车、仰拱栈桥、混凝土输送泵

图3.1.5-06 液压式衬砌台车 图3.1.5-07 简易式仰拱栈桥

3.1.6 生产效率

根据以往施工经验，50m2开挖断面的单线隧道施工循环时间如下：

单线隧道全断面施工循环时间表（S=50m2）

注：以循环进尺3m，锚网喷支护为例；月进度在180-200m左右。

3.1.7安全生产措施

（1）开始施工前,必须对施工工艺中存在的危险源进行辨识和安全风险评估,编制安全管理实施方案,并制定相应的应急措施方案;

（2）施工机械使用、操作人员条件、检修保养、各种专用施工机具和料具、施工用电、特殊环境中作业等应严格执行相关技术规范要求;

（3）施工过程中必须对施工人员加强安全技术交底,特殊工种必须经考试合格后方能上岗，在推广新技术和使用新型机械设备时,应对员工进行再培训和安全教育；

（4）进洞人员必须戴好安全帽,洞内作业人员应佩戴防尘面具;禁止无关人员进洞；

（5）开挖作业必须保证安全;开挖时必须减少对围岩的扰动;

（6）爆破后应检查爆破和开挖面情况,清除瞎炮、残炮和危石。

（7）开挖面及未衬砌地段应随时检查,险情应及时处理

（8）开挖工作面与衬砌的距离必须满足相关规范和文件要求；

（9）开挖不得危及衬砌、初期支护及施工设备的安全

（10）施工作业地段的出渣车辆行车速度不得大于15km/h,成洞地段不得大于25km/h;在衬砌模板台车等狹窄地段必须设置减速和警示标识；

（11）出渣时间洞内必须加强通风,保证洞内清晰,并且使洞内环境必须符合职业健康标准。

3.1.8环境保护措施

（1）施工现场坚持工完料清,垃圾杂物集中整齐堆放,及时处理。施工废水严禁任意排放,严格按照招标文件要求经处理后达标排放；

（2）弃渣不得随意堆放,须运至指定的卸渣场；

（3）施工中采取冇效措施,保护环境,爆破时采用控制爆破,不影响临近建筑物及其它设施正常安全使用；

（4）对弃碴场基层清除的土层和基坑开挖的土石方集中堆放,避免被水冲刷,污染河流；

（5）自卸汽车在运输过程中,必须保持平稳行驶,严禁在便道上随意抛洒；

（6）便道须经常保持湿润,避兔车辆行驶时粉尘较大,影响周边环境。