1.3　山嶺隧道主要施工方法

山嶺隧道施工方法依據工程地質、水文地質條件，結合隧道的斷面尺寸、長度、襯砌類型、使用功能、施工技術水平等因素綜合研究確定，主要考慮的因素是圍巖穩定性。圍巖是隧道的主要承載體，隧道施工的技術原則是在施工中充分保護圍巖，避免過度破壞和損傷遺留圍巖的強度，使暴露的圍巖盡量保留既有的質量，為了充分發揮圍巖的結構作用，應容許圍巖有可控制的變形。山嶺隧道施工方法主要分為礦山法（鉆爆法）和掘進機法。山嶺巖質隧道的開挖技術隨著科學技術的發展大體經歷了四個發展階段——第一階段：鋼釬大錘；第二階段：手持風鉆；第三階段：鑿巖臺車；第四階段：隧道掘進機（TBM）法。第一階段～第三階段均屬于礦山法（鉆爆法）；第四階段為目前較為先進的隧道掘進機（TBM）法，其在隧道施工中的應用越來越廣泛。巖質隧道開挖技術發展示意圖如圖1-3所示。

1.3.1　礦山法（鉆爆法）

山嶺隧道的常規施工方法稱為礦山法，因最早應用于采礦坑道而得名，而多數情況下需要采用鉆眼爆破進行開挖，因此也常稱為鉆爆法。礦山法根據圍巖的級別主要采用的方法有全斷面開挖法、上下臺階法、中隔墻法、交叉中隔墻法、雙側壁導坑法等，在同時考慮施工進度及工程投資時，施工方法優先選擇順序一般為：①全斷面法；②上下臺階法；③中隔墻法（CD）；④交叉中隔墻法（CRD）；⑤雙側壁導坑法，上述5種施工方法的安全性和投資一般是依次逐步增大的，其施工的進度是逐步減慢的。各施工方法的適用性具體如下：

1.全斷面開挖法

全斷面開挖法是指將整個隧道開挖斷面一次鉆孔、一次爆破成型、一次初期支護到位的隧道開挖方法。全斷面開挖法的優點是：洞內施工作業空間較大，工序少，利于大型配套機械化作業，施工效率較高，施工操作簡單，利于施工組織和管理，同時全斷面開挖減少了爆破振動次數，降低了對圍巖的擾動。缺點是：由于開挖面較大，圍巖相對穩定性降低，且每個循環工作量較大，每次深孔爆破引起的振動較大，因此要求具有較強的開挖、出渣能力和相應的支護能力。一般在圍巖等級為Ⅰ～Ⅱ級硬巖地層時采用該方法，在開挖時可根據具體圍巖情況，調整開挖進尺，增加施工安全度。淺埋段、偏壓段和洞口段不宜采用全斷面法開挖。全斷面法開挖示意圖如圖1-4所示。

2.上下臺階法

上下臺階法是將斷面分成上、下兩個臺階開挖，上臺階長度一般控制在1～1.5倍洞徑，上臺階開挖好后必須在地層失去自穩能力之前盡快開挖下臺階，使支護形成封閉結構。當開挖中發現圍巖較差時，為了穩定工作面，可輔以超前小導管支護、預留核心土法等措施。預留核心土法是在上下臺階法的基礎上，遇到圍巖較差時，采用上臺階取1倍洞徑左右環形開挖，留核心土，用小導管超前支護并預注漿以穩定工作面，必要時可用網構鋼拱架作初期支護，拱腳、墻腳設置鎖腳錨桿。上下臺階法開挖示意圖如圖1-5所示。

上下臺階法施工，其優點是靈活多變、適用性強，能保證足夠的作業空間且施工速度較快，并能使支護體系較早的閉合，利于開挖面的穩定性和控制其結構變形以及由此引起的地面沉降。缺點是上、下部作業互相干擾，尤其是短臺階干擾較大，應注意下部作業對上部穩定性的影響，并注意臺階開挖會增加對圍巖的擾動次數等。另外，上下臺階法施工時，圍巖穩定性愈差，閉合時間要求愈短，對施工的組織設計影響較大，所以開挖過程中對圍巖等級及風險預估能力的要求較高。

