隧道施工开挖方法

一、隧道施工开挖一股规定

按新奥法施工时,应根据隧道工程地质、水文地质条件、机械设备等条件,采用尽量少扰动围岩的开挖方法。

1．隧道施工开挖方法

开挖方法有:钻爆开挖法,机械开挖法,人工和机械混合开挖法等三种。

2.隧道施工开挖方法的选用

应根据隧道地质条件、环境情况、机械设备、安全要求等综合考虑进行选用,并与支护衬砌施工相协调。

钻爆法—— 可用于各类岩层中,是隧道施工开挖中采用最普通的方法。当用钻爆法开挖坑道时,应采用光面爆破,预裂爆破技术,能使开挖轮廓线符合设计要求、超欠挖量少,并能减少对围岩的扰动破坏等。

机械开挖法———般适用于软弱破碎围岩,在全断面一次开挖法中宜采用大型机械掘进，在分部开挖法中多选用小功率、小尺寸的小型挖掘机或单壁掘进机,它具有耗能较少,灵活性大,生产效益较高等优点。

二、钻爆法开挖设计

采用钻爆法开挖坑道时,为了减少超挖和控制对围岩的扰动,应综合研究地质情况、开挖断面大小、开挖进尺快慢。爆破器材性能、钻眼机具和出渣能力等因素,在此基础上编制钻爆没计。

1.钻爆设计的内容

钻爆设计应包括:炮眼(掏槽眼、辅助眼、周边眼)的布置图、数目、深度和角度、装药量和装药结构图、起爆方法和爆破顺序等。

2．爆破设计图

爆破设计图应包括:炮眼布置图、周边眼装药结构图、钻爆参数表、主要技术经济指标及设计施工有关的必要文字说明。

3.开挖和爆破方法选用

根据隧道工程地质条件选用施工开挖方法及爆破方法:对硬质岩,采用全断面一次开挖对,应采用光面爆破法;对软质岩,宜采用预裂爆破法;对松软地层采用分部开挖时,宜采用预留光面层光面爆破法。

三、光面爆破的技术要求

(1)应根据围岩特点合理选择周边眼间距及周边眼的最小抵抗线；

(2)严格控制周边眼的装药量；并使药量沿炮眼全长均匀分布；

(3)周边眼宜采用小直径药卷和低爆速炸药。为满足装药结构要求,可借助传爆线以实现空气间隔装药；

(4)采用毫秒微差顺序起爆,应使周边爆破时有最好的临空面。周边眼同段的雷管起爆时间差应尽可能小；

(5)各光面爆破参数的选用:如周边眼间距(E)、最小抵抗线(y)、相对距(E/V)和装药集中度(g)等,应采用工程类比或根据爆破漏斗及成缝试验,选择光面爆破参数,关于爆破成缝试验可按《公路隧道施工技术规范》附录B进行。在无条件试验时,可按表7-1选用光面爆破参数。

四、光面爆破器材选用

(1)光面爆破的爆破器材主要有:炸药、非电塑料导爆系统、毫秒雷管和导爆索等;

(2)光面爆破的周边眼使用炸药的要求是:应选择低爆速、低密度、低猛度、高爆力,小直径、传爆性能良好的炸药;

(3)光面爆破的周边眼使用的雷管选用要求是:应选择分段多,起爆同时性好的毫秒雷管。

国产毫秒雷管有⒛个段,已研制成功的还有200 和300毫秒等差递增雷管。经试验毫秒雷管和毫秒等差递增雷管结合使用,能获得更节约炸药、减少振动的效果。

隧道内采用非电塑料导爆系统是一种安全可靠、操作方便的新型起爆系统。我国大瑶山遂道长14.3Km施工采用非电塑料导爆系统,没有发生过因爆破而引起的伤亡事故。

第四节隧道开挖中的辅助施工措施

一、隧道开挖工作面辅助稳定措施

1.稳定开挖中辅助措施

隧道施工中常用稳定开挖工作面的辅助措施有:

(1)环形开挖留核心土挡护开挖面;

(2)喷射混凝土封闭开挖工作面;

(3)超前锚杆锚固前方围岩(超前支护);

(4)管棚超前支护前方围岩(包括短管棚、长管棚、插板);

(5)超前小导管注浆加固围岩和堵水;

(6)超前深孔围幕预注浆加固围岩和堵水;

(7)临时仰拱封底;

