第三節(jié)　山嶺隧道的常規(guī)施工方法

一、山嶺隧道的常規(guī)施工方法

山嶺隧道的常規(guī)施工方法為礦山法，該方法是因最早應(yīng)用于采礦坑道而得名。在礦山法中，多數(shù)情況下都需要采用鉆眼爆破進行開挖，故又稱為鉆爆法。在礦山法施工中，坑道開挖后的支護方法，目前大致可以分為鋼木構(gòu)件支撐和錨桿噴射混凝土支護兩類。作為施工方法，人們習(xí)慣上將采用鉆爆開挖加鋼木構(gòu)件支撐的施工方法稱為“傳統(tǒng)的礦山法”；而將采用鉆爆開挖加錨噴支護的施工方法稱之為“新奧法”。

二、隧道施工的基本方法

隧道施工就是要在地層中按照設(shè)計要求的尺寸挖出土石，進行必要的支護，盡可能保持坑道圍巖的穩(wěn)定，形成穩(wěn)定的洞室。

開挖與支護，是隧道施工的兩大作業(yè)。因此研究隧道施工方法主要是研究隧道的開挖與支護的施工程序及方法。

隧道施工方法的選擇，主要取決于隧道的地質(zhì)條件、隧道長度與工期要求，同時應(yīng)結(jié)合機具設(shè)備情況、材料供應(yīng)情況以及施工技術(shù)水平等因素綜合考慮。隧道施工方法，按開挖隧道的橫斷面分部情形來分，可分為全斷面法、臺階法、分部開挖法等，見表2-2。

礦山法開挖方法的選擇應(yīng)符合下列規(guī)定：

（1）Ⅰ、Ⅱ級圍巖一般采用全斷面法開挖；其他圍巖采用全斷面法時，應(yīng)與輔助工法相結(jié)合。

（2）Ⅲ～Ⅴ級圍巖一般采用臺階法開挖；中等～特大跨度Ⅳ、Ⅴ級圍巖，可采用三臺階七步開挖法開挖。

（3）中等～特大跨度Ⅴ級圍巖，可采用中隔壁法、交叉中隔壁法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等分部開挖法。

（4）Ⅵ級圍巖在采取輔助施工措施后，可采用分部開挖法或臺階開挖法。

（一）全斷面開挖法

全斷面一次開挖法就是按照隧道設(shè)計輪廓一次爆破開挖成型，然后修筑襯砌的施工方法。

1.施工順序

（1）測量定位，定出隧道開挖輪廓線，定出各炮眼的位置。

（2）用鉆孔臺車鉆眼，然后裝藥連線。

（3）退出鉆孔臺車，引爆炸藥，開挖出整個隧道的斷面輪廓。

（4）排除危石，先噴射第一層混凝土，必要時安裝拱部和邊墻錨桿。

（5）裝渣、運渣。

（6）拱、墻噴射第二層混凝土。

（7）按上述工序開始下一輪循環(huán)作業(yè)。

（8）施作防水隔離層。

（9）通過監(jiān)控量測，確定圍巖和初期支護基本穩(wěn)定后，施作二次模筑混凝土襯砌及灌注隧道底部混凝土。

2.適用條件

（1）Ⅰ～Ⅲ級整體性好的圍巖。用于Ⅳ級圍巖時，圍巖應(yīng)具備從全斷面開挖后到支護前這一時間內(nèi)保持其自身穩(wěn)定的性能。

（2）有大型施工機械。

（3）隧道長度或施工區(qū)段長度不宜太短，根據(jù)經(jīng)驗一般不應(yīng)小于1km，否則，采用大型機械化施工經(jīng)濟性較差。

采用全斷面一次開挖法，必須要注意機械設(shè)備的配套，以充分發(fā)揮機械設(shè)備的效率。隧道機械化施工有三條主要作業(yè)線，即開挖作業(yè)線、噴錨作業(yè)線及模筑混凝土襯砌作業(yè)線。

3.施工特點

（1）工序少，便于施工組織和管理。

（2）開挖一次成型，對圍巖擾動小，有利于圍巖穩(wěn)定。

（3）開挖斷面大，可采用深孔爆破以提高爆破效果，加快掘進速度。

（4）作業(yè)空間大，有利于采用大型施工機械設(shè)備，實現(xiàn)綜合機械化施工，從而提高勞動生產(chǎn)率，減輕施工人員的勞動強度，降低工程造價。