上下臺階法在Ⅱ、Ⅲ級圍巖地層中使用較為廣泛。

3.中隔墻法

中隔墻法也稱CD工法（Center Diaphragm），是以臺階法為基礎，沿著隧道的一側，從上往下分兩部分或三部分進行開挖，將隧道斷面從中間分成左、右兩部分，每一部分開挖并支護后形成獨立的閉合單元。通過隧道斷面中部的臨時支撐隔墻，將斷面跨度一分為二，減小了開挖斷面跨度，使斷面受力更合理，從而使隧道開挖更加安全、可靠。

采用該法進行隧道開挖時，臺階長度一般為1～1.5倍洞徑（此處洞徑取分部高度和跨度的大值）。先開挖一側斷面與后開挖斷面的間距一般按1～1.5倍洞徑進行控制。為了穩定工作面，可采取超前大管棚、超前錨桿、超前小管棚、超前預注漿等輔助施工措施進行超前加固。

中隔墻法主要適用于地層較差的Ⅳ、Ⅴ級圍巖地層、不穩定巖體和淺埋段、偏壓段、洞口段。一般采用人工開挖，人工和機械配合出渣。為了提高施工速度和減小施工難度，也可適當采用小劑量炸藥來控制爆破范圍，以免破壞已完成的臨時支撐隔墻。

4.交叉中隔墻法

交叉中隔墻法也稱CRD工法（Cross Diaphragm），當CD工法仍不能保證圍巖穩定和隧道施工安全要求時，可在CD工法的基礎上對各分部加設臨時仰拱，將原CD工法先開挖中壁一側改為兩側交叉開挖、步步封閉成環而改進發展的一種工法。CRD工法各分部間應拉開一定的距離，距離以保證掌子面穩定為準，一般為1～1.5倍洞徑（此處洞徑取分部高度和跨度的大值），為滿足操作空間要求，在能夠保證掌子面圍巖穩定的情況下，可適當縮短距離。交叉中隔壁法開挖示意圖如圖1-6所示。

交叉中隔墻法的優點是：將大斷面施工化成小斷面施工，使得每個小斷面都在短時間內封閉成環，能夠控制早期圍巖變形，利于施工安全。該方法的缺點是：由于將大斷面分割成了多個小斷面，只能采取小型機械或人工開挖及運輸作業，且分塊太多，工序繁多、復雜，進度較慢。臨時支撐的施作和拆除困難，成本較高。當需要采用爆破時，必須嚴格控制藥量，避免損壞中隔墻（育王嶺隧道施工中曾出現該種情況）。CRD工法適用于較差地層，特別破碎的巖石、坡洪積層（碎石土、卵石土、圓礫土、角礫土）及黏性土組成的Ⅴ級圍巖及較差圍巖中的洞口段、淺埋段等。另據資料顯示，在淺埋隧道沉降控制方面，CRD工法優于CD工法，前者比后者減少地面沉降近50％。

5.雙側壁導坑法

雙側壁導坑法是雙側壁導坑超前中間臺階法的簡稱，也稱眼鏡（睛）工法，也是變大跨度為小跨度的施工方法。雙側壁導坑法以臺階法為基礎，將隧道斷面分成雙側壁導洞和上、下臺階4部分，將大跨度分成3個小跨度，其雙側壁導洞尺寸的確定以滿足機械設備和施工條件為主。雙側壁導坑法開挖示意圖如圖1-7所示。

雙側壁導坑法主要適用于斷面很大，地層較差的Ⅳ、Ⅴ級圍巖地層，不穩定巖體和淺埋段、偏壓段、洞口段。軌道交通工程因隧道斷面較小，施工機械作業困難，對施工進度控制不利，所以一般不采用該方法。

1.3.2　隧道掘進機（TBM）法

掘進機法包括隧道掘進機法和盾構掘進機法，本書僅針對隧道掘進機（TBM）法進行說明。隧道掘進機（Tunnel Boring Machine），簡稱TBM，是利用回轉刀具切削破巖及掘進，形成整個隧道斷面的一種新型、先進的隧道施工機械。

隧道掘進機（TBM）根據支護形式分為開敞式、單護盾式、雙護盾式3種類型，分別如圖1-8、圖1-9、圖1-10所示。

1.開敞式TBM

利用巖壁的反作用力，實現掘進功能所需的反推力和反扭矩，在常溫常壓下，實現隧道掘進一次成型、初期支護、出渣運輸功能，集機、電、液、氣于一體，實現隧道施工自動化、工廠化的大型綜合性施工設備。配置鋼拱架安裝器與噴錨等輔助設備，常用于硬巖，采取有效支護手段后也可應用于軟巖隧道。