(8)隧道开挖工作面及围岩预注浆加固。

2.稳定开挖工作面辅助措施选用

前面所述的几种稳定隧道开挖工作面的辅助措施,应根据地质条件、涌水状况、施工方法等进行选择应用,一般宜采用几种措施综合治理。

(1)在浅埋、严重偏压、岩溶流泥地段、砂土层、砂卵(砾)石层、自稳性差的软弱破碎地层、断层破碎地带,以及大面积淋水或涌水地段进行施工时,可采用辅助施工方法,对地层进行预加固、超前支护或止水。

(2)采用稳定开挖工作面辅助施工方法施工时,应遵守下列技术规定:

① 应根据隧道工程地质及水文地质条件、施工队伍技术水平、机械设备状况等,选用辅助施工方法,并做好相应的工序设计;

② 应按采用的辅助施工方法,准各所需要的材料及机具,制订有关的安全施工条例;

③ 隧道施工中应经常观察地形、地貌的变化及地质和地下水的变异情况,预防突然事故的发生,应有应变的施工方法和技术措施;

④ 按规定作好详细的施工原始资料记录及隐蔽工程的施工记录;

⑤ 必须坚持先支护(强支护)、后开挖(短进尺、弱爆破)、快封闭、勤量测的施工原则等。

二、稳定开挖面辅助施工方法技术要求

1．地面砂浆锚杆施工

应符合以下要求：

(1)锚杆宜垂直地表设置,根据地形及岩层层面具体情况也可倾斜设置;

(2)锚杆长度可根据隧道覆盖层厚度和实际施工能力确定;

(3)砂浆锚杆的施工应按下列规定执行:

① 锚杆施工安设应符合设计要求;

② 锚杆施工的准各工作如下:

A．检查锚杆材料、类型、规格、质量以及性能是否与设计相符;

b.根据锚杆类型、规格及围岩情况选择钻孔机具设备；

c.砂浆锚杆应按设计要求截取杆体,并整直、除锈和除油及去污;

d,采用楔缝式锚杆时,应检查杆体长度、楔缝、楔块、螺母与螺栓的尺寸和配合情况;

③ 钻孔前应根据设计要求定出孔位,作出标记,孔位允许偏差为±15m;

④ 钻孔施工应符合以下要求:

A．钻孔应圆而直,钻孔方向宜尽量与岩层主要结构面垂直;

b．水泥砂浆锚杆孔径应大于杆体直径15mm;其它型式锚杆孔径应符合设计要求;

c.树脂锚杆和早强药包锚杆孔深应与杆体长度配合恰当。

⑤ 普通水泥砂浆锚杆的施工要求如下:

a。砂浆配合比(质量比):水泥:砂:水宜为1：1-1.5,砂的粒径不宜大于3mm;

b,砂浆应拌和均匀,随拌随用,一次拌和的砂浆应在初凝前用完;

c,灌浆作业应遵守以下规定:

Ⅰ注浆开始或中途暂停超过3min时,应用水润滑灌浆罐及其管路;

Ⅱ 注浆孔口压力不得大于0.4mPa。

Ⅲ 注浆管应插人至距孔底5-10cm处,随水泥砂浆的注入缓慢匀速拔出,随即迅速将杆体插入,锚杆杆体插入孔内的长度不得短于设计长度的95%。若孔口无砂浆流出,应将杆体拔出重新注浆。

d．锚杆安设后不得随意敲击,其端部3天内不得悬挂重物。

⑥ 早强水泥砂浆锚杆的施工要求如下:

a．早强水泥砂浆锚杆施工,应遵守上述普通水泥砂浆锚杆施工的技术要求;

b.早强水泥砂浆锚杆采用硫铝酸盐早强水泥并掺早强剂;

c,注浆作业开始或中途停止超过30min时,应测定砂浆坍落度,其值小于10mm时,不得注入罐内使用。

⑦ 楔缝锚杆(包括胀壳式锚杆)的施工要求如下:

a.楔缝式锚杆安装前,应将杆体与部件(楔子,胀壳、托板)组装好;锚杆插人钻孔时楔子不得偏斜或脱落,锚头必须楔紧,保证锚固可靠;安设杆体后应立即上好托板,拧紧螺帽。锚杆施加预张拉力时、其拧紧力矩不应小于100N·m;

b.打紧楔块时不得损坏丝扣;

c．楔缝锚杆一昼夜后应再次紧固,以后还要定期检查,如发现有松弛,应再行紧固;

d.楔缝式锚杆只能作为临时支护,如作为永久支护应灌注水泥浆或水泥砂浆。

⑧ 树脂锚杆的施工要求如下:

a.树脂锚杆安装前,应检查树脂卷的质量,变质者不得使用;

b,安装时,用杆体将树脂卷送人孔底,用搅拌器搅拌树脂时,应缓缓推进杆体,搅拌时间一般为3Os。搅拌完毕后,将孔口处杆件临时固定,15min后可安装托板。

⑨ 早强药包锚杆的施工要求如下:

a,早强药包锚杆的施工应遵守本节(1)、(2)、（4)条规定;

b,将药包推人孔内要配备专门工具、中途药包不得破裂;

c。锚杆杆体插人时应注意旋转,使药包充分搅拌均匀。

⑩ 在有水地段,采用普通水泥砂浆锚杆时,如遇孔内流水,应在附近另行钻孔后再安设锚杆,亦可采用速凝早强药包锚杆或采用钢管锚杆向围岩压浆止水。

⑾ 锚杆钻孔可采用一般凿岩机械,当在土层中钻孔时,宜采用干式排渣的回旋式钻机。注浆可采用风动牛角泵,也可使用挤压式注浆机。

⑿锚杆宜采用Ⅱ级钢筋制作,灌浆锚杆宜采用螺纹钢筋,杆体直径以16-22mm为宜。楔缝锚杆的杆体直径以16-25mm为宜。

2．超前锚杆或超前小钢管支护施工要求

(1)超前锚杆或超前小钢管支护,宜和钢架支撑配合使用,并以钢架腹部穿过,特殊情况下亦可以拱架底部或顶部穿入;

(2)超前锚杆或超前小钢管支护,与隧道纵向开挖轮廓线间的外插角宜为5°-1O° ,长度为大于循环进尺,宜为3-5m;

(3)超前锚杆宜用早强水泥砂浆锚杆;

(4)超前小钢管应平直,尾部焊箍,顶部呈尖锥状。在安设前应检查小钢管尺寸,钢管顶入钻孔长度不应小于管长的90%。

3.管棚钢架超前支护施工要求及要点

(1)检查开挖的断面中线及高程,开挖轮廓线应符合设计要求。在开挖工作面处应先安设受力拱架,并在其上正确标明管棚位置;

(2)钢架安装垂直度允许误差为±20,中线及高程允许误差为±5cm。在钢架上沿隧道开挖轮廓线纵向钻设管棚孔,其外插角以不侵人隧道开挖轮廓线越小越好。孔深不宜小于10m,-般为18-45m,孔径比管棚钢管直径大约20-3Omm。钻孔环向中心间距视管棚用途确定。钻孔顺序一般由高孔位向低孔位进行;

(3)在钻进时,若出现卡钻、坍孔时,应注浆后再钻,也可直接将管棚钢管钻人,开孔时应低速低压,待成孔后可加压到1.0-1.5MPa。将钢管打人管棚孔眼中。管棚外径宜为70-180mm,长度宜为4-6m。接长管棚钢管时,接头应采用厚壁管箍,上满丝扣,丝扣长度不小于15cm,以确保连接可靠,接头应在隧道横断面上错开;

(4)当需增加管棚钢架支护的钢度时,可在钢管内注人水泥砂浆。管棚钢管内水泥砂浆应用牛角泵灌注,封堵塞应有进料孔和出气孔,在出气孔流浆后,方可停止压注。

4.超前小导管预注浆施工要求

(1)小导管采用32mm焊接钢管或40mm无缝钢管制作,长度宜为3-5m。管壁每隔1O

-20cm交错钻眼,眼孔直径宜为6-8mm。

(2)沿隧道纵向开挖轮廓线向外以10°~3O°的外插角钻孔,将小导管打人地层、亦可在开挖面上钻孔将小导管打人地层,小导管环向间距宜为20-50cm;

(3)小导管注浆前,应对开挖面及5m范围内的坑道,喷射厚度为5-10cm混凝土或用模

筑混凝土封闭,并将检查注浆机具是否完好,备足注浆材料;

(4)小导管预注浆的工序流程,如图7.7所示;

(5)为充分发挥机械效能,加快注浆进度,在小导管前安设分浆器,一次可注人3-5根小导管,注浆压力应为0.5-1.0MPa。必要时可在孔口处设置止浆塞,止浆塞应能承受规定的最大注浆力或水压;