（二）臺階法

臺階法是全斷面一次開挖法的變化方法。這種方法對地質(zhì)的適應(yīng)性較強。它多用于圍巖能在短期內(nèi)處于穩(wěn)定的地層中。

臺階法根據(jù)臺階長度不同，可劃分為長臺階法、短臺階法和微臺階法三種。

在施工中選用何種臺階，應(yīng)根據(jù)下面兩個條件來確定：

其一是初期支護形成閉合斷面的時間要求，圍巖穩(wěn)定性越差，要求閉合時間越短；

其二是上部斷面施工所采用的開挖、支護、出渣等機械設(shè)備所需空間大小的要求。

在軟弱圍巖中以前一條件為主并兼顧后者，以確保施工安全。在較好圍巖中主要考慮后一條件，其目的是充分發(fā)揮機械設(shè)備的效率，保證施工中的經(jīng)濟效益。

1.長臺階法

長臺階法適用于Ⅱ、Ⅲ級圍巖。施工時上、下臺階相錯距離大于50m；施工中上、下部可用同類型機械平行作業(yè)，若機械不足時也可用同一套機械設(shè)備交替作業(yè)（即在上部斷面開挖一個進尺后，再在下部斷面開挖一個進尺）；當(dāng)隧道長度較短或長隧道各區(qū)段需盡早貫通時，可先將上半斷面全部挖通后，再進行下半斷面施工。

2.短臺階法

上下臺階相錯距離為5～50m；初期支護全斷面封閉的施作一般在距開挖面30m以內(nèi)進行，若初期支護變形顯著時，要提前閉合；在施工中，臺階的最短長度應(yīng)保證機械能正常工作。

短臺階法可縮短支護閉合時間，改善初期支護的受力條件，有利于控制圍巖的變形。適用范圍較廣，Ⅰ～Ⅴ級圍巖中均可適用，尤其適用于Ⅳ、Ⅴ級圍巖。但上部臺階出渣時對下部斷面施工干擾較大，不能全部平行作業(yè)。

3.微臺階法

上、下臺階相錯距離為3～5m，采用交替作業(yè)施工；由于上半斷面施工作業(yè)場地狹小，只能使用小型機具施工，可以使用移動式平臺為機械施工創(chuàng)造條件。施工時要注意開挖工作面的穩(wěn)定性，必要時加固地層。

微臺階法的上下斷面相距較近，機械設(shè)備集中，作業(yè)相互干擾大，生產(chǎn)效率低，施工速度慢。

在上述臺階法施工中，開挖下部斷面時應(yīng)注意以下事項：

（1）下部斷面開挖時，應(yīng)注意上部的穩(wěn)定。若圍巖穩(wěn)定性較好，則可以分段順序開挖；若圍巖穩(wěn)定性較差，則應(yīng)縮短下部掘進循環(huán)進尺；若圍巖穩(wěn)定性更差，則可以左右錯開，或先拉中槽后挖邊幫。

（2）下部邊墻開挖后必須立即施作初期支護。

（3）施工量測應(yīng)及時跟上，當(dāng)發(fā)現(xiàn)圍巖的位移速率增大時，應(yīng)立即閉合仰拱以增加結(jié)構(gòu)的剛度。

（4）要解決好上、下半斷面作業(yè)的相互干擾問題。尤其短臺階法干擾較大，要做好作業(yè)組織。對于長度較短的隧道，可將上半斷面貫通后，再進行下半斷面施工。

（三）分部開挖法

1.環(huán)形開挖留核心土法

這種方法一般將開挖斷面分成環(huán)形拱部、上部核心及下部臺階三部分。根據(jù)地質(zhì)好壞，將環(huán)形拱部斷面分成一塊或幾塊開挖。該法一般在土質(zhì)及軟弱圍巖中使用較多。環(huán)形開挖進尺一般為0.5～1.0m，不宜過長。

