矿山法综述

李越北京交通大学14121052Beijingjiaotonguniversity1/20矿山法综述摘要：矿山法是暗挖法的一种，主要用钻眼爆破方法开挖断面而修筑隧道及地下工程的施工方法。用矿山法施工时，将整个断面分部开挖至设计轮廓，并随之修筑衬砌。当地层松软时，则可采用简便挖掘机具进行，并根据围岩稳定程度，在需要时应边开挖边支护。分部开挖时，断面上最先开挖导坑，再由导坑向断面设计轮廓进行扩大开挖。分部开挖主要是为了减少对围岩的扰动，分部的大小和多少视地质条件、隧道断面尺寸、支护类型而定。在坚实、整体的岩层中，对中、小断面的隧道，可不分部而将全断面一次开挖。如遇松软、破碎地层，须分部开挖，并配合开挖及时设置临时支撑，以防止土石坍塌。喷锚支护的出现，使分部数目得以减少，并进而发展成新奥法。但是矿山法也受到安全系数低，需要劳动力较多等缺点，所以国内外正在研究方法使得矿山法有更强的适用性和更经济安全的操作性。本文就矿山法的性质与特点，国内外发展现状及存在问题和发展动向做论述。关键词：矿山法，安全经济，隧道，爆破一、矿山法的性质与特点1.1矿山法的定义矿山法是一种传统的施工力法，是人们在长期的施工实践中发展起来的。它是以木或钢构件作为临时支撑，待隧道开挖成型后．逐步将临时支撑撤换下来，而代之以整体式厚衬砌作为永久性支护的施工方法。因借鉴矿山开拓巷道的方法，故名。它总是与钻眼，爆破技术联系在一起，所以也称为钻爆法。是山岭隧道最常用的施工方法，我国的铁路、水路、公路等地下通道绝大多数采用的此种方法修筑。1.2矿山法的原理现代矿山法的基本原理是，隧道开挖后受爆破影响，造成岩体破裂形成松弛状态，随时都有可能坍落。基于这种松弛荷载理论依据，其施工方法是按分部顺李越北京交通大学14121052Beijingjiaotonguniversity2/20序采取分割式一块一块的开挖，并要求边挖边撑以求安全，所以支撑复杂，木料耗用多。随着喷锚支护的出现，使分部数目得以减少，并进而发展成新奥法。用矿山法施工时，将整个断面分部开挖至设计轮廓，并随之修筑衬砌。当地层松软时，则可采用简便挖掘机具进行，并根据围岩稳定程度，在需要时应边开挖边支护。分部开挖时，断面上最先开挖导坑，再由导坑向断面设计轮廓进行扩大开挖。分部开挖主要是为了减少对围岩的扰动，分部的大小和多少视地质条件、隧道断面尺寸、支护类型而定。在坚实、整体的岩层中，对中、小断面的隧道，可不分部而将全断面一次开挖。如遇松软、破碎地层，须分部开挖，并配合开挖及时设置临时支撑，以防止土石坍塌。基本作业：钻爆与开挖、运输与出渣，支护和衬砌。辅助作业：施工通风与除尘、施工排水与供水、施工供电与照明、压缩空气的供应。矿山法施工中遵循的技术原则1)因为围岩是隧道的主要承载单元，所以在施工中必须充分保护围岩，应根据地质条件、断面尺寸及施工方法等，采用控制爆破技术。2)为了充分发挥围岩的结构作用，应容许围岩有控制的变形。3)在施工中必须合理地决定支护结构的类型、支护结构参与工作的时间、各种支护手段的相互配合、底部封闭时间、一次掘进长度等。4)在施工中，必须进行实地量测监控，及时提出可靠的数量的量测信息，以指导施工和设计。5)在隧道施工过程中，建立设计——施工检验——地质预测一量测反馈一修正的一体化施工管理系统，以不断提高和完善隧道施工技术。6)在选择支护手段时，一般应选择能大面积牢固与围岩紧密接触的、能及时施设和应变能力强的支护手段，因此，多采用喷混凝土、锚杆金属网联合使用，有时也要与钢支撑或格栅等配合使用；临时仰拱也是重要的，是不容忽视的支护手段。7)要特别注意，隧道施工过程是力学状态不断变化的过程，减少分部，也就有可能减少因分部过多而引起的围岩内的应力变化和围岩的松弛。因此，在有可能的条件下，应尽量采用全断面或大断面分部的开挖方法。8)使隧道断面在较短时间内闭合，应尽量采用先修筑仰拱（或临时仰拱）李越北京交通大学14121052Beijingjiaotonguniversity3/20或铺底的施工方法。