10.1 概述
10.1.1 隧道工程特点
隧道施工过程通常包括：在地层中挖出土石，形成符合设计轮廓尺寸的坑道；进行必要的初期支护和砌筑最后的永久衬砌，以控制坑道围岩变形，保证隧道长期地安全使用。
在进行隧道施工时，必须充分考虑隧道工程的特点，才能在保证隧道安全的条件下，快速、
优质、低价地建成隧道建筑物。隧道工程的特点，可归纳如下：
（1）整个工程埋设于地下，因此工程地质和水文地质条件对隧道施工的成败起着重要的、甚至是决定性的作用。例如：当年修建穿越阿尔卑斯山的圣哥达隧道时，由于遇到事先未料到的高温（41°C）和涌水（660l／min），给施工带来很多困难，最后延期二年才完成。因此，不仅要在勘测阶段做好详细的地质调查和勘探，尽可能准确地掌握隧道工程范围内的岩层性质、岩体强度、完整程度、地应力场、自稳能力、地下水状态、有害气体和地温状况等资料，并根据这些原始材料，初步选定合适的施工方法，确定相应的施工措施和配套的施工机具。而且，由于地质条件的复杂性和勘探手段的局限性，在施工中出现前所未料的情况仍不可避免。因此，在长大隧道的施工中，还应采取试验导坑（如日本青函隧道）、水平超前钻孔、声波探测、导坑领先等技术措施，进一步查清掘进前方的地质条件，及时掌握变化的情况。以便尽快地修改施工方法和技术措施。
（2）公路隧道是一个形状扁平的建筑物，正常情况下只有进、出口两个工作面，相对于桥梁、线路工程来说．隧道的施工速度比较慢，工期也比较长，往往使一些长大隧道成为控制新建公路通车的关键工程。为此，需要附加地开挖竖井、斜井、横洞等辅助工程来增加工作面，加快隧道施工速度。此外，隧道断面较小，工作场地狭长，一些施工工序只能顺序作业，而另一些工序又可以沿隧道纵向展开，平行作业。因此，要求施工中加强管理、合理组织、避免相互干扰。洞内设备、管线路布置应周密考虑，妥善安排。隧道施工机械应当结构紧凑，坚固耐用。
（3）地下施工环境较差，甚至在施工中还可能使之恶化，例如爆破产生有害气体等。必须采取有效措施加以改善，如人工通风、照明、防尘、消音、隔音、排水等，使施工场地合符卫生条件，并有足够的照度，以保证施工人员的身体健康，提高劳动生产率。
（4）公路隧道大多穿越崇山峻岭，因此施工工地一般都位于偏远的深山狭谷之中，往往远离既有交通线，运输不便，供应困难，这些也是规划隧道工程时应当考虑的问题之一。
（5）公路隧道埋设于地下，一旦建成就难以更改，所以，除了事先必须审慎规划和设计外，施工中还要做到不留后患。
当然，隧道工程也有很多有利的方面，例如施工可以不受或少受昼夜更替、季节变换、气候变化等自然条件改变的影响，可以竟日终年、稳定地安排施工。
10.1.2 隧道施工应遵循的基本精神和原则
以往，人们都认为在地层中开挖坑道必然要引起围岩坍塌掉落，开挖的断面越大，坍塌的范围也越大。因此，传统的隧道结构设计方法是将围岩看成是必然要松弛塌落，而成为作用于支护结构上的荷载。传统的隧道施工方法则是将隧道断面分成为若干小块进行开挖，随挖随用钢材或木材支撑，然后，从上到下，或从下到上砌筑刚性衬砌。这也是和当时的机械设备、建筑材料、技术水平相一致的。
近十几年来，岩石锚杆、喷射混凝土的机械和岩石力学方面的进展，人们对开挖隧道过程中所出现的围岩变形、松弛、崩塌等现象有了深入的认识，为提出新的、经济的隧道施工方法创造了条件。1963年，由奥地利学者L·腊布兹维奇教授命名为“新奥地利隧道施工法（New Astria Tunnelling Method）”，简称“新奥法（NATM）”正式出台。它是以控制爆破或机械开挖为主要掘进手段，以锚杆、喷射混凝土为主要支护方法，理论、量测和经验相结合的一种施工方法。同时又是一系列指导隧道设计和施工的原则，其中包括：
（1）因为岩体是隧道结构体系中的主要承载单元，所以在施工中必须充分保护岩体，尽量减少对它的扰动，避免过度破坏岩体的强度。为此，施工中断面分块不宜过多，开挖应当采用光面爆破、预裂爆破或机械掘进。
（2）为了充分发挥岩体的承载能力，应允许并控制岩体的变形。一方面允许变形，使围岩中能形成承载环；另一方面又必须它，使岩体不致过度松弛而丧失或大大降低承载能力。为此，在施工中应采用能与围岩密贴、及时砌筑又能随时加强的柔性支护结构，例如，锚喷支护等。这样，就能通过调整支护结构的强度、刚度和参与工作的时间（包括底拱闭合时间）来控制岩体的变形。
（3）为了改善支护结构的受力性能，施工中应尽快使之闭合，而成为封闭的筒形结构。另外，隧道断面形状要尽可能地圆顺，以避免拐角处的应力集中。
（4）在施工的各个阶段，应进行现场量测监视，及时提出可靠的、数量足够的量测信息，如坑道周边的位移或收敛、接触应力等。并及时反馈用来指导施工和修改设计。
（5）为了敷设防水层，或为了承受由于锚杆锈蚀，围岩性质恶化、流变、膨胀所引起的后续荷载，采用复合式衬砌。
上述新奥法的基本原则可扼要的概括为：“少扰动、早喷锚、勤量测、紧封闭”。
10.1.3 隧道施工方法及其选择
一个多世纪以来，世界各国的隧道工作者在实践中已经创造出能够适应各种围岩的多种隧道施工方法。习惯上将它们分成为：矿山法、掘进机法、沉管法、顶进法、明挖法等。
矿山法因最早应用于矿石开采而得名，它包括上面已经提到的传统方法和新奥法。由于在这种方法中，多数情况下都需要采用钻眼爆破进行开挖，故又称为钻爆法。有时候为了强调新奥法与传统矿山法的区别，而将新奥法从矿山法中分出另立系统。
掘进机法包括隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，简写为T．B．M．）法和盾构掘进机法。前者应用于岩石地层，后者则主要应用于土质围岩，尤其适用于软土、流砂、淤泥等特殊地层。
沉管法，…等则是用来修建水底隧道、地下铁道、城市市政隧道等，以及埋深很浅的山岭隧道。
选择施工方案时，要考虑的因素有如下几方面：
A．工程的重要性。一般由工程的规模、使用上的特殊要求，以及工期的缓急体现出来；
B．隧道所处的工程地质和水文地质条件；
C．施工技术条件和机械装备状况；
D．施工中动力和原材料供应情况；
E．工程投资与运营后的社会效益和经济效益；
F．施工安全状况，
G．有关污染、地面沉降等环境方面的要求和。
应该看到隧道施工方法的选择，是一项“模糊”的决策过程，它依赖于有关人员的学识、经验、毅力和创新精神。对于重要工程则需汇集专家们的意见，广泛论证。必要时应当开挖试验洞对理论方案进行实践验证。
从目前我国公路隧道发展趋势来看，在今后很长一段时间内，仍以采用新奥法为主，这也符合世界潮流。所以，本书将着重论述新奥法施工中的有关问题，而概略地介绍传统的矿山法。其它方法一般不用于山岭隧道，因此此处不作介绍，需要时可参考有关书籍。
10．2 新奥地利隧道施工法
新奥法施工，按其开挖断面的大小及位置，基本上又可分为：全断面法、台阶法、分部开挖法三大类及若干变化方案。
10.2.1 全断面法
按照隧道设计轮廓线一次爆破成型的施工方法叫全断面法。它的施工顺序是：
A．用钻孔台车，钻眼，然后装药、联接导火线；
B．退出钻孔台车，引爆炸药，开挖出整个隧道断面；
C．排除危石，安设拱部锚杆和喷第一层混凝土；
D．用装碴机将石碴装入出碴车，运出洞外；
E．安设边墙锚杆和喷混凝土；
F．必要时可喷拱部第二层混凝土和隧道底部混凝土；
G．开始下一轮循环；
H．在初期支护变形稳定后，或按施工组织中规定日期灌注内层衬砌。
全断面法适用于IV~VI类岩质较完整的硬岩中。必须具备大型施工机械。隧道长度或施工区段长度不宜太短，否则采用大型机械化施工的经济性差。根据经验，这个长度不应小于1km。
根据围岩稳定程度亦可以不设锚杆或设短锚杆。也可先出碴，然后再施作初期支护，但一般仍先施作拱部初期支护，以防止应力集中而造成的围岩松动剥落。
全断面法的优点是：工序少，相互干扰少，便于组织施工和管理；工作空间大，便于组织大型机械化施工，因此，施工进度高，目前，我国公路隧道一般都能保持月进成洞平均150m左右，高者已接近300m／月。
采用全断面法应注意下列问题：摸清开挖面前方的地质情况，随时准备好应急措施（包括改变施工方法等），以确保施工安全；各种施工机械设备务求配套，以充分发挥机械设备的效率；加强各项辅助作业，尤其加强施工通风，保证工作面有足够新鲜空气；加强对施工人员的技术培训，实践证明，施工人员对新奥法基本原理的了解程度和技术熟练状况，直接关系到施工的效果。
10．2．2 台阶法
台阶法中包括长台阶法、短台阶法和超短台阶法等三种，其划分一般是根据台阶长度来决定的，如图10.2.1所示。至于施工中究竟应采用何种台阶法，要根据以下两个条件来决定：
A．初期支护形成闭合断面的时间要求，围岩越差，闭合时间要求越短；
B．上断面施工所用的开挖、支护、出碴等机械设备对施工场地大小的要求。
（a）长台阶法
（b）短台阶法
（C）超短台阶法
图10.2.1
在软弱围岩中应以前一条件为主，兼顾后者，确保施工安全。在围岩条件较好时，主要考虑是如何更好的发挥机械效率，保证施工的经济性，故只要考虑后一条件。现将各种台阶法叙述如下：
（1）长台阶法。这种方法是将断面分成上半断面和下半断面两部分进行开挖，上、下断面相距较远，一段上台阶超前50m以上或大于5倍洞跨。施工时上下都可配属同类机械进行平行作业，当机械不足时也可用一套机械设备交替作业，即在上半断面开挖一个进尺，然后再在下断面开挖一个进尺。当隧道长度较短时，亦可先将上半断面全部挖通后，再进行下半断面施工，即为半断面法。
长台阶法的作业顺序为：
1）对于上半断面。用两臂钻孔台车钻眼、装药爆破，地层较软时亦可用挖掘机开挖。安设锚杆和钢筋网，必要时加设钢支撑、喷射混凝土。用铲斗为1．6m3的推铲机将石碴推运到台阶下，再由装载机装入车内运至洞外。根据支护结构形成闭合断面的时间要求，必要时在开挖上半断面后，可建筑临时底拱，形成上半断面的临时闭合结构，然后在开挖下半断时再将临时底拱挖掉。但从经济观点来看，最好不这样做，而改用短台阶法。
2）对于下半断面。用两臂钻孔台车钻眼、装药爆破。装碴直接运至洞外。安设边墙锚杆（必要时）和喷混凝土。用反铲挖掘机开挖水沟。喷底部混凝土。开挖下半断面时，其炮眼布置方式有两种：平行隧道轴线的水平眼；由上台阶向下钻进的竖直眼，又称插眼，如图10—2－2所示。前一种方式的炮眼主要布置在设计断面轮廓线上，能有效地控制开挖断面。后一种方式的爆破效果较好，但爆破时石碴飞出较远，容易打坏机械设备。
图10.2.2
3）待初期支护的变形稳定后，或根据施工组织所规定的日期敷设防水层（必要时）和建造内层衬砌。
长台阶法的纵向工序布置和机械配置如图10.2.3所示。
相对于全断面法来说，长台阶法一次开挖的断面和高度都比较小，只需配备中型钻孔台车即可施工，而且，对维持开挖面的稳定也十分有利。所以，它的适用范围较全断面法广泛，凡是在全断面法中开挖面不能自稳，但围岩坚硬不用底拱封闭断面的情况，都可采用长台阶法。
（2）短台阶法。这种方法也是分成上下两个断面进行开挖，只是两个断面相距较近，一般上台阶长度小于5倍但大于1~1．5倍洞跨。上下断面采用平行作业。
短台阶法的作业顺序和长台阶相同。
由于短台阶法可缩短支护结构闭合的时间，改善初期支护的受力条件，有利于控制隧道收敛速度和量值，所以适用范围很广，Ⅱ~Ⅵ类围岩都能采用，尤其适用于Ⅱ、Ⅲ类围岩，是新奥法施工中主要采用的方法之一。
短台阶法的缺点是上台阶出碴时对下半断面施工的干扰较大，不能全部平行作业。为解决这种干扰可采用长皮带机运输上台阶的石碴；或设置由上半断面过渡到下半断面的坡道，将上台阶的石碴直接装车运出。过渡坡道的位置可设在中间，亦可交替他设在两侧。过渡坡道法在断面较大的三车道隧道中尤为适用。
采用短台阶法时应注意下列问题：初期支护全断面闭合要在距开挖面30m以内，或距开挖上半断面开始的30天内完成。初期支护变形、下沉显著时，要提前闭合，要研究在保证施工机械正常工作的前提下台阶的最小长度。
