隧道开挖方法

•在选择开挖方法时，应对隧道断面大小及形状、围岩的工程地质条件、埋置深度、支护条件、施工条件、环境条件、工期要求、工程量、机械配备能力、施工安全、经济性等相关因素进行综合分析，采用恰当的开挖方法，尤其应与支护条件相适应。•隧道施工中，开挖方法是影响围岩稳定的重要因素之一。钻爆法仍然是中国目前应用最广、最成熟的隧道修建方法。客运专线隧道开挖常用的方法有全断面法、台阶法、CD工法、CRD工法、双侧壁导坑工法。•从工程造价和施工速度考虑，施工方法选择顺序应为：全断面法→正台阶法→台阶设临时仰拱→中隔墙法→交叉中隔墙法→双侧壁导坑法。•从施工安全考虑，顺序正好反过来。在当前的施工实践中，采用最多的方法是台阶法，其次是全断面法。•在大断面隧道中，单侧壁导坑（小隔壁法）和双侧壁导坑（眼镜法）采用较多，由于施工机械的发展和辅助工法的采用，施工方法有向更多地采用全断面法，特别是全断面法与超短台阶法结合的发展趋势。施工方法简介施工方法简介•隧道施工的基本技术原则•因为围岩是隧道的主要承载单元，所以要在施工中充分保护和爱护围岩。避免过度破坏和损伤遗留围岩的强度，使暴露的围岩尽量保留既有的质量，是最重要最基本的原则。•为了充分发挥围岩的结构作用，应容许围岩有可控制的变形。•变形的控制主要是通过支护阻力(即各种支护结构)的效应达到的。全断面开挖法•全断面开挖法是指将整个隧道开挖断面一次钻孔、一次爆破成型、一次初期支护到位的隧道开挖方法。•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，且工序少，施工操作比较简单，便于施工组织和管理，较分部开挖法减少了爆破震动次数。但由于开挖面较大，围岩相对稳定性降低，且每个循环工作量较大，每次深孔爆破引起的震动较大，因此要求具有较强的开挖、出渣能力和相应的支护能力。全断面开挖法•有较大的断面进尺比（即开挖断面面积与掘进进尺之比），可获得较好的爆破效果，且爆破对围岩的震动次数较少，有利于围岩的稳定，但每次爆破震动强度却较大，要求进行严格的控制爆破设计，尤其是对于稳定性较差的围岩。•全断面法一次开挖成形，开挖跨度较大，高度较高，隧道周边围岩出现更大范围的塑性化和更大的变形，隧道拱脚和墙脚处的应力集中更严重，隧道拱顶更不稳定，围岩自稳所要求的围岩自身强度较高。全断面开挖法•对于硬岩隧道，由于其自身强度一般比较高，所以围岩自身强度并不是影响隧道稳定与安全的决定因素，可通过采取超前锚杆、超前小管棚、超前预注浆等辅助施工措施进行超前预加固，从而提高围岩的整体性。对于软岩隧道，由于其自身强度一般偏低，各种超前预加固措施对于围岩自身强度提高幅度有限，自身强度往往成为影响隧道稳定与安全的控制因素。•全断面法主要适用于Ⅰ～Ⅲ级硬岩地层和Ⅱ级软岩地层。对于Ⅳ级硬岩地层，在采取超前锚杆、超前小管棚、超前预注浆等辅助施工措施加固后，也可采用全断面法施工，但应根据具体围岩情况适当缩短开挖进尺。浅埋段、偏压段和洞口段不宜采用全断面法开挖。台阶法施工•台阶法施工就是将结构断面分成两个或几个部分，具有上下断面两个工作面或多个工作面，分步开挖。其优点是灵活多变、适用性强，有足够的作业空间和较快的施工速度，能较早地使支护闭合，有利于开挖面的稳定性和控制其结构变形及由此引起的地面沉降。缺点是上下部作业有互相干扰，应注意下部作业时对上部稳定性的影响，台阶开挖会增加对围岩的扰动次数等。