2.單護盾式TBM

單護盾式TBM推進時利用管片作支撐，其原理類似于盾構。與雙護盾式TBM相比，掘進與安裝管片不能同時進行。單護盾式TBM常用于軟巖及地下水位較高的不穩定地層施工。

3.雙護盾式TBM

雙護盾掘進機是在整機外圍設置與機器直徑相一致的圓筒形護盾結構，以利于掘進松軟破碎或復雜巖層的全斷面巖石掘進機。雙護盾掘進機在遇到軟巖時，軟巖不能承受支撐板的壓應力，由盾尾推進液壓缸支撐在已拼裝的預制襯砌塊上或鋼圈梁上以推進刀盤破巖前進；遇到硬巖時，與敞開式掘進機的工作原理一樣，靠支撐板撐緊洞壁，由主推進液壓缸推進刀盤破巖前進。雙護盾式TBM的一般結構組成：裝有刀盤及刀盤驅動裝置的前護盾，裝有支撐裝置的后護盾（支撐護盾），連接前、后護盾的伸縮部分和安裝預制混凝土管片的尾盾。雙護盾式TBM又稱伸縮護盾式TBM，具有兩種掘進模式（單/雙護盾掘進模式），既可用于硬巖又可用于軟巖，常用于混合地層施工，適應性非常廣泛，能安全地穿過斷層破碎地帶。

雙護盾式TBM開挖與襯砌同步，采用管片支護，支護速度快，隧道一次成型；硬巖掘進的適應性同敞開式TBM，軟弱圍巖能采用單護盾模式掘進，比敞開式有更好的適應性。與敞開式TBM相比，對地質變化的適應能力更強；設備與人員處于TBM殼體的保護下，安全性好。

4.隧道掘進機（TBM）法施工的優缺點

（1）優點

1）施工效率高：施工速度快，約為礦山法的4～6倍，機械化、自動化及信息化程度高，可節約人工勞動，施工效率較高。

2）施工質量好：洞壁光滑美觀，超挖量少，施工后質量較好，節約襯砌。

3）對圍巖擾動?。翰捎梅潜崎_挖，塵土、氣體、噪聲污染小，施工時較常規方法減少了對輔助洞室及地表的破壞，施工階段對周邊環境的污染減少了，利于環保。

4）施工安全性高：隧道掘進機可在防護棚內進行刀具更換，密閉式操縱室和高性能集成機的使用使安全性和作業環境有了極大的改善。

（2）缺點

1）掘進機對多變地質條件如斷層破碎帶、擠壓帶、涌水地段等的適應性較差。TMB法適用于中硬巖層，巖石單軸抗壓強度介于20～250MPa之間，其中在巖石單軸抗壓強度50～100MPa的巖層中施工時工效較高；地質條件對TBM掘進效率影響很大，在良好巖層中月進尺可達500～600m，而在破碎巖層中只有100m左右，在塌陷、涌水、暗河地段甚至需停機處理，所以選用TBM開挖隧道應盡量避開復雜不良巖層。

2）掘進機結構復雜，對材料、零部件的耐久性要求高，設備購置和維護成本高，一般不適宜短隧道開挖。TBM工作中附帶的后續設備長100～200m，因此在正式采用TMB進行掘進前，需先采用鉆爆法施工一段長200m左右的隧道。所以，一般一次性連續開挖長度不宜短于1km，開挖長度3～8km時采用TBM法較為有利。

3）施工過程中不能改變開挖斷面和形狀，在應用上受到限制。TBM一般只適用于圓形斷面隧道，只有銑削滾筒式掘進機可在軟巖中掘進非圓形斷面隧道。開挖隧道直徑在1.8～12m之間，以直徑3～6m最為成熟。

4）TBM進場準備時間較長。根據其直徑與型式、運輸途徑、組裝基地狀況等不同，需準備1～2個月時間。

在當前軌道交通山嶺隧道施工實踐及相類似斷面的公路隧道中，采用最多的方法是臺階法，其次是全斷面法。在大斷面隧道中，雙側壁導坑法（眼鏡法）采用較多。由于施工機械的發展和輔助工法的采用，更多地采用全斷面法，特別是全斷面法與超短臺階法相結合。