（3）超短台阶法。这种方法也是分成上下两部分，但上台阶仅超前3~5m，只能采用交替作业。
超短台阶法施工作业顺序为（图10.2.4）：
用一台停在台阶下的长臂挖掘机或单臂掘进机开挖上半断面至一个进尺。安设拱部描杆、钢筋网或钢支撑。喷拱部混凝土。用同一台机械开挖下半断面至一个进尺。安设边墙锚杆、钢筋网或接长钢支撑，喷边墙混凝土（必要时加喷拱部混凝土）。开挖水沟、安设底部钢支撑，喷底拱混凝土。灌注内层衬砌。
如无大型机械也可采用小型机具交替地在上下部进行开挖，由于上半断面施工作业场地狭小，常常需要配置移动式施工台架，以解决上半断面施工机具的布置问题。
由于超短台阶法初期支护全断面闭合时间更短，更有利于控制围岩变形。在城市隧道施工中，能更有效地控制地表沉陷。所以，超短台阶法适用于膨胀性围岩和土质围岩，要求及早闭合断面
的场合。当然，也适用于机械化程度不高的各类围岩地段。
超短台阶法的缺点是上下断面相距较近，机械设备集中，作业时相互干扰较大，生产效率较低，施工速度较慢。
采用超短台阶法施工时应注意以下问题：在软弱围岩中施工时，应特别注意开挖工作面的稳定性，必要时可采用辅助施工措施，如向围岩中注浆或打入超前水平小钢管，对开挖面进行预加固或预支护。
最后还应指出，在所有台阶法施工中，开挖下半断面时要求做到以下几点：
1）下半断面的开挖（又称落底）应在上半断面初期支护基本稳定后进行，或采用其它有效措施确保初期支护体系的稳定性；采用单侧落底或双侧交错落底，避免上部初期支护两侧同时悬空；又如，视围岩状况严格控制落底长度，一般采用1~3m，并不得大于6 m。
2）下部边墙开挖后必须立即喷射混凝土，并按规定做初期支护。
3）量测工作必须及时，以观察拱顶、拱脚和边墙中部位移值，当发现速率增大，应立即进行底（仰）拱封闭，或缩短进尺，加强支护，分割掌子面等。
10．2．3 分部开挖法
分部开挖法可分为三种变化方案：台阶分部开挖法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法，见图10.2.5。
（1）台阶分部开挖法。又称环形开挖留核心土法，一般将断面分成为环形拱部（图中的1、2、3）、上部核心土（4）、下部台阶（5）等三部分。根据断面的大小，环形拱部又可分成几块交替开挖。环形开挖进尺为0.5~1.0m，不宜过长。上部核心土和下台阶的距离，一般为1倍洞跨。
（a） 台阶分步开挖法
（b） 单侧壁导坑法
（c） 双侧壁导坑法
图10.2.5
台阶分部开挖法的施工作业顺序为：
用人工或单臂掘进机开挖环形拱部。架立钢支撑、喷混凝土。在拱部初期支护保护下，用挖掘机或单臂掘进机开挖核心土和下台阶，随时接长钢支撑和喷混凝土、封底。根据初期支护变形情况或施工安排建造内层衬砌。
单侧壁导坑法的施工作业顺序为；
1）开挖侧壁导坑，并进行初期支护（锚杆加钢筋网、或锚杆加钢支撑、或钢支撑，喷射混凝土），应尽快使导坑的初期支护闭合；
2）开挖上台阶，进行拱部初期支护，使其一侧支承在导坑的初期支护上，另一侧支承在下台阶上；
3）开挖下台阶，进行另一侧边墙的初期支护，并尽快建造底部初期支护，使全断面闭合；
4）拆除导坑临空部分的初期支护；
5）建造内层衬砌。
单侧壁导坑法是将断面横向分成3块或4块，每步开挖的宽度较小，而且封闭型的导坑初期支护承载能力大，所以，单侧壁导坑法适用于断面跨度大，地表沉陷难于控制的软弱松散围岩中。
（3）双侧壁导坑法，又称眼镜工法。当隧道跨度很大，地表沉陷要求严格，围岩条件特别差，单侧壁导坑法难以控制围岩变形时，可采用双侧壁导坑法。现场实测表明，双侧壁导坑法所引起的地表沉陷仅为短台阶法的1／2左右。
这种方法一般是将断面分成四块：左、右侧壁导坑（1）、上部核心土（ 2）、下台阶（3）。导坑尺寸拟定的原则同前，但宽度不宜超过断面最大跨度的1／3。左、右侧导坑错开的距离，应根据开挖一侧导坑所引起的围岩应力重分布的影响不致波及另一侧已成导坑的原则确定。
双侧壁导坑法施工作业顺序为：
10.2.4 施工中可能发生的问题及其对策
新奥法施工的基本原则，是根据围岩性质允许产生适量的变形，但又不使围岩松动塌落。在设计、施工过程中，若对围岩性质判断不准或情况不明，或喷射混凝土、打锚杆、立钢支撑时间和方法有误，围岩松动就会超过预计。此时，应根据观察和量测结果找出原因，进行改正。但是，很多场合不能明确原因，因此只能针对所发生的现象采取措施。根据实践经验，将新奥法中经常出现的一些异常现象及应采取的措施列于表10.2.1中，其中A指进行比较简单的改变就可解决问题的措施，B指包括需要改变支护方法等比较大的变动才能解决问题的措施。当然，表中只列出大致的对策标准，优先用哪种措施，要视各个隧道的围岩条件、施工方法、变形状态综合判断。
施工中的现象及其处理措施 表10.2.1
| 施工中的现象 | 措施 A | 措施 B | |
开挖面及其附近 | 正面变得不稳定 | 1. 缩短一次掘进长度。 2. 开挖时保留核心土。 3. 向正面喷射混凝土。 4. 用插板或并排钢管打入地层进行预支护 | 1. 缩小开挖断面。 2. 在正面打锚杆。 3. 采取辅助施工措施对地层进行预加固 |
| 开挖面顶部掉块增大 | 1. 缩短开挖时间及提前喷射混凝土。 2. 采用插板或并排钢管。 3. 缩短一次开挖长度。 4. 开挖面暂时分部施工。 | 1. 加钢支撑。 2. 预加固地层 | |
| 开挖面出现涌水或者涌水量增大 | 1. 加速混凝土硬化（增加速凝剂等）。 2. 喷射混凝土前作好排水。 3. 加挂网格密的钢筋网。 4. 设排水片。 | 1. 采取排水方法（如排水钻孔、井点降水……等）。 2. 预加固地层 | |
| 地基承载力不足，下沉增大 | 1. 注意开挖，2. 不3. 要损坏地基围岩。 4. 加厚底脚处喷混凝土，5. 增加支撑面积。 | 1. 增加锚杆。 2. 缩短台阶长度，3. 及早闭合支护环。 4. 用喷混凝土作临时底拱。 5. 预加固地层。 | |
| 产生底鼓 | 及早喷射底拱混凝土 | 1. 在底拱处打锚杆。 2. 缩短台阶长度，3. 及早闭合支护环。 | |
| 喷混凝土 | 喷混凝土层脱离甚至塌落 | 1. 开挖后尽快喷射混凝土。 2. 加钢筋网。 3. 解除涌水压力。 4. 加厚喷层。 | 打锚杆或增加锚杆 |
| 喷混凝土层中应力增大，产生裂缝和剪切破坏。 | 1. 加钢筋网。 2. 在喷混凝土层中增设纵向伸缩缝。 | 1. 增加锚杆（用比原来长的锚杆）。 2. 加入钢支撑。 | |
| 锚杆 | 锚杆轴力增大，垫板松弛或锚杆断裂。 | 1. 增强锚杆（加长）。 2. 采用承载力大的锚杆。 3. 为增大锚杆的变形能力，4. 在垫锚板间加入弹簧等。 | |
钢支撑 | 钢支撑中应力增大，产生屈服 | 松开接头处螺栓，凿开喷混凝土层，使之可自由伸缩。 | 1. 增强锚杆。 2. 采用可伸缩的钢支撑，3. 在喷混凝土层中设纵向伸缩缝。 |
| 净空位移增大，位移速度变快。 | 1. 缩短从开挖到支护的时间。 2. 提前打锚杆。 3. 缩短台阶、底拱一次开挖的长度。 4. 当喷混凝土开裂时，5. 设纵向伸缩缝。 | 1. 增强锚杆。 2. 缩短台阶长度，3. 提前闭合支护环。 4. 在锚杆垫板间夹入弹簧垫圈等。 5. 采用超短台阶法，6. 或在上半端面建造临时底拱。 |
在传统的矿山法中，历史上形成的变化方案很多，其中也包括：全断面法、台阶法、侧壁导坑法、…等。它与新奥法的根本区别，除了施工原理不同外，在具体作业上还有：传统的矿山法中不强调采用锚喷支护，而大量采用钢、木支撑；不强调要及早闭合支护环；很少采用复合式衬砌，而是大量采用刚度较大的单层衬砌；不进行施工量测等。近年来，由于施工机械的发展，以及传统矿山法明显的不符合岩石力学的基本原理和不经济，已逐渐由新奥法所取代。只有在一些缺少大型机械的中、短隧道中，或不熟悉新奥法的施工单位还采用传统的矿山法。本书只简单地叙述一、二种典型的，并具有中国特色的，现在仍可能采用的传统矿山法。
10．3．1 漏斗棚架法
全名叫下导坑漏斗棚架法，亦称下导坑先墙后拱法。它是硬岩层中修筑隧道的一种基本的传统方法，也是我国八十年代前修筑公路、铁路隧道采用得最广泛的方法之一。
此法的基本施工程序（图10.3.1）是：首先开挖下导坑①，在下导坑开挖面后约30~50 m处，开始架设“漏斗棚架”，然后在漏斗棚架上方开挖②、③部（“挑顶”）和④部（“扩大”）。它们的间距以互不干扰为原则，一般可采用15~20m。挑顶和扩大爆下的石碴直接堆放在棚架上，并通过漏斗口向下装入矿车内运出洞外。石碴装完后即可拆除棚架，开挖⑤（“刷帮”）和⑥边墙、水沟。此时整个隧道开挖完毕。在一定的安全距离（10~20m）外灌注边墙Ⅶ和拱圈Ⅷ混凝土。最后铺底砌水沟。
图10.3.1
下导坑的形状一般为梯形，坚硬围岩中也可用矩形。其宽度2.8～3.0。（铺单运输线），或3.8~4.4m（铺双运输线），高度视装碴机装载高度而定，一般约2.8~3.0m，见图10.3.2。在中长隧道中为运输畅通多采用双线导坑。
图10.3.2
漏斗棚架的结构构造如图10.3.3所示。
采用漏斗棚架法施工时应注意如下问题：下导坑开挖是领先工序，它的开挖速度直接影响整个隧道的施工进度，因此，要千方百计予以保证；漏斗棚架是卸、装碴的关键结构，必须具有足够的强度和刚度以承受爆破时石碴的冲击作用；挑顶时如发现拱顶有坍塌的预兆，应立即用圆木支顶住。
漏斗棚架法施工的优点：便于人力、小型机具开挖；挑顶、扩大的石碴通过漏斗棚架装车，效率高，节省人力和机械；工作面多，可以安排较多的人力和机具，进行平行作业，加快施工进度。
漏斗棚架法的缺点：设置棚架需消耗大量木材和钢材；断面分块多，对围岩扰动大，而且拱顶围岩暴露过长，所以，只适用于Ⅳ~VI类围岩；工作面多虽可平行作业，但相互干扰大，尤其刷帮开挖容易损坏风、水管、电力线和堵塞运输。
图10.3.3
10．3．2 上下导坑先拱后墙法
上下导坑先拱后墙法，又称拱圈支承法，是软地层中修筑隧道的一种基本的传统方法，也是我国以往修筑隧道采用得最广泛的方法之一。
66
图10.3.4
此法的基本施工程序（图10.3.4）是：首先开挖下导坑①，并尽快架设木支撑。在下导坑开挖面后约30~50rn处开挖上导坑②和架设木支撑。上、下导坑间开挖漏斗（如图中虚线所示），以便于上断面出碴。距上导坑15~20米，进行上导坑落底开挖③。然后由上导坑向两侧开挖④（“扩大”），边开挖边架设扇形支撑。在扇形支撑之间立拱架模板，灌注拱圈混凝土Ⅴ，边灌注边顶替、拆除扇形支撑。开挖中层⑥（“落底”）。左右错开，纵向跳跃开挖马口⑦、⑨，每个马口的纵向长度一般取拱圈灌注节长的一半。紧跟马口开挖后，立即架设边墙模板，由下而上灌注边墙混凝土Ⅷ、Ⅹ。挖水沟、铺底。
采用上下导坑先拱后墙法施工时应注意下列问题：开挖马口时要绝对避免拱圈两侧拱脚同时悬空；边墙灌注到顶部时要仔细地做到与拱脚的联接，保证衬砌的整体性。
和漏斗棚架法比起来，它有如下优点，拱部围岩暴露时间短，开挖马口、灌注边墙都是在拱圈保护下进行的，因此，施工安全，能适用于较软弱的Ⅱ、Ⅲ类围岩。其缺点是衬砌整体性差，开挖两个导坑成本高、速度慢。
10.4 不良地质条件下隧道施工
10.4.1 概述
在修建隧道中，常遇到一些不利于施工的特殊地质地段。如膨胀土围岩、黄土、溶洞、断层、松散地层、流沙、岩爆等。在开挖、支护和衬砌过程中，由于各种因素的影响都可能发生土石坍塌，坑道支撑变形，衬砌结构断裂，严重影响施工进度、安全和质量。隧道穿越含有瓦斯的地层，更严重地威胁着施工安全。
隧道通过特殊地质地段施工时应注意以下几点：