9)二次衬砌应采用先墙后拱的施工顺序1.3矿山法的分类1.3.1按埋深分按埋深深浅划分，矿山法可分为一般矿山法和浅埋矿山法。一般矿山法多用在山岭隧道，公路隧道，水工隧道等，埋深较深的地质环境，而浅埋矿山法多用于城市地铁隧道，管线共同沟的工程中，它的特点是覆土薄，地质条件差承载能力小，变形快，隧道附近往往有较重要的建筑物和地下管网，对施工的噪声，沉降都有严格的要求。1.3.1按施工方法分矿山法常用的施工方法有：台阶法、CD工法(跨度大)、CRD工法、双侧壁导坑法、联拱隧道中洞法。隧道台阶法施工方法施工方法示意施工工艺流程1、断面测量放样2、上部台阶钻爆开挖3、初喷砼、打设锚杆4、上部台阶挂钢筋网、立格栅钢架、打锁脚锚杆和喷射砼1、断面测量放样2、中部台阶钻爆开挖3、初喷砼4、锚杆、钢筋网、格栅钢架、锁脚锚杆5、喷射砼李越北京交通大学14121052Beijingjiaotonguniversity4/201、断面测量放样2、下部台阶钻爆开挖3、初喷砼、打设锚杆4、挂钢筋网、立格栅钢架5、喷射砼隧道CRD法施工方法序号施工工序图示施工工序说明11、隧道左上断面1号洞室开挖支护：①开挖1号洞室，施作系统锚杆；②挂钢筋网、初喷；③架立格栅钢架及临时支撑、锁脚锚杆施工、喷射混凝土。22、隧道左下断面号2号洞室开挖支护：①2号洞室土石方开挖，施作系统锚杆；②挂钢筋网、初喷；③架立格栅钢架、锁脚锚杆施工、喷射混凝土。33、隧道右上断面3号洞室开挖支护：①3号洞室土石方开挖，施作系统锚杆；②挂钢筋网、初喷；③架立格栅钢架及临时支撑、锁脚锚杆施工、喷射混凝土。李越北京交通大学14121052Beijingjiaotonguniversity5/2044、隧道左下断面号4洞室开挖支护：①开挖4号洞室，施作系统锚杆；②挂钢筋网、初喷；③架立格栅钢架、锁脚锚杆施工、喷射混凝土。隧道CD法施工方法序号施工工序图示施工工序说明11、隧道左上断面1号洞室开挖支护：①开挖1号洞室，施作系统锚杆；②挂钢筋网、初喷；③架立格栅钢架及临时支撑、锁脚锚杆施工、喷射混凝土。22、隧道左下断面2号洞室开挖支护：①开挖2号洞室，施作系统锚杆；②挂钢筋网、初喷；③架立格栅钢架及临时支撑、锁脚锚杆施工、喷射混凝土。李越北京交通大学14121052Beijingjiaotonguniversity6/2033、隧道右上断面号3洞室开挖支护：①3号洞室土石方开挖，施作系统锚杆；②挂钢筋网、初喷；③架立格栅钢架、锁脚锚杆施工、喷射混凝土。44、隧道右下断面号4洞室开挖支护：①4号洞室土石方开挖，施作系统锚杆；②挂钢筋网、初喷；③架格栅钢架、锁脚锚管施工、喷射混凝土。隧道双侧壁导坑法施工示意图序号施工工序示意图文字说明1I14工字钢超前小导管超前小管棚1第一步：超前支护后，开挖1部，锚、喷、网、钢拱架联合支护，中隔墙临时支护、临时仰拱支护，尽快成环。2超前小导管I14工字钢超前小管棚12第二步：与1部错开合适的台阶长度，开挖2部，锚、喷、网、钢拱架联合支护，中隔墙临时支护、仰拱支护，尽快成环。334超前小导管I14工字钢超前小管棚第三步：开挖3、4部，锚、喷、网、钢拱架联合支护，中隔墙临时支护、仰拱支护，尽快成环。李越北京交通大学14121052Beijingjiaotonguniversity7/204I14工字钢超前小管棚56第五步：超前支护后，分部开挖5、6部，预留核心土，及时架设拱部钢架、锚喷网支护、临时仰拱支护，尽快成环。5超前小管棚第七步：拆除中隔墙临时钢拱架，仰拱混凝土浇筑及隧道填充。134275第二步：中洞采用CRD法，按图中顺序进行开挖，及时封闭初期支护。68572431φ42小导管第一步：进行中洞拱部大管棚超前支护、小导管注浆加固地层。大管棚第三步：分段拆除部分竖向临时支护，铺设底部部分防水层，施做部分底板、底纵梁，预留钢筋及防水板接头。