•台阶法适用于Ⅲ、Ⅳ级围岩地层和洞口段、偏压段、浅埋段的Ⅰ～Ⅳ级硬岩地层和Ⅱ、Ⅲ级软岩地层，但应视具体情况采取超前大管棚、超前锚杆、超前小管棚、超前预注浆等辅助施工措施进行超前加固，并根据工程实际、地层条件和机械条件，选择合适的台阶方式。•根据地层条件和机械配备情况，台阶法又可分为正台阶法、中隔墙台阶法等。台阶法施工①正台阶上下两部分步开挖法•将断面分成上下两个台阶开挖，上台阶长度一般控制在1～1.5倍洞径，但必须在地层失去自稳能力之前尽快开挖下台阶，支护形成封闭结构。若地层较差，为了稳定工作面，也可辅以小导管超前支护等措施。•一般采用人工和机械混合开挖法，即上半断面采用人工开挖、机械出碴，下半断面采用机械开挖出、机械出碴。有时为解决上半断面出碴对下半断面的影响，可采用皮带运输机将上半断面的碴土送到下半断面的运输车中。台阶法施工②正台阶分步开挖留核心土法•该法适用于较差的地层，上台阶取1倍洞径左右环形开挖，留核心土，用系统小导管超前支护、预注浆稳定工作面，用网构钢拱架做初期支护，拱脚、墙脚设置锁脚锚杆。•当隧道断面较高时，可以分多层台阶法开挖，但台阶长度不允许超过1.5倍洞径。③中隔墙台阶法开挖•当工作面地层自稳能力较差，上台阶开挖后拱脚支撑在未开挖岩体上的自稳时间较短且开挖断面跨度较大时，可采用中隔墙台阶法（通常配合临时仰拱使用）。通过中隔墙的分载作用，减轻两侧拱脚的压力，降低地表沉陷值，以确保施工安全。•采用中隔墙台阶法开挖时，上台阶开挖长度一般控制在1.5倍洞径内，并辅之以超前小导管注浆加固地层，留核心土环形开挖等措施。由于中隔墙的限制，一般上台阶采用人工开挖，人工出碴至下台阶，下台阶采用机械开挖、机械出碴。台阶开挖法—中隔墙台阶法施工示意图台阶开挖法•台阶开挖时应注意台阶长度要适当。选用长台阶还是短台阶、微台阶，应根据两个条件来确定：其一是初期支护形成闭合断面的时间要求，围岩稳定性愈差，闭合时间要求愈短；其二是上半断面施工时开挖、支护、出渣等机械设备所需的空间大小的要求。还应注意解决好上、下半断面作业的相互干扰问题，尤其是短台阶干扰较大，要注意作业组织，对于长度较短的隧道，可将上半断面贯通后，再进行下半断面施工。下部开挖时，应注意上部的稳定，若围岩稳定性较好，则可以分段顺序开挖，若围岩稳定性较差，则应缩短下部掘进循环进尺，若稳定性更差，则可以左右错开，或先拉中槽后挖边帮。侧壁导坑法•单侧壁导坑法•单侧壁导坑法是指在隧道断面一侧先开挖一导坑，并始终超前一定距离，再开挖隧道断面剩余部分，变大跨断面为小跨断面的隧道开挖方法。•单侧壁导坑法主要适用于地层较差、断面较大，采用台阶法开挖有困难的，可采用人工配合机械开挖的Ⅳ、Ⅴ级围岩地层。•采用该法开挖时，单侧壁导坑超前的距离一般在2倍洞径以上。为了稳定工作面，须采取超前大管棚、超前锚杆、超前小管棚、超前预注浆等辅助施工措施进行超前加固。一般采用人工开挖、人工和机械配合开挖、人工和机械配合出碴。断面剩余部分开挖时，可适当采用控制爆破以免破坏已完成导坑的临时支护。侧壁导坑法•中隔墙法•中隔墙法也称CD工法(CenterDiaphragm)，是以台阶法为基础，将隧道断面从中间分成左右部分，使上、下台阶左右各分成2或多部分，每一部分开挖并支护后形成独立的闭合单元。侧壁导坑法•中隔墙法•通过隧道断面中部的临时支撑隔墙，将断面跨度一分为二，减小了开挖断面跨度，使断面受力更合理，从而使隧道开挖更安全、可靠。•中隔墙法主要适用于地层较差的Ⅳ、Ⅴ级围岩地层、不稳定岩体和浅埋段、偏压段、洞口段。