A．施工前应对设计所提供的工程地质和水文地质资料进行详细分析了解，深入细致地作施工调查，制订相应的施工方案和措施，备足有关机具及材料，认真编制和实施施工组织设计，使工程达到安全、优质、高效的目的。反之，即便地质并非不良，也会因准备不足，施工方法不当或措施不力导致施工事故，延误施工进度。
B．特殊地质地段隧道施工，以“先治水、短开挖、弱爆破、强支护、早衬砌、勤检查、稳步前进”为指导原则。在选择和确定施工方案时，应以安全为前提，综合考虑隧道工程地质及水文地质条件、断面型式、尺寸、埋置深度、施工机械装备、工期和经济的可行性等因素而定。同时应考虑围岩变化时施工方法的适应性及其变更的可能性，以免造成工程失误和增加投资。
C．隧道开挖方式，无论是采用钻爆开挖法、机械开挖法，还是采用人工和机械混合开挖法，应视地质、环境、安全等条件来确定。如用钻爆法施工时，光面爆破和预裂爆破技术，既能使开挖轮廓线符合设计要求，又能减少对围岩的扰动破坏。爆破应严格按照钻爆设计进行施工，如遇地质变化应及时修改完善设计。
D．隧道通过自稳时间短的软弱破碎岩体、浅埋软岩和严重偏压、岩溶流泥地段、砂层、砂卵（砾）石层、断层破碎带以及大面积淋水或涌水地段时，为保证洞体稳定可采用超前锚杆、超前小钢管、管棚、地表预加固地层和围岩预注浆等辅助施工措施，对地层进行预加固、超前支护或止水。
E．为了掌握施工中围岩和支护的力学动态及稳定程度，以及确定施工工序，保证施工安全，应实施现场监控量测，充分利用监控量测指导施工。对软岩浅埋隧道须进行地表下沉观测，这对及时预报洞体稳定状态，修正施工方案都十分重要。
F．穿过未胶结松散地层和严寒地区的冻胀地层等，施工时应采取相应的措施外，均可采用锚喷支护施工。爆破后如开挖工作面有坍塌可能时，应在清除危石后及时喷射混凝土护面。如围岩自稳性很差，开挖难以成形，可沿设计开挖轮廓线预打设超前锚杆。锚喷支护后仍不能提供足够的支护能力时，应及早装设钢架支撑加强支护。
G．当采用构件支撑作临时支护时，支撑要有足够的强度和刚度，能承受开挖后的围岩压力。围岩出现底部压力，产生底膨现象或可能产生沉陷时应加设底梁。当围岩极为松软破碎时，应采用先护后挖，暴露面应用支撑封闭严密。根据现场条件，可结合管棚或超前锚杆等支护，形成联合支撑。支撑作业应迅速、及时，以充分发挥构件支撑的作用。
H．围岩压力过大，支撑受力下沉侵入衬砌设计断面，必须挑顶（即将隧道顶部提高）时，其处理方法是：拱部扩挖前发现顶部下沉，应先挑顶后扩挖。当扩挖后发现顶部下沉，应立好拱架和模板先灌筑满足设计断面部分的拱圈，俟混凝土达到所需强度并加强拱架支撑后，再行挑顶灌筑其余部分。挑顶作业宜先护后挖。
I．对于极松散的未固结围岩和自稳性极差的围岩，当采用先护后挖法仍不能开挖成形时，宜采用压注水泥砂浆或化学浆液的方法，以固结围岩，提高其自稳性。
J．特殊地质地段隧道衬砌，为防止围岩松弛，地压力作用在衬砌结构上，致使衬砌出现开裂、下沉等不良现象。因此，采用模筑衬砌施工时，除遵守隧道施工技术规范的有关规定施工外，还应注意：当拱脚、墙基松软时，灌筑混凝土前应采取措施加固基底。衬砌混凝土应采用高标号或早强水泥，提高混凝土等级，或采用掺速凝剂、早强剂等措施，提高衬砌的早期承载能力。仰拱施工，应在边墙完成后抓紧进行，或根据需要在初期支护完成后立即施作仰拱，使衬砌结构尽早封闭，构成环形改善受力状态，以确保衬砌结构的长期稳定坚固。
10.4.2 膨胀土围岩
膨胀土系指土中粘土矿物成分主要由亲水性矿物组成，同时具有吸水显著膨胀软化和失水收缩硬裂两种特性，且具有湿胀干缩往复变形的高塑性粘性土。决定膨胀性的亲水矿物主要是蒙脱石粘土矿物。
（1）膨胀土围岩的特性
穿过膨胀土地层的隧道，常常可以见到开挖后不久围岩因开挖而产生变形，或者因浸水而膨胀，或因风化而开裂等现象。使坑道的顶部及两侧向内挤入，底部膨起，随着时间的增长导致围岩失稳，支撑、衬砌变形和破坏。这些现象说明膨胀土围岩性质是极其复杂的。它与一般土质的围岩性质有着根本的区别。
膨胀土围岩的基本特性，主要有以下三方面：
1）膨胀土围岩大多具有原始地层的超固结特性，使土体中储存有较高的初始应力。当隧道开挖后，引起围岩应力释放，强度降低，产生卸荷膨胀。因此，膨胀土围岩常常具有明显的塑性流变特性，开挖后将产生较大的塑性变形。
2）膨胀土中有各种形态发育的裂隙，形成土体的多裂隙性。膨胀土围岩实际上是土块与各种裂隙和结构面相互组合形成的膨胀土体。由于膨胀土体在天然原始状态下具有高强度特性，隧道开挖后洞壁土体失去边界支撑而产生胀缩，同时因风干脱水使原生隐裂隙张弛，使围岩强度急剧衰减。因此，隧道施工开挖过程中，常有初期围岩变形大，发展速度快等现象。
3）膨胀土围岩因吸水而膨胀，失水而收缩，土体中干湿循环产生胀缩效应。一是使主体结构破坏，强度衰减或丧失，围岩压力增大。二是造成围岩应力变化，无论膨胀压力或收缩压力，都将破坏围岩的稳定性，特别是膨胀压力将对增大围岩压力起叠加作用。
（2）膨胀土围岩对隧道施工的危害
由于膨胀土围岩具有上述基本特征，施工中常见下列几种情况，简述如下：
1）围岩裂缝：隧道开挖后，由于开挖面上主体原始应力释放产生胀裂；另外，因为表层土体风干而脱水，产生收缩裂缝。同时，两种因素都可以使土中原生隐裂隙张开扩大。沿围岩周边产生裂缝，尤其在拱部围岩容易产生张拉裂缝与上述裂缝贯通，形成局部变形区。
2）坑道下沉：由于坑道下部膨胀土体的承载力较低，加之上部围岩压力过大，而产生坑道下沉变形。坑道的下沉，往往造成支撑变形、失效，进而引起主体坍塌等现象。
3）围岩膨胀突出和坍塌：膨胀土开挖过程中或开挖后。围岩产生膨胀土变形，周边土体向洞内膨胀突出，开挖断面缩小。在土体丧失支撑或支撑力不够的状态下，由于围岩压力和膨胀压力的综合作用，使土体产生局部破坏，由裂缝发展到出现溜塌，然后逐渐牵引周围土体连续破坏，形成坍塌。
4）底膨：隧道底部开挖后，洞底围岩的上部压力解除，又无支护体约束的条件下，由于应力释放，洞底围岩产生卸荷膨胀；加之坑道积水，使洞底围岩产生浸水膨胀。因而造成洞底围岩膨出变形。
5）衬砌变形和破坏：在先拱后墙法施工中，拱部衬砌完成后至开挖马口的这段时间，由于围岩和膨胀压力，常常产生拱脚内移，同时发生不均匀下沉，拱脚支撑受力大，发生扭曲、变形或折断。拱顶受挤压下沉，也有向上凸起。拱顶外缘经常出现纵向贯通拉裂缝，而拱顶内缘出现挤裂、脱皮、掉块现象。在拱腰部位出现纵向裂缝，这些裂缝有时可发展到张开、错台。当采用直墙时，边墙常受膨胀侧压而开裂，甚至张开、错台，少数曲墙也有出现水平裂缝的情况。当底部未做仰拱或仅做一般铺底时，有时会出现底部膨起，铺底被破坏。
（3）膨胀土围岩的隧道施工要点
1）加强调查、量测围岩的压力和流变
在膨胀土地层中开挖隧道，除了认真实施设计文件所提出的技术要求外，在施工过程中应对围岩压力及其流变情况进行充分的调查和量测，分析其变化规律。对地下水亦应探明分布范围及规律，了解水对施工的影响程度，以便根据围岩动态采取相应的施工措施。如原设计难以适应围岩动态情况，也可据此作适当修正。
2）合理选择施工方法
膨胀土隧道围岩压力的施工效应，是导致隧道变形病害的主要原因。采用合理的施工方法，对隧道的稳定性有着十分重要的作用。因此，在施工中应以尽量减少对围岩产生扰动和防止水的浸湿为原则，所以宜采用无爆破掘进法。如采用掘进机、风镐、液压镐等开挖。在开挖过程中尽可能缩短围岩暴露时间，并及时衬砌，以尽快恢复洞壁因土体开挖而解除的部分围岩应力，减少围岩膨胀变形。开挖方法宜不分部或少分部，多采用正台阶法、侧壁导坑法和“眼镜法”。正台阶法适用于跨度小的隧道，它分部少相互干扰小，且能较早地使支护（衬砌）闭合。侧壁导坑法和“眼镜法”较适用于跨度较大的隧道，它具有防止上半断面支护（衬砌）下沉的优点，但全断面闭合时间较迟，必须注意防止边墙混凝土受压向隧道内挤。
3）防止围岩湿度变化
隧道开挖后，膨胀土围岩风干脱水或浸水，都将引起围岩体积变化，产生胀缩效应。因此，隧道开挖后及时喷射混凝土，封闭和支护围岩。在有地下水渗流的隧道，应采取切断水源并加强洞壁与坑道防、排水措施，防止施工积水对围岩的浸湿等。如局部渗流，可采用注浆堵水阻止地下水进入坑道或浸湿围岩。
4）合理进行围岩支护
膨胀土围岩支护必须适应围岩的膨胀特性。在施工时应注意以下几点：
A．喷锚支护，稳定围岩。喷锚支护作为开挖膨胀土围岩的施工支护，可以加强围岩的自承能力，允许有一定的变形而又不失稳。采用喷锚支护，应紧跟开挖，必要时在喷射混凝土的同时采用钢筋网。也可采用钢纤维混凝土提高喷层的抗拉和抗剪能力。当膨胀压力很大时，可用锚喷及钢架或格栅联合支护，在隧道底部打设锚杆，也可以在隧道顶部打入超前锚杆或小导管支护。膨胀土围岩隧道的支护，尽可能使其在开挖面周壁上迅速闭合。如果是台阶开挖，可在上半部开挖后尽快作出半部闭合，使围岩尽早受到约束。总之，不论采用哪一种类型的支护，都必须根据工程实际情况及围岩变形状态而定。
B．衬砌结构及早闭合。膨胀土围岩隧道开挖后，围岩向内挤压变形一般是在四周同时发生，所以施工时要求隧道衬砌及早封闭。从理论上讲，拱部、边墙及仰拱宜整体完成，衬砌受力条件最好。但受施工条件的往往难以实现。因此，在灌筑拱圈部分时，应在上台阶的底部先设置临时混凝土仰拱或喷射混凝土作临时仰拱，以使拱圈在边墙、仰拱未完成前，自身形成临时封闭结构。然后当进行下部台阶施工时，再拆除临时仰拱，并尽快灌筑永久性仰拱。
10.4.3 黄土
黄土是在干燥气候条件下形成的一种具有褐黄、灰黄或黄褐等颜色，并有针状大孔、垂直节理发育的特殊性土。黄土在我国分布较广。黄河中游的河南西部、山西南部、陕西和甘肃的大部分地区为我国黄土和湿陷性黄土的主要分布区。这些地区的黄土分布厚度大、地层全而连续，发育亦较典型。
（1）黄土对隧道施工的影响
1）黄土节理：在红棕色或深褐色的古土壤黄土层，常具有各方向的构造节理，有的原生节理呈X型，成对出现，并有一定延续性。在隧道开挖时，土体容易顺着节理张松或剪断。如果这种地层位于坑道顶部，则极易产生“塌顶”。如果位于侧壁，则普遍出现侧壁掉土，若施工时处理不当，常会引起较大的坍塌。
2）黄士冲沟地段：隧道在黄土冲沟或塘边地段施工时，当隧道在较长的范围内沿着冲沟或塬边平行走向，而覆盖较薄或偏压很大的情况下，容易发生较大的坍塌或滑坡现象。
3）黄土溶洞与陷穴：黄土溶洞与陷穴，是黄土地区经常见到的不良地质现象，隧道若修建在其上方，则有基础下沉的危害。隧道若修建在其下方，常有发生冒顶的危险。隧道若修建在其邻侧，则有可能承受偏压。
4）水对黄土隧道施工的影响；在含有地下水的黄土层中修建隧道，由于黄土在干燥时很坚固，承压力也较高，施工可顺利进行。当其受水浸湿后，呈不同程度的湿陷后，会突然发生下沉现象，使开挖后的围岩迅速丧失自稳能力，如果支护措施满足不了变化后的情况，极容易造成坍塌。
施工中洞内排水不良，洞内道路会形成泥泞难行，不论是无轨还是有轨运输都会给道路的维护、机械的使用与保养、隧道的铺底或仰拱施工作业等方面带来很大的困难。
（2）黄土隧道的施工方法
1）黄土隧道施工，应做好黄土中构造节理的产状与分布状况的调查。对因构造节理切割而形成的不稳定部位，在施工时加强支护措施，防止坍塌，以策安全施工。
2）施工中应遵循“短开挖、少扰动、强支护、实回填、严治水、勤量测”的施工原则，紧凑施工工序，精心组织施工。
3）开挖方法直采用短台阶法或分部开挖法（留核心法），初期支护应紧跟开挖面施作。
4）黄土围岩开挖后暴露时间过长，围岩周壁风化至内部，围岩体松弛加快，进而发生坍方。因此，宜采用复合式衬砌，开挖后以喷射混凝土、锚杆、钢筋网和钢支撑作初期支护，以形成严密的支护体系。必要时可采用超前锚杆、管棚支撑加固围岩。在初期支护基本稳定后，进行永久支护衬砌。衬砌背后回填要密实，尤其是拱顶回填。