李越北京交通大学14121052Beijingjiaotonguniversity8/20991010111112121111101099第七步：按图中顺序对称开挖两侧边洞，及时施做封闭初期支护。第八步：分段拆除中洞下部临时支护，铺设边跨防水层，施做边跨二次结构。99第六步：两边跨施做大管棚及超前小导管加固地层，对称开挖边洞上导坑及时封闭初期支护。第五步：分段施做顶纵梁，拱部结构，在顶纵梁上加设钢支撑和钢拉杆。第四步：分段施做立柱、中纵梁，中层板。3199第九步：分段拆除中间临时支护，施做两侧边墙及中层板。第十步：分段拆除剩余临时支护，施做边跨拱部。李越北京交通大学14121052Beijingjiaotonguniversity9/201.3.3按衬砌施工顺序分按衬砌施工顺序，可分为先拱后墙法及先墙后拱法两大类。后者又可按分部情况细分为漏斗棚架法、台阶法、全断面法和上下导坑先墙后拱法。由于这些施工方法，其工作面常常小，不易使用大型的凿岩钻孔设备和装卸运输工具，故施工进度慢，建设周期长，机械化程度低，耗用劳力多。1.4矿山法施工方法的特点不同的施工方法有不同的优缺点：1）全断面法全断面法是按整个设计掘进断面一次向前挖掘推进的施工方法。采用爆破法时，是在工作面的全部垂直面上打眼，然后同时爆破，使整个工作面推进一个进尺。从各种地下工程采用钻爆法的发展趋势看，全断面施工将是优先被考虑的施工方法。该法主要用于围岩稳定、坚硬、完整、开挖后不需临时支护的Ⅰ～Ⅱ类围岩的石质巷（隧）道以及高度不超过5m、断面不超过30m2中小型断面巷道。但近几年来，随着大型施工设备的不断出现、施工机械化程度和施工技术的不断提高，全断面一次施工的隧道越来越多。采用有轨运输、无轨运输和混合运输优缺点：可最大限度地利用洞内作业空间，工作面宽敞，能使用大型高效设备，加快施工进度；断面一次挖成，施工组织与管理比较简单；能较好地发挥深孔爆破的优越性；通风、运输、排水等辅助工作及各种管线铺设工作均较便利。大断面隧道施工时要使用笨重而昂贵的钻架；一次投资大；由于使用了大型机具，需要有相应的施工便道、组装场地、检修设备以及能源等；隧道较长、地质情况多变必须改换其它施工方法时需要较多时间；多台钻机同时工作时的噪音极大。2）台阶法该法是将巷（隧）道断面分成若干（一般为2～3）个分层，各分层在一定距离内呈台阶状同时推进。这种方法的特点是缩小了断面高度，不需笨重的钻孔设备；后一台阶施工时有两个临空面，使爆破效率更高。按上下台阶的长度，台阶工作面法分为长台阶（一般为5倍于巷道宽度以上）和短台阶（小于2倍的巷李越北京交通大学14121052Beijingjiaotonguniversity10/20道宽度）；按台阶布置方式的不同，可分为正（下）台阶和反（上）台阶两种方法优缺点：该法工序少，干扰小，上部钻孔可与装岩同时作业，不需支撑和棚架，节省大量木材，必要时可以喷射混凝土或砂浆作为临时支护。采用锚喷作永久支护时更为适宜。该法不仅适用于围岩稳定性较好、开挖后不需或局部仅需临时支护的隧道，在土层隧道中也同样可用。3）导坑施工法导坑法（矿山称导硐法）即先以一个或多个小断面导坑超前一定距离开挖，随后逐步扩大开挖至设计断面，并相机进行砌筑的方法。这种方法主要用于地质条件复杂或断面特大的硐室或隧道工程。导坑法又分为：中央下导坑施工法；中央上导坑施工法；上下导坑施工法；侧壁导坑施工法。其中侧壁导坑施工法又分为I、单侧壁导坑法(中隔壁墙法、CD、CRD法)，II、双侧壁导坑法(眼镜、双眼镜法)，III、双侧壁导坑先墙后拱法。优缺点：双侧壁导坑法所引起的地表沉陷仅为短台阶法的1/2。双侧壁导坑法虽然开挖断面分块多，扰动大，初次支护全断面闭合的时间长，但每个分块都是在开挖后立即各自闭合的，所以在施工中间变形几乎不发展。双侧壁导坑法施工安全，但速度较慢，成本较高。比较三种方法的适用条件，可以得到如下结论：由于全断面法开挖方式以钻爆为主，所以它基本只适用于坚硬的岩石土层的挖掘，其掘进速度快，支