一般采用人工开挖、人工和机械配合出碴。可适当采用控制爆破，以免破坏已完成的临时支撑隔墙。•采用该法进行隧道开挖时，台阶长度一般为1～1.5倍洞径(此处洞径取分部高度和跨度的大值)。先开挖一侧断面的最后一步与后开挖断面的第一步间应拉开1～1.5倍洞径的距离。为了稳定工作面，须采取超前大管棚、超前锚杆、超前小管棚、超前预注浆等辅助施工措施进行超前加固。侧壁导坑法•交叉中隔墙法•交叉中隔墙法也称CRD工法(CrossDiaphragm)。当CD工法仍不能保证围岩稳定和隧道施工安全要求时，可在CD工法的基础上对各分部加设临时仰拱，将原CD工法先开挖中壁一侧改为两侧交叉开挖、步步封闭成环而改进发展的一种工法。•交叉中隔墙法•最大特点是将大断面施工化成小段面施工，各个局部封闭成环的时间短，控制早期围岩变形，每个步序受力体系完整。施工大量实例资料的统计结果表明，CRD工法比CD工法减少地表下沉近50%。但CRD工法施工工序复杂、隔墙拆除困难、成本较高、进度较慢。•CRD工法各分部间应拉开一定的距离，距离以保证掌子面稳定为准，一般为1～1.5倍洞径(此处洞径取分部高度和跨度的大值)，但在能保证掌子面围岩稳定的情况下，可适当缩短距离，以保证操作空间要求。•CRD工法适用于特别破碎的岩石、碎石土、卵石土、圆砾土、角砾土及黄土组成的Ⅴ级围岩和软塑状黏性土、潮湿的粉细砂组成的Ⅵ级围岩及较差围岩中的洞口段、偏压段、浅埋段等。•为了稳定工作面，采用CRD工法施工时，须采取超前大管棚、超前锚杆、超前小管棚、超前预注浆、掌子面封闭等辅助施工措施进行超前加固。一般采用人工开挖、人工和机械配合出碴。可适当采用控制爆破，以免破坏已完成的临时支撑隔墙和临时仰拱。侧壁导坑法双侧壁导坑法•双侧壁导坑法是双侧壁导坑超前中间台阶法的简称，也称眼镜（睛）工法，也是变大跨度为小跨度的施工方法。侧壁导坑法•双侧壁导洞法以台阶法为基础，将隧道断面分成双侧壁导洞和上、下台阶4部分，将大跨度分成3个小跨度进行作业，其双侧壁导洞尺寸以满足机械设备和施工条件为主确定。•该工法工序较复杂，导坑的支护拆除困难，钢架连接困难，而且成本较高，进度较慢。•双侧壁导坑法主要适用于断面很大、地层较差的Ⅳ、Ⅴ级围岩地层、不稳定岩体和浅埋段、偏压段、洞口段。•采用该法开挖时，双侧壁导坑超前的距离相等或不等。为了稳定工作面，经常和超前预注浆等辅助施工措施配合使用。一般采用人工、机械混合开挖，人工、机械混合出碴。•施工时，应先开挖两侧的侧壁导洞，在导洞内施工完支护后再开挖上台阶，当隧道跨度大而地层条件较差时，上台阶也可采用中隔墙法或环形留核心土法开挖后并及时施工初期支护结构，在拱、墙的保护下，逐层开挖下台阶至基底，并施工仰拱或底板。施工过程中，左右侧壁导洞错开不小于15m，这是基于在开挖中引起导洞周边围岩应力重新分布不影响已成导洞而确定的。上、下台阶之间的距离，视具体情况，按台阶法确定。侧壁导坑法侧壁导坑法侧壁导坑法•台阶七步开挖法•洞身开挖采用台阶七步开挖法施工，是指在隧道开挖过程中，分七个开挖面，以前后七个不同的位置相互错开同时开挖，然后分部同时支护，形成支护整体，缩短作业循环时间，逐步向纵深推进的作业方法，形成开挖及施作初期支护，混凝土仰拱紧跟下台阶及时施作构成稳固的初期支护体系。台阶七步开挖法3m3m3m3m4m～6m166623457短台阶七步开挖法开挖步序图核心土3m～8m仰拱栈桥111234576663m～5m台阶七步开挖法三台阶七步开挖法台阶三开挖法