5）做好洞顶、洞门及洞口的防排水系统工程，并妥善处理好陷穴、裂缝，以免地面积水浸蚀洞体周围，造成土体坍塌。在含有地下水的黄土层中施工时，洞内应施作良好的排水设施。水量较大时，应采用井点降水等法将地下水位降至隧道衬砌底部以下，以改善施工条件加快施工速度。在干燥无水的黄土层中施工，应管理好施工用水，不使废水漫流。
（3）黄土隧道施工的注意事项
1）施工中如发现工作面有失稳现象，应及时用喷射混凝土封闭、加设锚杆、架立钢支撑等加强支护。
试验表明，在黄土隧道中喷射混凝土和砂浆锚杆作为施工临时支护效果良好。
2）施工时特别注意拱脚与墙脚处断面，如超挖过大，应用浆砌片石回填。如发现该处主体承载力不够，应立即采取相应措施进行加固。
3）黄土隧道施工，宜先作仰拱，如果不能先作仰拱时，可在开挖与灌筑仰拱前，为防止边墙向内位移，应加设横撑。
4）施工中如发现不安全因素时，应暂停开挖，加强临时支护，以便采取适应性的工序安排。
10.4.4 溶洞
溶洞是以岩溶水的溶蚀作用为主，间有潜蚀和机械塌陷作用而造成的基本水平方向延伸的通道。溶洞是岩溶现象的一种。
岩溶是指可溶性岩层，如石灰岩、白云岩、白云质灰岩、石膏、岩盐等，受水的化学和机械作用产生沟槽、裂缝和空洞以及由于空洞的顶部塌落使地表产生陷穴、洼地等类现象和作用。我国石灰岩分布极广，常会遇到溶洞。因此，在这些地区修建隧道，必须予以注意。
（1）溶洞的类型及对隧道施工的影响
溶洞一般有死、活、干、湿、大、小几种。死、干、小的溶洞比较容易处理，而活、湿、大的溶洞，处理方法则较为复杂。
当隧道穿过可溶性岩层时，有的溶洞岩质破碎，容易发生坍塌。有的溶洞位于隧道底部，充填物松软且深，使隧道基底难于处理。有时遇到填满饱含水份的充填物溶槽，当坑道掘进至其边缘时，含水充填物不断涌入坑道，难以遏止，甚至使地表开裂下沉，山体压力剧增。有时遇到大的水囊或暗河，岩溶水或泥砂夹水大量涌入隧道。有的溶洞、暗河迂回交错、分支错综复杂、范围宽广，处理十分困难。
（2）隧道遇到溶洞的处理措施
1）隧道通过岩溶区，应查明溶洞分布范围和类型，岩层的完整稳定程度、填充物和地下水情况，据以确定施工方法。对尚在发育或穿越暗河水囊等地质条件复杂的岩溶区，应查明情况审慎选定施工方案。对有可能发生突然大量涌水、流石流泥、崩坍落石等，必须事先制定措施，确保施工安全。
2）隧道穿过岩溶区，如岩层比较完整、稳定，溶洞已停止发育，有比较坚实的填充，且地下水量小，可采用探孔或物探等方法，探明地质情况，如有变化便于采取相应的措施。如溶洞尚在发育或穿越暗河水囊等岩溶区时，则必须探明地下水量大小、水流方向等，先要解决施工中的排水问题，一般可采用平行导坑的施工方案，以超前钻探方法，向前掘进。当出现大量涌水、流石流泥、崩坍落石等情况时，平导可作为泄水通道，正洞堵塞时也可利用平导在前方开辟掘进工作面，不致正洞停工。
3）岩溶地段隧道常用处理溶洞的方法，有“引、堵、越、绕”四种。
遇到暗河或溶洞有水流时，直排不宜堵。应在查明水源流向
及其与隧道位置的关系后，用暗管、涵洞、小桥等设施渲泄水流
或开凿泄水洞将水排除洞外（图10.4.1）。当岩溶水流的位置
在隧道顶部或高于隧道顶部时，应在适当距离处，开凿引水斜洞
（或引水槽）将水位降低到隧底标高以下，再行引排。当隧道设
有平行导坑时，可将水引入平行导坑排出。
B．堵
对已停止发育、跨径较小，无水的溶洞，可根据其与隧道相 图10.4.1桥涵渲泄水流示意图
交的位置及其充填情况，采用混凝土、浆砌片石或干砌片石予以回填封闭；或加深边墙基础，加
固隧道底部（图10.4.2）。当隧道拱顶部有空溶洞时，可视溶洞的岩石破碎程度在溶洞顶部采用锚杆或锚喷网加固，必要时可考虑注浆加固并加设隧道护拱及拱顶回填进行处理（图10.4.3）。
图10.4.2 溶洞堵填示意图 图10.4.3 喷铺加固与护拱示意图
C．越
当隧道一侧遇到狭长而较深的溶洞，可加深该侧的边墙基础通过（图10.4.4）。隧道底部遇有较大溶洞并有流水时，可在隧道底部以下砌筑圬工支墙，支承隧道结构，并在支墙内套设涵管引排溶洞水（图10.4.5）。隧道边墙部位遇到较大、较深的溶洞，不宜加深边墙基础时，可在边墙部位或隧底以下筑拱跨过（图10.4.6）。当隧道中部及底部遇有深狭的溶洞时，可加强两边墙基础，并根据情况设置桥台架梁通过（图10.4.7）。隧道穿过大溶洞，情况较为复杂时，可根据情况，采用边墙梁、行车梁等，由设计单位负责特殊设计后施工。
图10.4.4加深边墙基础示意图 图10.4.5 支墙内套设涵管示意图
D．绕
在岩溶区施工，个别溶洞处理耗时且困难时，可采取迂回导坑绕过溶洞，继续进行隧道前方施工，并同时处理溶洞，以节省时间，加快施工进度。绕行开挖时，应防止洞壁失稳。
（3）溶洞地段隧道施工的注意事项
1）当施工达到溶洞边缘，各工序应紧密衔接，支护和衬砌赶前。同时应利用探孔或物探作超前预报，设法探明溶洞的形状、范围、大小、充填物及地下水等情况，据以制定施工处理方案及安全措施。
2）施工中注意检查溶洞顶部，及时处理危石。当溶洞较大较高且顶部破碎时，应先喷射混凝土加固，再在靠近溶洞顶部附近打入锚杆，并应设置施工防护架或钢筋防护网。
图10.4.6筑拱跨过示意图 图10.4.7架梁跨过示意图
3）在溶蚀地段的爆破作业应尽量做到多打眼、打浅眼，并控制爆破药量减少对围岩的扰动。防止在一次爆破后溶洞内的填充物突然大量涌入隧道，或溶洞水突然袭击隧道，造成严重损失。
4）在溶洞充填体中掘进，如充填物松软，可用超前支护施工。如充填物为极松散的砾石、块石堆积或流塑状粘土及砂粘土等可于开挖前采用地表注浆、洞内注浆或地表和洞内注浆相结合加固。如遇颗粒细、含水量大的流塑状土壤，可采用劈裂注浆技术，注入水泥浆或水泥水玻璃双液浆进行加固。
5）溶洞未做出处理方案前，不要将弃渣随意倾填于溶洞中。因弃渣覆盖了溶洞，不但不能了解其真实情况，反而会造成更多困难。
10.4.5 坍方
隧道开挖时，导致坍方的原因有多种，概括起来可归结为：一是自然因素，即地质状态、受力状态、地下水变化等；二是人为因素，即不适当的设计，或不适当的施工作业方法等。由于坍方往往会给施工带来很大困难和很大经济损失。因此，需要尽量注意排除会导致坍方的各种因素，尽可能避免坍方的发生。
（1）发生坍方的主要原因
1）不良地质及水文地质条件
A．隧道穿过断层及其破碎带，或在薄层岩体的小曲褶、错动发育地段，一经开挖，潜在应力释放快、围岩失稳，小则引起围岩掉块、坍落，大则引起坍方。当通过各种堆积体时，由于结构松散，颗粒间无胶结或胶结差，开挖后引起坍塌。在软弱结构面发育或泥质充填物过多，均易产生较大的坍塌。
B．隧道穿越地层覆盖过薄地段，如在沿河傍山、偏压地段、沟谷凹地浅埋和丘陵浅埋地段极易发生坍方。
C．水是造成坍方的重要原因之一。地下水的软化、浸泡、冲蚀、溶解等作用加剧岩体的失稳和坍落。岩层软硬相间或有软弱夹层的岩体，在地下水的作用下，软弱面的强度大为降低，因而发生滑坍。
2）隧道设计考虑不周
A．隧道选定位置时，地质调查不细，未能作详细的分析，或未能查明可能坍方的因素。没有绕开可以绕避的不良地质地段。
B．缺乏较详细的隧道所处位置的地质及水文地质资料，引起施工指导或施工方案的失误。
3）施工方法和措施不当
A．施工方法与地质条件不相适应；地质条件发生变化，没有及时改变施工方法；工序间距安排不当；施工支护不及时，支撑架立不合要求，或抽换不当“先拆后支”；地层暴露过久，引起围岩松动、风化、导致坍方。
B．喷锚支护不及时，喷射混凝土的质量、厚度不符合要求。
C．按新奥法施工的隧道，没有按规定进行量测，或信息反馈不及时，决策失误、措施不力。
D．围岩爆破用药量过多，因震动引起坍塌。
E．对危石检查不重视、不及时，处理危石措施不当，引起岩层坍塌。
（2）预防坍方的施工措施
1）隧道施工预防坍方，选择安全合理的施工方法和措施至关重要。在掘进到地质不良围岩破碎地段，应采取“先排水、短开挖、弱爆破、强支护、早衬砌、勤量测”的施工方法。必须制订出切实可行的施工方案及安全措施。
2）加强坍方的预测。为了保证施工作业安全，及时发现坍方的可能性及征兆，并根据不同情况采用不同的施工方法及控制坍方的措施，需要在施工阶段进行坍方预测。预测坍方常用的几种方法：
A．观察法
(a)．在掘进工作面采用探孔对地质情况或水文情况进行探察，同时对掘进工作面应进行地质素描，分析判断掘进前方有无可能发生坍方的超前预测。
(b)．定期和不定期地观察洞内围岩的受力及变形状态；检查支护结构是否发生了较大的变形；观察是否岩层的层理、节理裂隙变大，坑顶或坑壁松动掉块；喷射混凝土是否发生脱落；以及地表是否下沉等。
B．一般量测法
按时量测观测点的位移、应力，测得数据进行分析研究，及时发现不正常的受力、位移状态及有可能导致坍方的情况。
C．微地震学测量法和声学测量法
前者采用地震测量原理制成的灵敏的专用仪器；后者通过测量岩石的声波分析确定岩石的受力状态，并预测坍方。
3）加强初期支护，控制坍方：当开挖出工作面后，应及时有效地完成喷锚支护或喷锚网联合支护，并应考虑采用早强喷射混凝土、早强锚杆和钢支撑支护措施等。这对防止局部坍塌，提高隧道整体稳定性具有重要的作用。
（3）隧道坍方的处理措施
1）隧道发生坍方，应及时迅速处理。处理时必须详细观测坍方范围、形状、坍穴的地质构造，查明坍方发生的原因和地下水活动情况，经认真分析，制定处理方案。
2）处理坍方应先加固未坍塌地段，防止继续发展。并可按下列方法进行处理：
A．小坍方，纵向延伸不长、坍穴不高，首先加固坍体两端洞身，并抓紧喷射混凝土或采用锚喷联合支护封闭坍穴顶部和侧部，再进行清渣。在确保安全的前提下，也可在坍渣上架设临时支架，稳定顶部，然后清渣。临时支架待灌筑衬砌混凝土达到要求强度后方可拆除。
B．大坍方，坍穴高、坍渣数量大，坍渣体完全堵住洞身时，宜采取先护后挖的方法。在查清坍穴规模大小和穴顶位置后，可采用管棚法和注浆固结法稳固围岩体和渣体，待其基本 稳定后，按先上部后下部的顺序清除渣体，采取短进尺、弱爆破、早封闭的原则挖坍体，并尽快完成衬砌（图10.4.8）。
C．坍方冒顶，在清渣前应支护陷穴口，地层极差时，在陷穴口附近地面打设地表锚杆，洞内可采用管棚支护和钢架支撑。
D．洞口坍方，一般易坍至地表，可采取暗洞明作的办法。
图10.4.规模坍方处理实例示意图
1—第一次注浆；2—第二次注浆；3—第三次注浆；4—管棚；5—坍线；
6—坍体；7—初期支护；8—注浆孔；9—混凝土封堵墙
3）处理坍方的同时，应加强防排水工作。坍方往往与地下水活动有关，治坍应先治水。防止地表水渗入坍体或地下，引截地下水防止渗入坍方地段，以免坍方扩大。具体措施：
A．地表沉陷和裂缝，用不透水土壤夯填紧密，开挖截水沟，防止地表水渗入坍体。
B．坍方通顶时，应在陷穴口地表四周挖沟排水，并设雨棚遮盖穴顶。陷穴口回填应高出地面并用粘土或圬工封口，做好排水。
C．坍体内有地下水活动时，应用管槽引至排水沟排出。防止坍方扩大。
4）坍方地段的衬砌，应视坍穴大小和地质情况予以加强。衬砌背后与坍穴洞孔周壁间必须紧密支撑。当坍穴较小时，可用浆砌片石或干砌片石将坍穴填满；当坍穴较大时，可先用浆砌片石回填一定厚度，其以上空间应采用钢支撑等顶住稳定围岩；特大坍穴应作特殊处理。
5）采用新奥法施工的隧道或有条件的隧道，坍方后要加设量测点，增加量测频率，根据量测信息及时研究对策。浅埋隧道，要进行地表下沉测量。
10.4.6 松散地层
松散地层结构松散，胶结性弱，稳定性差，在施工中极易发生坍塌。如极度风化破碎已失岩性的松散体；漂卵石地层、砂夹砾石和含有少量粘土的土壤以及无胶结松散的干沙等。隧道穿过这类地层，应减少对围岩的扰动，一般采取先护后挖，密闭支撑，边挖边封闭的施工原则，必要时可采用超前注浆改良地层和控制地下水等措施。下面简述几种主要施工方法：
（1）超前支护
隧道开挖前，先向围岩内打入钎、管、板等构件，用以预先支护围岩，防止坑道掘进时岩体发生坍塌。