(6)注浆后至开挖前的时间间隔,视浆液种类宜为4-8h。开挖时应保留1.5-2.Om的止浆墙,防止下次注浆时孔口跑浆。

5.超前围岩预注浆加固施工要点

(1)注浆孔的布置角度及深度应符合设计要求,孔口位置与设计位置的允许偏差为±5cm;孔底位置偏差应小于孔深的1%。

(2)注浆钻孔的孔壁圆、角度准、孔身直、深度够、岩粉清洗干净。当出现严重卡钻、孔口

不出水时应停止钻孔,立即注浆;

(3)钻孔结束后应掏孔检查,在确认无塌孔和探头石时,才可安设注浆管;

(4)注浆前应平整注浆所需场地,检查机具设备,作好止浆墙并准备注浆材料;

(5)注浆压力根据地质条件的岩性,施工条件等因素在现场由试验确定;

(6)注浆方式可根据地质条件,机械设各及注浆孔的深度选用前进式,后退式或全孔式。其注浆顺序为:先注内圈孔、后注外圈孔;先注无水孔、后注有水孔,从拱顶顺序向下进行。如遇窜浆或跑浆,则可间隔一孔或数孔灌注。注浆结束后,应利用止浆阀保持孔内压力,直至浆液完全凝固;

(7)注浆作业的技术要求

① 浆液的浓度、胶凝时间应符合设计要求,不得任意变更;

② 应经常检查泵口及孔口注浆压力的变化,发现问题应及时处理;

③ 采用双液注浆时,应经常测试混合浆液的胶凝时间,发现与设计不符,应立即调整。

(8)注浆结束条件

① 单孔结束条件:注浆压力达到设计终压,浆液注人量已达到计算值的80%以上;

② 全地段结束条件:所有注浆孔均已符合单孔结束条件,无漏注浆的情况。

(⒇ 注浆后必须对注浆效果进行检查,如未达到要求,应进行补孔注浆。注浆效果有以下三种:

① 分析法:分析注浆记录,看每个孔的注浆压力、注浆量是否达到设计要求;在注浆过程中,漏浆、跑浆是否严重;以浆液注人量估算浆液扩散半径,分析是否与设计相符;

② 检查孔法:用地质钻机按设计孔位和角度钻检查孔,取岩心进行鉴定。同时测定检查孔的吸水量(即漏水量)应于小于0.2-0.41/min·m;

③ 声波监测法:用声波探测仪测量岩体的声速,判断注浆效果。

(10) 注浆后,应视浆液种类,等待4-8h方可开挖。开挖时应按设计要求留设止浆岩盘。每开挖循环长度应根据注浆段(导管)长度而定，但必须留3-5m止浆墙。

6.注浆材料选用

应根据地质条件及涌水情况确定。

(1)断层破碎带和砂卵石地层,当裂隙宽度(或粒径)大于1mm时,加固地层或堵水注浆,宜优先选用料源广、价格较便宜的单液水泥浆和水泥——水玻璃浆液:

① 采用水泥浆液时,水灰比可采用0.8： 1-2：1。需缩短胶凝时间,可加人食盐,三乙醇胺速凝剂;

② 采用水泥一水玻璃浆液时,应根据胶凝时间配制。一般水泥浆液的水灰比为0.8： 1-1.5：1;水泥浆与水玻璃的体积比宜为1：1-1：0.3。

(2)断层地带,当裂隙宽度(或粒径)小于1mm时,加固注浆宜优先采用水玻璃类和木胺

类浆液;

(3)中、细、粉砂层及细小裂隙岩层,断层泥地段,宜采用渗透性好,低毒及遇水膨胀的化学类浆液。

7.注浆机具设备

注浆机具设备应为性能良好,操作简便,并应满足使用的要求。

8.平行导坑向正洞预注浆加固施工要点

(1)当隧道坑道开挖工作面注浆有困难,或为了增加了开挖工作面时,经技术、经济比选后,可设置由平行导坑向正洞进行预注浆加固;

(2)采用从平地导坑向正洞预注浆与开挖工作面预注浆只是注浆地点不同,其注浆参数工艺要求、工序流程、注浆材料及机具设备都基本相同。

9.周边劈裂注浆及周边短孔预注浆加固

对于粒径小于0.O5mm以下的粉砂及粘性软弱地层,进行加固围岩和堵封出水,为节省注浆材料,可使用水泥类、水泥—水玻璃类浆液,并采用周边劈裂注浆法进行预注浆,加固围岩或止水。施工中需排放少量地下水的隧道,为节约注浆材料和加快施工进度,可采用周边短孔围岩预注浆加固。