1）超前锚杆或超前小钢管：采用这种方法是爆破前，将超前锚杆或小钢管打入掘进前方稳定的岩层内。末端支撑在拱部围岩内的悬吊锚杆或格栅拱支撑上。使其起到支护掘进进尺范围内拱部上方，有效地约束围岩在爆破后的一定时间内不发生松弛坍塌。超前铺杆宜采用早强型砂浆锚杆，以尽早发挥超前支护作用。
2）超前管棚法：此法适用于围岩为砂粘土、粘砂土、亚粘土、粉砂、细砂、砂夹卵石夹粘土等非常散软、破碎的土壤，钻孔后极易塌孔的地层。在采用此法时，管棚长度应按地质情况选用，但应保证开挖后管棚有足够的超前长度。为增加管棚刚度，可在钢管内灌入混凝土或设置钢筋笼，注入水泥砂浆。于是在地层中建立起一个临时承载棚，在其防护下施工。
（2）超前小导管预注浆
超前小导管预注浆是沿开挖外轮廓线，以一定角度打入管壁带孔的小导管，并以一定压力向管内压注水泥或化学浆液的措施。它既能将洞周围岩体预加固，又能起超前预支护作用。此法适用于自稳时间很短的砂层、砂卵（砾）石层等松散地层施工。
（3）降水、堵水
在松散地层中含水，对隧道施工的危害极大。排除施工部位的地下水，有利于施工。降水、堵水的方法较多，如降水可在洞内或辅助坑道内井点降水。在埋深较浅的隧道中，可用深井泵降水，在洞外地面隧道两侧布点进行。
在地下水丰富，而且排水条件或排水费用太高，经过技术、经济比选，可采用注浆堵水措施。注浆堵水又分地面预注浆和洞内开挖工作面预注浆。二者采用哪种方法，应根据隧道埋深、工程地质和水文地质情况；钻孔和压浆设备能力；以及技术、经济、工期等方面进行综合分析后采用。
10.4.7 流沙
流沙是沙土或粉质粘土在水的作用下丧失其内聚力后形成的，多呈糊浆状，对隧道施工危害极大。由于流沙可引起围岩失稳坍塌，支护结构变形，甚至倒塌破坏。因此，治理流沙必先治水，以减少沙层的含水量为主。宜采取以下措施进行治理：
（1）加强调查，制订方案：施工中应调查流沙特性、规模，了解地质构成、贯入度、相对密度。粒径分布、塑性指数、地层承载力、滞水层分布、地下水压力和透水系数等，并制订出切实可行的治理方案。
（2）因地制宜，综合治水：隧道通过流沙地段，处理地下水的问题，是解决隧道流沙、流泥施工难题中的首要关键技术。施工时，因地制宜，采用“防、截、排、堵”的治理方法。
1）防——建立地表沟槽导排系统及仰坡地表局部防渗处理，防止降雨和地表水下渗。
2）截——在正洞之外水源一侧，采用深井降水，将储藏丰富构造裂隙水，通过深井抽水排走，减少正洞的静水和动水压力，对地下水起到拦截作用。
3）排——有条件的隧道在正洞水源下游一侧开挖一条洞底低于正洞仰拱的泄水洞，用以降排正洞的地下水，或采用水平超前钻孔真空负压抽水的办法，排除正洞的地下水。
4）堵——采用注浆方法充填裂隙，形成止水帷幕，减少或堵塞渗水通道。
以上几种施工方法，应根据工程地质、水文地质条件和地下水的性质、类型、赋存部位以及工期要求和经济效益等因素综合分析，合理选用。
（3）先护后挖，加强支护：开挖时必须采取自上而下分部进行，先护后挖，密闭支撑，边挖边封闭，遇缝必堵，严防沙粒从支撑缝隙中逸出。也可采用超前注浆，以改善围岩结构，用水泥浆或水泥水玻璃为主的注浆材料注入或用化学药液注浆加固地层，然后开挖。
在施工中应观测支撑和衬砌的实际沉落量的变化，及时调整预留量。架立支撑时应设底梁并纵横、上下连接牢固，以防箱架断裂倾倒。拱架应加强刚度，架立时设置底梁并垫平楔紧，拱脚下垫铺牢固。支撑背面用木板或槽型钢板遮挡，严防流沙从支撑间逸出。在流沙逸出口附近较干燥围岩处，应尽快打入铺杆或施作喷射混凝土，加固围岩，防止逸出扩大。
（4）尽早衬砌，封闭成环：流沙地段，拱部和边墙衬砌混凝土的灌筑应尽量缩短时间，尽快与仰拱形成封闭环。这样，即使围岩中出现流沙也不会对洞身衬砌造成破坏。
10.4.8 岩爆
埋藏较深的隧道工程，在高应力、脆性岩体中，由于施工爆破扰动原岩，岩体受到破坏，使掌子面附近的岩体突然释放出潜能，产生脆性破坏，这时围岩表面发生爆裂声，随之有大小不等的片状岩块弹射剥落出来。这种现象称之岩爆。岩爆有时频繁出现，有时甚至会延续一段时间后才逐渐消失。岩爆不仅直接威胁作业人员与施工设备的安全，而且严重地影响施工进度，增加工程造价。
（1）隧道内岩爆的特点
1）岩爆在未发生前并无明显的预兆（虽然经过仔细找顶并无空响声）。一般认为不会掉落石块的地方，也会突然发生岩石爆裂声响，石块有时应声而下，有时暂不坠落。这与塌顶和侧壁坍塌现象有明显的区别。
2）岩爆时，岩块自洞壁围岩母体弹射出来，一般呈中厚边薄的不规则片状，块度大小多呈几厘米长宽的薄片，个别达几十厘米长宽。严重时，上吨重的岩石从拱部弹落，造成岩爆性坍方。
3）岩爆发生的地点，多在新开挖工作面及其附近，个别的也有距新开挖工作面较远处。岩爆发生的频率随暴露后的时间延长而降低。一般岩爆发生在16天之内，但是也有滞后一个月甚至数月还有发生岩爆。
（2）岩爆产生的主要条件
国内外的专家研究结果表明，地层的岩性条件和地应力的大小是产生岩爆与否的两个决定性因素。从能量的观点来看，岩爆的形成过程是岩体中的能量从储存到释放直至最终使岩体破坏而脱离母岩的过程。因此，岩爆是否发生及其表现形式就主要取决于岩体中是否储存了足够的能量，是否具有释放能量的条件及能量释放的方式等。
（3）岩爆的防治措施
岩爆产生的前提条件取决于围岩的应力状态与围岩的岩性条件。在施工中控制和改变这两个因素就可能防止或延缓岩爆的发生。因此，防治岩爆发生的措施主要有二：一是强化围岩，二是弱化围岩。
强化围岩的措施很多，如喷射混凝土或喷钢纤维混凝土、锚杆加固、锚喷支护、锚喷网联合、钢支撑网喷联合，紧跟混凝土衬砌等。这些措施的出发点是给围岩一定的径向约束，使围岩的应力状态较快地从平面转向三维应力状态，以达到延缓或抑制岩爆发生的目的。
弱化围岩的主要措施是注水、超前预裂爆破、排孔法、切缝法等。注水的目的是改变岩石的物理力学性质，降低岩石的脆性和储存能量的能力。后三者的目的是解除能量，使能量向有利的方向转化和释放。据文献介绍，切缝法和排孔法能将能量向深层转移。围岩内的应力，特别是在切缝或排孔附近周边的切向应力显著降低。同时，围岩内所积蓄的弹性应变能也得以大幅度地释放，因而，可有效地防治岩爆。
（4）岩爆地段隧道施工的注意事项
1）如设有平行导坑，则平导应掘进超前正洞一定距离，以了解地质，分析可能发生岩爆的地段，为正洞施工达到相应地段时加强防治，采取必要措施。
2）爆破应选用预先释放部分能量的方法，如超前预裂爆破法、切缝法和排孔法等，先期将岩层的原始应力释放一些，以减少岩爆的发生。爆破应严格控制用药量，以尽可能减少爆破对围岩的影响。
3）根据岩爆发生的频率和规模情况，必要时应考虑缩短爆破循环进尺。初期支护和衬砌要紧跟开挖面，以尽可能减少岩层的暴露面和暴露时间，防止岩爆的发生。
4）岩爆引起坍方时，应迅速将人员和机械撤到安全地段；采用摩擦型锚杆进行支护，增大初锚固力；采用钢钎维喷射混凝土，抑制开挖面围岩的剥落；采取挂钢筋网或用钢支撑加固；充分作好岩爆现象观察记录；采用声波探测预报岩爆工作。
10.4.9 高地温
隧道通过高温、高热地段，会给施工带来困难。一般在火山地带的地区修建隧道或地下工程会遇到比较高温高热的情况，如日本某地的发电厂工程的隧道，其围岩温度高达 175℃。更甚者，在高温隧道中发生过施工人员由于地层喷出热水或硫化氢等有害气体，而烫伤或中毒。
（1）高地温的热源
地热的形成按热源分类，可分为三大类：即地球的地幔对流；火山岩浆集中处的热能及放射性元素的裂变热成为热源。其中，对隧道工程造成施工影响的，主要是火山的热源和放射性元素的裂变热源。
1）火山热的热源：由于火山供给的热是地下的岩浆集中处的热能而产生热水，这种热水（泉水）成为热源又将热供给周围的岩层。当隧道或地下工程穿过这种岩层，就有发生高温、高热的现象。
2）放射性元素的裂变热的热源：根据日本文献介绍，由于地壳内岩石中含有放射性物质，其裂变热产生地温，地下增温率以所处的深度不同而异，其平均值为3℃／100m。东京大学院内测定的实例表明，该处地下增温率为2．2℃／100m。假定地表温度为15℃，地下增温率以3℃／100m计，覆盖层厚1000m深处的地温则成为45℃。日本某地质调查所对30处深层热水地区调查的结果，在平原地区认为不受火山热源的影响，其地下2000m深处的地下温度为67℃～136℃。这说明如果覆盖层很厚即使没有火山热源供给也有发生高温、高热问题的可能性。
（2）高地温地段隧道施工的措施
1）为保证隧道施工人员进行正常的安全生产，我国有关部门对隧道施工作业环境的卫生标准都有规定。如铁道部规定，隧道内气温不得超过28℃；交通部规定，隧道内气温不宜高于30℃。国外的资料介绍，日本规定隧道内温度低于37℃。
2）为达到规定的标准，在施工中一般采取通风和洒水及通风与酒水相结合的措施。地温较高时，可采用大型通风设备予以降温。地温很高时，在正洞开挖工作面前方的一段距离，利用平导超前钻探，如有热水涌出，可在平导内增建降水、排水设施和排水钻孔，以降低正洞的水位。如正洞施工中仍有热水涌出时，可采用水玻璃水泥等药液注浆，以发挥截水及稳定围岩的作用。
3）高温地段的衬砌混凝土：在高温（如70℃高温）的岩体及喷混凝土上浇筑二次衬砌混凝土时，即使厚度再薄，水化热也不易逸出。由于混凝土里面和表面的温差，在早龄期有可能存在裂缝。因此，对二次混凝土衬砌防止裂缝，应采取下述措施：
A．为了防止高温时的强度降低，应选定合适的水灰比，并考虑到对温泉水的耐久性，宜采用高炉矿渣水泥（分离粉碎型水泥）。混凝土配合比和掺合剂应作试验优选。
B．在防水板和混凝土衬砌之间设置隔热材料，可隔断从岩体传播来的热量，使混凝土内的温度应力降低。
C．把一般衬砌混凝土的浇筑长度适当缩短。
D．用防水板和无纺布组合成缓冲材料，由于与喷混凝土隔离，因此，混凝土衬砌的收缩可不受到约束。
E．适当设置裂缝诱发缝，一般在两拱角延长方向设置。
10.4.10 瓦斯地层
瓦斯是地下坑道内有害气体的总称，其成分以沼气（甲烷CH4）为主，一般习惯即称沼气为瓦斯。
当隧道穿过煤层、油页岩或含沥青等岩层，或从其附近通过而围岩破碎、节理发育时，可能会遇到瓦斯。如果洞内空气中瓦斯浓度已达到爆炸限度与火源接触，就会引起爆炸，对隧道施工会带来很大的危害和损失。所以，在有瓦斯的地层中修建隧道，必须采取相应措施，才能安全顺利施工。
（1）瓦斯的性质
1）瓦斯（沼气）为无色、无臭、无味的气体，与碳化氢或硫化氢混合在一起，发生类似苹果的香味，由于空气中瓦斯浓度增加，氧气相应减少，很容易使人窒息或发生死亡事故。
2）瓦斯比重为0.554，仅占空气一半，所以在隧道内，瓦斯容易存在坑道顶部，其扩散速度比空气大 1．6倍，很容易透过裂隙发达、结构松散的岩层。
3）瓦斯不能自燃，但极易燃烧，其燃烧的火焰颜色，随瓦斯浓度的增大而变淡，空气中含有少量瓦斯时火焰呈兰色，浓度达5％左右时，火焰呈淡青色。
（2）瓦斯的燃烧和爆炸性
当坑道中的瓦斯，浓度小于 5％遇到火源时，瓦斯只是在火源附近燃烧而不会爆炸；瓦斯 浓度在5%～6% 到14％～16%时，遇到火源具有爆炸性；瓦斯浓度大于 14％～ 16％时，一般不爆炸，但遇火能平静地燃烧，瓦斯浓度爆炸界限见表10 .4.1。
瓦斯爆炸浓度界限 表10.4.1
| 瓦斯浓度（%） | 爆炸界限 |
| 5~6 | 瓦斯爆炸下界限 |
| 14~16 | 瓦斯爆炸上界限 |
| 9.5 | 爆炸最强烈 |
| 8.0 | 最易点燃 |
| 低于5.0、大于14~16 | 不爆炸，与火焰接触部分燃烧 |
瓦斯爆炸时，爆炸波运动造成暴风在前，火焰在后，暴风遇到积存瓦斯，使它先受到压力，然后火焰点燃发生爆炸。第二次瓦斯受到的压力比原来的压力大，因此爆炸后的破坏力也更巨剧烈。
(3)瓦斯放出的类型
从岩层中放出瓦斯，可分为三种类型：
1）瓦斯的渗出：它是缓慢地、均匀地、不停地从煤层或岩层的暴露面的空隙中渗出，延续时间很久，有时带有一种嘶音。
2）瓦斯的喷出：比上述渗出强烈，从煤层或岩层裂缝或孔洞中放出，喷出的时间有长有短，通常有较大的响声和压力。
3）瓦斯的突出：在短时间内，从煤层或岩层中，突然猛烈地喷出大量瓦斯，喷出的时间，可能从几分钟到几小时，喷出时常有巨大轰响，并夹有煤块或岩石。
以上三种瓦斯放出形式，以第一种放出的瓦斯量为大。
(4)防止瓦斯事故的措施
1）隧道穿过瓦斯溢出地段，应预先确定瓦斯探测方法，并制订瓦斯稀释措施、防爆措施和紧急救援措施等。
2）隧道通过瓦斯地区的施工方法，宜采用全断面开挖，因其工序简单、面积大、通风好，随掘进随衬砌，能够很快缩短煤层的瓦斯放出时间和缩小围岩暴露面，有利于排除瓦斯。
上下导坑法开挖，因工序多，岩层暴露的总面积多，成洞时间长，洞内各工序交错分散，易使瓦斯分处积滞浓度不匀。采用这种施工方法，要求工序间距离尽量缩短，尽快衬砌封闭瓦斯地段，并保证混凝土的密实性，以防瓦斯溢出。
3）加强通风是防止瓦斯爆炸最有效的办法。把空气中的瓦斯浓度吹淡到爆炸浓度以下的1／5～1／10，将其排出洞外，有瓦斯的坑道，决不允许用自然通风，必须采用机械通风。通风设备必须防止漏风，并配备备用的通风机，一旦原有通风机发生故障时，备用机械能立即供风。保证工作面空气内的瓦斯浓度在允许限度内。当通风机发生故障或停止运转时，洞内工作人员应撤离到新鲜空气地区，直至通风恢复正常，才准许进入工作面继续工作。
4）洞内空气中允许的瓦斯浓度应控制在下述规定以下：
A．洞内总回风风流中小于0. 75％。
B．从其他工作面进来的风流中小于0．5％。
C．掘进工作面2％以下。
D．工作面装药爆破前1％以下。
如瓦斯浓度超过上述规定，工作人员必须立即撤到符合规定的地段，并切断电源。
5）开挖工作面风流中和电动机附近20m以内风流中瓦斯浓度达到1.5％时，必须停工。停机，撤出人员，切断电源，进行处理。
开挖工作面内，局部积聚的瓦斯浓度达到2％时，附近20m内，必须停止工作，切断电源，进行处理。
因瓦斯浓度超过规定而切断电源的电气设备，都必须在瓦斯浓度降到1％以下时，方可开动机器。
6）瓦斯隧道必须加强通风，防止瓦斯积聚。由于停电或检修，使主要通风机停止运转，必须有恢复通风、排除瓦斯和送电的安全措施。恢复正常通风后，所有受到停风影响的地段，必须经过监测人员检查，确认无危险后方可恢复工作。所有安装电动机和开关地点的20m范围内，必须检查瓦斯，符合规定后才可启动机器。局部通风机停止运转，在恢复通风前，亦必须检查瓦斯，符合规定方可开动局部风机，恢复正常通风。
7）如开挖进入煤层，瓦斯排放量较大，使用一般的通风手段难以稀释到安全标准时，可使用超前周边全封闭预注浆。在开挖前沿掌子面拱部、边墙、底部轮廓线轴向辐射状布孔注浆，形成一个全封闭截堵瓦斯的帷幕。特别对煤层垂直方向和断层地带进行阻截注浆，其效果会更佳。
开挖后要及时进行喷锚支护，并保证其厚度，以免漏气和防止围岩的失稳。
8）采用防爆设施
A．遵守电器设备及其他设备的保安规则，避免发生电火，瓦斯散发区段，使用防爆安全型的电器设备，洞内运转机械须具有防爆性能，避免运转时发生高温火花。
B．凿岩时用湿式钻岩，防止钻头发生火花，洞内操作时，防止金属与坚石撞击、摩擦发生火花。
C．爆破作业，使用安全炸药及毫秒电雷管，采用毫秒雷管时，最后一段的延期时间不得超过130ms。爆破电闸应安装在新鲜风流中，并与开挖面保持200m左右距离。
D．洞内只准用电缆，不准使用皮线。使用防爆灯或蓄电池灯照明。
E．铲装石渣前必须将石渣浇湿，防止金属器械摩擦和撞击发生火花。
（5）严格执行有关制度
1）瓦解斯检查制度：指定专人、定时和经常进行检查，测量风流和瓦斯含量，严格执行瓦斯允许浓度的规定。瓦斯检查手段可采用瓦斯遥测装置、定点报警仪和手持式光波干涉仪。随时发现异常情况，应及时报告技术主管负责人，采取措施进行处理。
2）洞内严禁使用明火，严禁将火柴、打火机、手电筒及其他易燃品带入洞内。
3）进洞人员必须经过瓦斯知识和防止瓦斯爆炸的安全教育。抢救人员未经专门培训不准在瓦斯爆炸后进洞抢救。
4）瓦斯检查人员必须挑选工作认真负责、有一定业务能力、经过专业培训、考试合格者，方可进行监测工作。
以上仅介绍了瓦斯隧道施工的几项主要制度，施工时要按照瓦斯防爆的技术安全规则与有关制度严格执行。
10.5 开挖
在目前条件下，开挖隧道的主要方法仍然是钻孔爆破法。开挖工作包括钻眼、装药、爆破等几项工作内容，对于开挖工作应做到下面几点要求：
A．按设计要求开挖出断面（包括形状、尺寸、表面平整、超挖、欠挖等要求）；
B．石渣块度（石渣大小）便于装渣作业；
C．掘进速度快，少占作业循环时间；
D．爆破在充分发挥其能力的前提下，减少对围岩的震动破坏，减少对施工用具设备及支护结构的破坏，并尽量节省爆破器材消耗
隧道施工所采用的爆破方法中，用得最多的是炮眼爆破法。爆破方法要研究的问题主要是炮眼布置、炮眼参数以及装药起爆等。
10.5.1炮眼布置和周边眼的控制爆破
掘进工作面的炮眼可分为掏槽眼、辅助眼和周边眼。如图10.5.1所示。
（1)掏槽眼布置
掏槽眼的作用是将开挖面上某一部位的岩石掏出一个槽，以形成新的临空面，为其它炮眼的爆破创造有利条件。掏槽炮眼一般要比其他炮眼深10~20cm，以保证爆破后开挖深度一致。
根据坑道断面、岩石性质和地质构造等条件，掏槽眼排列形式有很多种，总的可分成斜眼掏槽和直眼掏槽两大类，如图10.5.2所示。
1）斜眼掏槽
其特点是掏槽眼与开挖面斜交。常用的有锥形掏槽，楔形掏槽，单向掏糟。其中最常用的是竖楔形掏槽（图10.5.2b）。斜眼掏槽的优点是可以按岩层的实际情况选择掏槽方式和掏槽角度，容易把岩石抛出，而且所需掏槽眼的个数较少。缺点是眼深受坑道断面尺寸的，也不便于多台钻机同时凿岩。
为了防止相邻炮眼或相对炮眼之间的殉爆，装药炮眼之间的距离不能小于20cm。
2）直眼掏槽
直眼掏槽可以实行多机凿岩、钻眼机械化和深眼爆破，从而为加快掘进速度提供了有利条件。直眼掏槽凿岩作业比较方便，不需随循环进尺的改变而变化掏槽型式，仅需改变炮眼深度；而斜眼掏槽则要随循环进尺的不同而改变炮眼位置和角度。直眼掏槽石碴抛掷距离也可缩短。所以目前现场多采用直眼掏槽。但直眼掏槽的炮眼数目和单位用药量要增多，炮眼位置和钻眼方向也要求高度准确，才能保证良好的掏槽效果，技术比较复杂。
1~4为掏槽炮眼
5~10为辅助炮眼
其余为周边炮眼
图10.5.1 图10.5.2
直眼掏槽的形式很多，过去常用的有：龟裂掏槽，五梅花掏槽和螺旋掏槽。
近年来，由于重型凿岩机投入施工，尤其是能钻大于100mm直径大孔的液压钻机投入施工以后，直眼掏槽的布置形式有了新发展。隧道工程局试验成功的几种大孔中空（即临空孔）平行直眼掏槽形式，已在该局现场施工爆破中证明具有良好的掏槽效果。初步结论是：对于钻孔深度为3.0~3.5 m的深孔爆破，采用双临空孔型式（图10.5.3a），爆破效果最佳；钻孔深度3.5~5.15m的深孔爆破，采用三临空孔型式最佳（图 10.5.3 b）；钻孔深度在3m以下的，则可采用单临空孔型式（图10.5.3 C）。以上几种掏槽型式基本上适用于中硬和坚硬的各种岩层中。
实践证明，直眼掏槽的爆破效果与临空孔的数目、直径及其与装药眼的距离密切相关。在硬岩爆破中，效果随空眼至装药眼中心距离W与空眼直径φ的比值而有很大变化。如W＞2φ，爆破后岩石仅产生塑性变形，而不能产生真正的破碎；W=0.70φ~1.5φ之间时效果最好，为破碎抛掷型掏槽；眼距过小时，爆炸作用有时会将相邻炮眼中的炸药（主要指粉状硝铵类炸药）‘挤实’，使之因密度过高而拒爆。为保证空眼所形成的空间足够供岩石膨胀，在考虑临空孔数目时，一般要求所形成的空间不小于装药眼至空眼间的岩柱体积的10％～20％。
(2)辅助眼布置
辅助眼的作用是进一步扩大掏槽体积和增大爆破量，并为周边眼创造有利的爆破条件。其布置主要是解决间距和最小抵抗限问题，这可以由工地经验决定。最小抵抗线约为炮眼间距的60~80%。
(3)周边眼布置
周边眼的作用是爆破后使坑道断面达到设计的形状和规格。周边眼原则上沿着设计轮廓均匀布置，间距和最小抵抗限应比辅助眼的小，以便爆出较为平顺的轮廓。眼口距设计轮廓线约0.1~0.2m，便于钻眼。
周边眼的底端，对于松软岩层应放在设计轮廓线以内，对于中硬岩层可放在设计轮廓线上，对于坚硬岩层则应略超出设计轮廓线外。为了避免欠挖，底板眼底端一般都超出设计轮廓线。
(4)周边眼的控制爆破
在隧道爆破施工中，首要的要求是炮眼利用率高，开挖轮廓及尺寸准确，对围岩震动小。按通常的周边炮眼布置，若全断面一次开挖，常常难以爆破出理想的设计断面，对围岩扰动又大。采用光面爆破与预裂爆破技术，可以控制爆破轮廓，尽量保持围岩的稳定。
光面爆破是指爆破后断面轮廓整齐，超挖和欠挖符合规定要求的爆破。其主要标准是；
A．开挖轮廓成型规则，岩面平整；
B．岩面上保存50％以上孔痕，并无明显的爆破裂缝；
C．爆破后围岩壁上无危石。
图10.5.3
（单位：cm。炮眼旁数字为毫秒雷管段别。）
a．双临空孔型 b．三临空孔型 c．单临空孔型
隧道施工中采用光面爆破，对围岩的扰动比较轻微，围岩松弛带的范围只有普通爆破法的1/9~1/2；大大地减少了超欠挖量，节约了大量的混凝土和回填片石，加快了施工进度；围岩壁面平整、危石少，减轻了应力集中现象，避免局部坍落，增进了施工安全，并为喷锚支护创造了条件。
光面爆破的优点，在完整岩体中可以从直观感觉中明显地看到。在松软的、特别是不均质和构造发育的岩体中采用光面爆破时，表面效果看来则较差，但对于减轻对围岩的震动破坏，减少超挖和避免冒顶等方面，其实质作用是很大的。所以从围岩稳定性着眼，愈是地质不良地段，更要采用光面爆破。
1）光面爆破的基本原理
实现光面爆破，就是要使周边炮眼起爆后优先沿各孔的中心连线形成贯通裂缝，然后由于爆炸气体的作用，使裂解的岩体向洞内抛散。裂缝形成的机理，国内外进行过不少研究，但目前还缺乏一致的认识。有代表性的理论有三种，一种是认为成缝主要是由于爆破应力波的动力作用引起的，提出了应力波理论；另一种则认为裂缝主要是由于爆破高压气体准静应力的作用引起的，提出了静压力破坏理论；第三种是应力波与爆破气体压力共同作用理论，这是更多的人赞同的一种理论。
2）光面爆破的主要参数及技术措施
确定合理的光面爆破参数，是获得良好的光面爆破效果的重要保证。光面爆破的主要参数包括周边眼的间距、光面爆破层的厚度、周边眼密集系数、周边眼的线装药密度等。影响光面爆破参数选择的因素很多，主要有岩石的爆破性能、炸药品种、一次爆破的断面大小及形状等；其中影响最大的是地质条件。光面爆破参数的选择，目前还缺乏一定的理式，多是采用经验方法。为了获得良好的光面爆破效果，可采取以下技术措施：
A．适当加密周边眼
周边眼孔距适当缩小，可以控制爆破轮廓，避免超欠挖，又不致过大地增加钻眼工作量。孔间距的大小与岩石性质、炸药种类、炮眼直径有关，一般为E＝（8~18）d，E为孔距（图10.5.4），d为炮眼直径。一般情况下，坚硬或破碎的岩石宜取小值，软质或完整的岩石宜取大值。
B．合理确定光面爆破层厚度
所谓光面爆破层，就是周边眼与最外层辅助眼之间的一圈岩石层。光面爆破层厚度就是周边眼的最小抵抗线（见图10.5.4）。周边眼的间距E与光面爆破层厚度W有着密切关系，通常以周边眼密集系数K表示为K=E/W。必须使应力波在两相邻炮眼间的传播距离小于应力波至临空面的传播距离，即E＜W。所以K是小于1的变量，国内外大量工程实践的经验是取K=0.8左右，光面爆破层厚度W一般取50~90cm。
图10.5.4
C．合理用药
用于光面爆破的炸药，既要求有较高的破岩应力能，又要消除或减轻爆破对围岩的扰动，所以宜采用低猛度、低爆速、传爆性能好的炸药。但在炮眼底部，为了克服眼底岩石的夹制作用，应改用高爆速炸药。
周边眼的装药量是光面爆破参数中最重要的一个参数，通常以线装药密度表示。线装药密度是指炮眼中间正常装药段每米长的装药量。恰当的装药量应是既要具有破岩所需的应力能，又不造成围岩的破坏，施工中应根据孔距、光面爆破厚度、石质及炸药种类等综合考虑确定装药量。
D．采用小直径药卷不偶合装药结构
在装药结构上，宜采用比炮眼直径小的小直径药卷连续或间隔装药；此时，药卷与炮眼壁间留有空隙，称之为不偶合装药结构。炮眼直径与药卷直径之比称为偶合系数。光面爆破的不偶合系数最好大于2，但药卷直径不应小于该炸药的临界直径，以保证稳定起爆。当采用间隔装药时，相邻炮眼所用药串的药卷位置应错开，以便充分利用炸药效能。
E．保证光面爆破眼同时起爆
具测定，各炮眼的起爆时差超过0.1s时，就同与单个炮眼爆破。使用即发雷管与导爆索起爆是保证光面爆破眼同时起爆的好方法，同段毫秒雷管起爆次之。
F．要为周边眼光面爆破创造临空面
这可以在开挖程序和起爆顺序上予以保证，并应注意不要使先爆落的石碴堵死周边眼的临空面。一个均匀的光面爆破层是有效地实现光面爆破的重要一环，应对靠近光面爆破层的辅助眼的布置和装药量给予特殊注意。
以上几点，是通过实践经验总结而来的有效措施。
3）预裂爆破
裂爆破实质上也是光面爆破的一种型式，其爆破原理与光面爆破原理相同。只是在爆破的顺序上，光面爆破是先引爆掏槽眼，接着引爆辅助眼，最后才引爆周边眼；而预裂爆破则是首先引爆周边眼，使沿周边眼的连心线炸出平顺的预裂面。由于这个预裂面的存在，对后爆的掏槽眼和辅助眼的爆炸波能起反射和缓冲作用，可以减轻爆炸波对围岩的破坏影响，爆破后的开挖面整齐规则。由于成洞过程和破岩条件不同，在减轻对围岩的扰动程度上，预裂爆破较光面爆破的效果更好一些。
所以，预裂爆破很适用与稳定性差而又要求控制开挖轮廓的软弱岩层。但预裂爆破的周边眼间距和最小抵抗限都要比光面爆破的小，相应地要增多炮眼数量，钻眼工作量增大。
与光面爆破一样，理想的预裂效果，关键在于保证连心线上的预裂面产生贯通裂缝，形成光滑的岩壁。但由于预裂爆破受到只有一个临空面条件的制约，采取的爆破参数及技术措施均较光面爆破的要求更严。
由于预裂爆破可以沿设计轮廓线裂出一条一定宽度的裂缝，对开挖岩石的破坏比较轻微，保持了岩体的完整性，所以在短短的十多年内，已在我国冶金、水电、煤炭、铁道等部门得到广泛应用。
10.5.2 炮眼参数
炮眼参数包括炮眼直径、炮眼数目和炮眼长度。
（1）炮眼直径
炮眼直径对凿岩生产率、炮眼数目、单位炸药消耗量和平整度均有影响。炮眼直径以及相应药径增加可使炸药能量相对集中，爆炸效果得以提高。但炮眼直径过大将导致凿岩速度显著下降，并影响岩石破碎质量，洞壁平整程度和围岩稳定性。因此，必须根据岩性、凿岩设备和工具、炸药性能等综合分析，合理选用孔径。药卷与炮眼壁之间的空隙通常为炮眼直径的10~15%。
（2）炮眼数目
炮眼数目主要与开挖断面、岩石性质和炸药性能有关。炮眼数量应能装入所需的适量炸药，通常可根据各炮眼平均分配炸药量的原则来计算炮眼数目N：
（此处N不包括未装药的空眼数） （10.5.1）
式中：q——单位炸药消耗量（由经验决定，一般取q＝1.2~24kg／m3）；
s——开挖断面积（m2）；
α——装药系数，指装药深度与炮眼长度的比值，可参考表10.5.1。
——每米药卷的炸药重量（kg／m），2号岩石硝胺炸药的每米药卷重量见表10.5.2。
装药系数α值 表10.5.1
| 围岩类别 炮眼名称 | Ⅱ、Ⅲ | Ⅳ | Ⅴ | Ⅵ |
| 掏槽眼 | 0.5 | 0.55 | 0.60 | 0.65~0.80 |
| 辅助眼 | 0.4 | 0.45 | 0.50 | 0.55~0.70 |
| 周边眼 | 0.4 | 0.45 | 0.55 | 0.60~0.75 |
| 药卷直径（mm） | 32 | 35 | 38 | 40 | 45 | 50 |
| γ（kg/m） | 0.78 | 0.96 | 1.10 | 1.25 | 1.59 | 1.90 |
炮眼长度，决定着每一掘进循环的钻眼工作量、出碴工作量、循环时间和次数以及施工组织。它对掘进速度的影响很大，对围岩的稳定性和断面超欠挖也有重大影响。因此，合理的炮眼长度，应是在隧道施工优质、安全、节省投资的前提下，能够防止爆破面以外围岩过大的松动，减少繁重支护，避免过大的超欠挖，又能获得最好的掘进速度的炮眼长度。它一般根据下列因素确定：
A．考虑围岩的稳定性，并避免过大的超欠挖；
B．考虑凿岩机的允许钻眼长度、操作技术条件和钻眼技术水平；
C．考虑掘进循环安排，保证充分利用作业时间。
在围岩稳定性良好的情况下，为了充分发挥凿岩机的性能，提高掘进循环的效率．可采用深眼掘进；但宜通过试验定出一个合理的炮眼长度，以避免引起过大超欠挖的不良后果。在围岩稳定性差的地段，为了防止对围岩的过大扰动，宜实行浅眼爆破，以免引起坍塌。
根据围岩性质，所拥有的掘进设备的能力，结合以往的实践经验，便可初步作出掘进循环安排，进而确定合理的炮眼长度（一般为导坑宽度或高度的0.5～0.85倍）。
在隧道全断面开挖中，随着大型液压凿岩台车的使用和钻眼技术水平的提高，炮眼深度已由原来的1.2~1.8m逐渐增至2.5、3.0、3.5、4.0m，有不少的隧道已采用钻深5.15m，钻孔直径48mm（中空孔直径为102mm）。总的说来，在每一掘进循环中，应考虑提高钻眼、出碴作业的效率，又使其他各项作业都能紧凑、顺利地完成这一原则，来确定合理的炮眼长度。
一个循环的时间T，应事先初步规定，如每班6（或8）h内完成一个或两个循环，则T为6或3（8或4）h。每一循环中各项作业的时间可分析如下：
A．钻眼时间t1
（10.5.2）
式中 m——同时使用的凿岩机台数；
——钻眼速度（m／min），可先根据L的大致值近似决定；
L——平均炮眼长度（m）。
B．装药时间t2
（10.5.3）
式中 ——一个炮眼的装药时间（min）；
n——同时装药的放炮工数目。
在有自动装药机的工地，装药时间当可根据实测统计资料确定。
C．起爆及通风时间t3
t3=（10.5.4）
采用无轨运输的独头双线隧道通风时间长达lh（如大瑶山隧道出口）。
D．装碴时间t4
（10.5.5）
式中 ——按实方计算的实际装碴生产率（m3／min）；
——炮眼利用系数，可估计为0.75～0.95；
——炮眼与开挖面所成的平均角度。
E．其他时间t5
此时间应包括在开挖面设置钻眼和装碴机械与清除危石的时间，以及其他时间损失等，按实际情况估算。
根据上列五项时间应得出：
（10.5.6）
由此可推导出在规定循环时间完成各项作业的炮眼长度为；
（m） （10.5.7）
以上是传统施工中所采用的计算炮眼长度的方法。采用喷锚支护施工时，还应考虑增加喷锚（t6）和位移量测（t7）两项作业时间，仿照式（10.5.7）可得炮眼长度为：
（m） （10.5.8）
10.５.３ 电爆破网络
在隧道的一个工作面上，往往一次要起爆几十发至两百发左右炮眼。为了准确起爆，最好采用电起爆。其最大特点是可以用仪表检查电雷管的质量和起爆网络的连接情况，从而保证起爆网络的正确性和可靠性。只要网络设计正确，计算无误，能保证安全准爆。非电起爆在有瓦斯的环境下不准采用，而电起爆则可以，所以电起爆的适用范围较广。主要缺点是准备工作比较复杂，需要一定的电力设备，网络设计计算较繁，相对于导爆管起爆而言，不易广泛推广使用。
采用电起爆法需要将电雷管联成电爆网络，以便从母线输入电流后，每一雷管都能接受足够的电流而起爆。
（1）电雷管的起爆热量
电雷管中引火剂点火的热源，是桥丝通电后所放出的热量，如果不考虑热损失，则根据焦耳—楞次定律，桥丝产生的总热量为：
（10.5.9）
式中 I——电流强度（A）；
R——桥丝电阻（Ω）；
T——桥丝通电时间（S）。
根据热容量公式，将桥丝由初温（可略去不计）加热至某一温度所需的热量为：
（J） （10.5.10）
式中 C——桥丝材料的比热（cal／（g·°C））；
M——桥丝的质量（g）
T——引火药剂的反应温度（°C）。
为了使引火剂点燃，必须保证通过一定的电流，即保证达到引火剂反应温度T所需的热能Q2，使Q1＞Q2。
从式（10.5.9）中可看出，当I和t为定值时，若R不同，则所放出的热量也不同，这就会使成组电雷管爆破网络中有的电雷管早爆，有的拒爆。因此对一组中各个电雷管的电阻值差数有一定要求，其极限允许差值是：电阻值在1.25Ω以下时，上下不得超过0.25Ω；电阻值大于1.25Ω时，上下不得超过0.3Ω。在洞室大爆破中，起爆体内两个并联的电雷管最好选用电阻值相等的，或相差最多不超过0.1Ω为宜。
一个电雷管的全电阻R是它的桥丝电阻和脚线电阻的总和。我国工业雷管的常用电阻值参见表10.5.3。
表10.5.3
| 脚线材质 | 桥丝材质 | 电阻（Ω） | ||
| 桥丝电阻 | 全电阻① | 允许误差 | ||
| 铜丝 | 康铜 | 0.8 | 1.2 | ±0.15 |
| 镍铬 | 3.0 | 3.4 | ±0.42② | |
| 铁丝 | 康铜 | 0.8 | 3.2 | ±0.13 |
| 镍铬 | 3.0 | 5.4 | ±0.40③ | |
(2)电雷管的最低准爆电流和最高安全电流
在一定的持续时间内，电雷管通以恒定的直流电，将桥丝加热到能点燃引火剂的温度的最低电流强度，称为电雷管的最低准爆电流。它表示电雷管对电流的敏感程度。康铜桥丝的电雷管最低准爆电流为0．4～0．8A，镍铬合金桥丝的电雷管最低准爆电流约为0.2~0.4A。成组电雷管的最低准爆电流应比单个电雷管的大。提高成组电雷管的准爆电流，可保证电流回路中不出现拒爆的电雷管。
在较长时间内（5min），电雷管通以恒定的直流电流，不致点燃引火剂的最大电流，称为最高安全电流。它是电雷管对于电流的一个安全指标，是选定测量电雷管仪表的重要依据。国产电雷管的最高安全电流：康铜丝的为0.3A，镍铬丝的为0.125A。爆破安全规程中规定，用于量测电雷管的仪器，其输出电流不得超过30mA。
(3)电爆网络的设计
在爆破工程中，电爆网络可以设计成串联、并联、混合联三种形式。
1）串联
串联的优点是：消耗电能小，接线简单，易于操作，便于检查，导线消耗少。缺点是：一个不通，会造成全部雷管拒爆；或因敏感度高的雷管先爆而使电路中断，造成其他雷管拒爆。为了提高这种网络的准爆可靠性，实际爆破中也常采用复式串联网络。
2）并联
并联的优点是不致因为其中一个雷管断路而引起其余雷管拒爆。缺点是电爆网路中电流大，需要断面较大的母线，连接线消耗多，漏接雷管不易发现；此外当各雷管电阻不同，通过电流就不同，可能产生拒爆现象。这种方法适用于导坑等小断面爆破。
3）混合联
混合联可分为串并联和并串联两种。混合联是实际工作中采用较多的方法。它要求各支路的电阻基本平衡，否则会造成瞬发雷管发火时间的差异，更会真造成毫秒雷管秒量的额外误差。
10．5．4 塑料导爆管非电起爆网络
导爆管起爆法问世以来，由于其显示的优越性，目前在无瓦斯隧道爆破施工中受到越来越大的欢迎，得到迅速推广。
（1）导爆管起爆系统的工作过程
导爆管起爆系统如图10.5.5所示。它包括三个组成部分：起爆元件，传爆元件和末端工作元件。
图 10.5.5
1—导火索；2—8号雷管及胶布； 3—导爆管； 4—连接块； 5—炮眼。
起爆系统的工作过程是：导火索点燃后引爆雷管；从而使传爆元件中的导爆管起爆传爆，当导爆管传爆到连接块中的传爆雷管时，雷管起爆，再引起周围的导爆管起爆和传爆；这样连续传爆下去，是所有炮眼炸药起爆。
(2)起爆网络
在隧道爆破中．炮眼比较密集，把各炮眼塑料导爆管联结在一起的常用方法，是集束联结法（图10.5.6）。
图10.5.6（炮眼旁数字为非电毫秒雷管段别）
整个爆破网络的设计，采用串联、并联或串并联都很方便。但对于隧道爆破．实践证明以并联网络较好。图10.5.7所示即为弧导光面爆破采用并联网络的实例。
网络连接应由里向外，并防止起爆雷管附近有其它联线交错，以避免传爆雷管击断导爆管。
图10.5.7 （炮眼旁数字为毫秒雷管段别）
利用导爆管起爆系统的起爆性能和用法，可以实行网络的孔外控制微差爆破。孔外控制微差爆破，是在各炮眼内装非电瞬发雷管，而在孔外装非电毫秒雷管作为传爆雷管来实现微差爆破；它操作简便，不易出错。对于大断面爆破，为了解决毫秒雷管段数不足的问题，可以进行孔内外延期相结合的控制微差爆破，以增加起爆段数。孔内控制微差爆破已是隧道爆破的常用方法，但设计、操作都要求较严，且易出差错，影响效果。
导爆管非电起爆系统网络联结简单，操作方便，安全可靠，技术先进。但不能象电爆网络那样用仪表来检查网络，因此操作应仔细，网络联接好后，要作细致的直观检查，确认无误再起爆，以免产生瞎炮。
10.5.5 装药及起爆
（1）装药
装药及起爆工作的好坏与爆破效果和爆破工作的安全密切相关。装药前要检查炮眼位置和长度是否符合设计要求，并进行清碴排水。装药时要严格按照炮眼的设计装药量装填，可以按设计要求连续装药或间隔装药或不偶合装药，总的装药长度不宜超过炮眼深的2/3；靠炮眼口的剩余长度用炮泥堵塞好。装药结构可分为三种方式：一是起爆药卷放在靠近眼口的第二个药卷位置，雷管聚能穴朝向眼底，称为正向起爆装药；二是起爆药卷放在靠近眼底的第二个药卷位置，雷管聚能穴朝向眼口，称为反向起爆装药；第三种方式为起爆药卷放在炮眼装药中部，称为双向起爆装药。图10.5.8为常用的连续装药结构。
图10.5.8 （a）正向装药（b）反向装药
1—引线； 2—炮泥； 3、6—引爆药卷； 4、5—普通药卷。
过去多采用正向装药结构。经多年来国内外实践证明，反向装药能提高炮眼利用率，减少瞎炮，减少岩石破碎块度，增大抛碴距离和降低炸药消耗量，炮眼愈深，效果愈好。但反向装药结构的雷管脚线长，装药麻烦；在有水炮眼中起爆易受潮拒爆；机械化装药时，易产生静电引起早爆；也不宜于炮眼较浅（小于1．5m）的场合。
间隔装药是在药卷之间留出一定的空隙，使药量分散以使爆力沿孔长分布均匀。药卷之间的距离由现场通过殉爆实验确定。
不偶合装药时药卷置于炮眼孔的，药卷与孔壁间留有空气间隙。为了保证药卷位置准确居中定位，可采用塑料扩张套管定位。
深眼爆破有利于提高掘进速度，但在使用中可能会产生所谓‘管道效应’的现象。管道效应的现象有多种，其原因错综复杂。深眼爆破中产生的中途熄爆，药卷不能全部爆炸即是现象的一种。为了克服管道效应所造成的熄爆，可采用合理的装药结构和增大装药直径，并选用合适的不偶合系数。此外，采用新型炸药（如乳胶炸药）也有利于减弱管道效应。
(2)起爆
在工程爆破中，根据起爆的原理和使用器材的不同，通用的起爆方法大致可分为两种：非电起爆法和电起爆法。非电起爆法又可分为火雷管起爆、导爆索和导爆管起爆；电起爆法是应用电雷管起爆。
1）非电起爆
火雷管起爆是把火雷管和导火索结合在一起的一种起爆方法。用导火索的火花首先引爆火雷管，利用火雷管的爆炸能量使引爆药卷爆炸，进而使全部装药爆炸。
使用导火索起爆，器材较简单，操作容易；但不能使多个炮眼同时起爆，也不能进行准确的延期起爆，只宜于炮眼不多的场合。
导爆索起爆是不需要采用引爆炸药的雷管，而可直接引爆炸药的一种方法，故亦称为‘无雷管起爆法’。导爆索的一端直接插入孔底炸药中，另一端用火雷管引爆导爆索本身，从而传爆至炮眼引爆炸药。
塑料导爆管起爆法问世以来，已迅即取代导火索火雷管起爆法。导爆管起爆系统的起爆工作过程已如10.5.4中所述。
2）电起爆
电雷管起爆的可靠程度与导线、电雷管、电源本身的质量以及电爆网络连接是否正确有关。电雷管的选择及电爆网络设计已在前面作过介绍，现介绍对于导线、检测仪表和电源的要求。
A．导线
应要求电阻系数小，导电率高；绝缘耐压250V或500V；有一定强度和韧性，不易断裂等。母线断面应不小于0．75mm2，开挖面附近的联接线直径应不小于0．6mm。
B．检测仪表
为了保证起爆线路的质量，电雷管在使用前必须经过一定的检查，包括电阻检验，安全电流试验，延期秒量试验，雷管串联试验等项。还要用线路电桥测量整个网络的总电阻是否与计算数值相符，如检测值小于计算值时，或大于计算值的10％时，应找出原因，消除故障。
C．起爆电源
电起爆的电源，可根据网络所需准爆电流的大小，选用放炮器、干电池、蓄电池、移动式发电站、照明电力线、电力动力线等。移动式发电站、照明电力线、电力动力线是电起爆中最可靠的电源；但使用时不能将母线直接接到电力线上，必须设置爆破开关站。
3）瞎炮的处理
在爆破过程中，炮眼装药未能起爆，称为拒爆，亦即瞎炮。
为了取得良好的爆破效果，必须预先防止瞎炮的发生。应选用合格的炸药和雷管以及其它起爆材料；清理好炮眼中积水和残碴；在装药、堵塞、网络联结等各项操作中，严格按照有关操作细则进行。
瞎炮产生后，应封锁现场，查明原因，采取相应处理措施。一般可以采用二次爆破法、炸毁法及冲洗法等三种方法。
10.6 隧道支撑及衬砌施工
10.6.1 概述
在地层中开挖出导坑后，出现了岩壁临空面，改变了围岩的应力状态，产生了趋向隧道内的变形位移。同时，由于开挖扰动以及随时间推移的变形量的增长，又降低了围岩的强度。当围岩应力超过围岩强度时，围岩的变形发展过大，从而造成失稳；其表现通常为围岩向洞内的挤入、张裂、沿结构面滑动，甚至最后发生坍塌。
围岩的变形是个动态过程。对于坚硬稳固的围岩，开挖成洞后其强度足以承受重分布后的应力，因而不致有失稳之虞。但对于破碎、软弱围岩，开挖后随着暴露时间的增加，变形随着发展，就会造成失稳。尤其是在隧道拱部、洞口、交岔洞、以及围岩呈大面积平板状且结构面发达的部位，更易失稳。
因此，为了有效地约束和控制围岩的变形，增强围岩的稳定性，防止坍方，保证施工和运营作业的安全，必须及时、可靠地进行临时支护和永久支护。临时支护的种类很多，按材料的不同和支护原理的不同有：木支撑、钢支撑、钢木混合支撑、钢筋混凝土支撑，锚杆支护、喷射混凝土支护、锚喷联合支护等。永久支护一般是采用混凝土衬砌。
各种临时支护的合理选用与围岩的稳固程度有关。一般说来，VI类围岩不需临时支护；Ⅴ类围岩采用锚杆支护；IV~Ⅲ类围岩采用喷射混凝土支护、锚杆喷混凝土联合支护、锚杆钢筋网喷混凝土联合支护；Ⅱ类围岩采用喷射混凝土钢支撑联合支护或其他支撑支护；Ⅰ类围岩采用木、钢、钢木混合支撑或钢筋混凝土支撑。对于IV类及IV类以上围岩，可以先挖后支，支护距开挖面距离一般不宜大于5～10m；Ⅲ~Ⅱ类围岩随挖随支，支护需紧跟工作面；Ⅱ～I类围岩先支后挖。
如条件合适，应尽量将临时支护与永久支护结合采用。
10.6.2 钢木支撑
（1）钢支撑
钢支撑具有承载力大，经久耐用，倒用次数多，占用空间小，节约木材等优点；但一次投资费用高，比木支撑重，装拆不便。一般适于在围岩压力较大的隧道施工中使用。
钢支撑一般采用10~20号工字钢、槽钢、8~28kg/m的钢轨等制成，其型式有钢框架、钢拱架、全断面钢拱架、无腿钢拱支撑等。钢框架一般为直梁式（图10.6.1），当围岩压力较大时可采用曲梁式，多用于导坑支护。钢拱架适用于先拱后墙法施工的隧道。全断面钢拱架（图10.6.2）适用于全断面开挖后需支护的隧道。无腿钢拱支撑适用于全断面开挖后拱部稳定性较差而侧壁较稳定的情况。
钢支撑的间距应根据围岩压力的大小和支撑杆件的断面尺寸计算分析，并参照工程类比予以确定，一般为0.6～1.2m。各排钢拱之间应用槽钢、角钢等做好纵向联结，保证支撑的纵向稳定。对于围岩压力很大而施工困难的地段，可将钢拱架焊接为整体，与锚喷支护联合使用，或完全埋入混凝土衬砌中，成为永久支护的一部分。在此情况下，为了增强钢拱架与混凝土的粘结力，多采用螺纹钢筋焊接制成的花拱。为了适应隧道爆破后岩面轮廓凹凸起伏较大的情况，有的施工单位也采用不规则多边形钢拱架与喷射混凝土联合支护。
（a）无托梁 （b）有托梁
图10.6.1 图10.6.2
(2)木支撑
木支撑是传统的支撑方式，它具有易加工、重量轻、拆装运输方便等优点。其型式主要有框架或半框架式支撑、拱形支撑、无腿支撑等。可用于导坑、拱部扩大、挖底、马口、下导坑漏斗棚架以及洞口等部位的支撑，各部位的支撑均各有其特点，但又大同小异，比较复杂的是拱部扩大支撑。
木支撑一般使用圆木，梁、柱等主要杆件的梢径不应小于20cm，纵撑等杆件应不小于15cm，木板厚度不小于5cm。木材应使用坚固、有弹性、无显著节疤、无破裂多节的松木和杉木；脆性木材不宜使用。
由于木支撑易损坏，倒用次数少，利用率低，消耗大量木材，且占用净空多，不利于机械化施工，故应尽量不用。只宜在抢险应急场合用之。
当需要使用木支撑而围岩压力又较大时，也可用钢木混合结构支撑。
采用钢筋混凝土支撑可节约大量木材和钢材，在煤矿开挖中使用很普遍。其耐久性虽好，但构件笨重，受撞击时易折断，运输安装不便，所以在公路隧道施工中，一般只在平行导坑、斜井、横洞等辅助坑道中作临时支撑用。
10.6.3 锚喷支护
锚喷支护是目前通常采用的一种围岩支护手段。采用锚喷支护可以充分发挥围岩的自承能力，并有效地利用洞内的净空，既提高了作业的安全性，又提高了作业效率；能适应软弱岩层和膨胀性岩层中隧道的开挖；能用于整治坍方和隧道衬砌的裂损。
锚喷支护包括锚杆支护、喷射混凝土支护、喷射混凝土锚杆联合支护、喷射混凝土钢筋网联合支护、喷射混凝土与锚杆及钢筋网联合支护、喷钢纤维混凝土支护、喷钢纤维混凝土锚杆联合支护，以及上述几种类型加设型钢（或钢拱架）而成的联合支护。前五种为常用的基本类型，后两类较少使用。
锚喷支护施工详见7.3，此处从略
10．6．4 模筑混凝土衬砌
公路隧道作为地下结构物，除了应满足公路运输在使用上的要求外，还必须具有耐久性。一般除了地质坚硬、不易风化的VI类围岩外，都应施作混凝土衬砌。所以，模筑整体混凝土衬砌在传统上就是持久保证隧道功能的重要结构。
对于采用喷锚支护技术施工的隧道，一般为了饰面或增加安全度的需要，也需在施作喷锚支护（称作一次衬砌），且在围岩变形基本稳定之后，现场浇筑整体混凝土衬砌（称作二次衬砌）。二次衬砌除了起饰面和增加安全度的作用外，实际上也承受了在其施工后发生的外部水压，软弱围岩的蠕变压力，膨胀性地压，或者浅埋隧道受到的附加荷载等。
因此，模筑混凝土衬砌仍然是公路隧道的重要支护型式。
10.7 出渣运输
出渣是隧道作业的基本作业之一。出渣作业能力的强弱，决定了它在整个作业循环中所占时间的长短（一般在40％～60％），因此，出渣运输作业能力的强弱在很大程度上影响施工速度。
在选择出渣方式时，应对隧道或开挖坑道断面的大小、围岩的地质条件、一次开挖量、机械配套能力、经济性及工期要求等相关因素综合考虑。
思考与练习
1. 公路隧道施工的特点?
2. 全断面法、台阶法、分部开挖法的优缺点及适用条件？
3. 试叙新奥法施工中喷混凝土、锚杆、钢支撑各自所起的作用。
4. 漏斗棚架法和上、下导坑先拱后墙法各自的优缺点及适用条件？
5. 简述隧道塌方处理的一般原则。
6. 隧道的超前支护有哪几种？试述其原理。
7. 隧道的预加固一般采用的形式，8. 并简述其原理。
9. 简述流沙治理的方法。
10. 简述岩爆的防治措施。
11. 掏槽眼的形式有哪几种？并简述其优缺点。
12. 简述光面爆破的基本原理？
13. 什么是预裂爆破？它与光面爆破有何异同14. ？
15. 电爆网络有几种形式？各自有何有缺点？
16. 起爆可分为非电起爆和电起爆法，17. 各自的优缺点及适用条件如何？
18. 衬砌19. 灌注过程中应注意和处理好哪些问题？
20. 隧道中常用的装渣机械有哪些？各自的优缺点及适用范围如何？
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