施工時用人工或單臂掘進機開挖環(huán)形拱部；架立鋼支撐掛鋼絲網(wǎng)，噴射混凝土；在拱部初期支護保護下，用挖掘機或單臂掘進機開挖核心土和下部臺階；隨即接長邊墻鋼支撐掛網(wǎng)噴射混凝土，并進行封底；根據(jù)圍巖和初期支護變形情況或施工安排，施作二次模筑混凝土襯砌。

這種方法由于拱部開挖高度較小及地層比較松軟，錨桿易失效，所以一般不設(shè)置錨桿。環(huán)形開挖留核心土法，因上部留有核心土以支擋開挖工作面，且施工時能迅速及時地施作拱部初期支護，所以開挖工作面穩(wěn)定性好。核心土和下部臺階開挖都是在拱部初期支護保護下進行的，施工比較安全。拱部長度可加長，能減少上、下臺階施工干擾，施工機械化程度較高，能加快施工速度。

2.側(cè)壁導(dǎo)坑法

此法根據(jù)側(cè)壁導(dǎo)坑開挖的個數(shù)，分為單側(cè)壁導(dǎo)坑法及雙側(cè)壁導(dǎo)坑法兩種。

單側(cè)壁導(dǎo)坑法適用于斷面跨度大、地表沉陷難以控制的軟弱松散圍巖中的淺埋隧道。它的施工順序為：（1）開挖側(cè)壁導(dǎo)坑，施作初期支護并盡快封閉；（2）開挖上臺階，施作拱部初期支護，使其一側(cè)支承在導(dǎo)坑的初期支護上，另一側(cè)支承在下臺階上；（3）開挖下臺階，拆除側(cè)壁導(dǎo)坑臨空部分的初期支護；（4）施作邊墻初期支護并盡快施作底部初期支護，使整個斷面閉合以提高結(jié)構(gòu)剛度；（5）施作二次模筑混凝土襯砌。

單側(cè)壁導(dǎo)坑法將整個斷面分成數(shù)塊，每塊開挖寬度小，封閉型的側(cè)壁導(dǎo)坑初期支護承載能力大。

雙側(cè)壁導(dǎo)坑法將整個斷面分成四個部分：左右側(cè)壁導(dǎo)坑、上臺階、下臺階。它適用于斷面跨度較大，地表沉陷要求嚴(yán)格，圍巖條件較差的淺埋隧道。此法施工安全，但施工速度慢。由于采用有兩個導(dǎo)坑開挖，故成本較高。

3.中隔壁法

中隔壁法，也稱CD工法，它是在軟弱圍巖大跨度隧道中，先開挖隧道的一側(cè)，并在中間部位作中隔壁，然后再開挖另一側(cè)的施工方法。中隔壁法一般適用于雙線土質(zhì)隧道以及有特殊沉降控制要求的軟巖雙線隧道。采用中隔壁法時，宜設(shè)置臨時仰拱。

中隔壁法施工工序示意圖如圖2-21所示。

中隔壁法施工工藝流程如圖2-22所示。

中隔壁法施工應(yīng)符合下列規(guī)定：

（1）中隔壁法應(yīng)先施工隧道的一側(cè)，施作中隔壁墻后再施工隧道另一側(cè)。

（2）中隔壁法設(shè)置臨時仰拱時，臨時仰拱宜設(shè)為弧形，各部施工應(yīng)步步成環(huán)。

（3）開挖時，同層左、右兩側(cè)沿縱向宜錯開一倍洞涇，單側(cè)開挖應(yīng)采用短臺階，臺階長度3～5m。

（4）開挖循環(huán)進尺不宜大于初期支護鋼架間距。

（5）各分部宜采用機械開挖，周邊輪廓應(yīng)圓順，避免應(yīng)力集中。

4.中洞法

中洞法施工就是先開挖中間部分（中洞），在中洞內(nèi)施作中墻（梁、柱）結(jié)構(gòu)，然后再開挖兩側(cè)部分（側(cè)洞），并逐漸將側(cè)洞頂部荷載通過中洞初期支護轉(zhuǎn)移到中墻（梁、柱）上。該法常用于雙連拱隧道、半線隧道的喇叭口地段、大跨度地鐵車站。雙連拱隧道采用中洞法施工常見的橫斷面形式如圖2-23所示。

5.交叉中隔壁法

交叉中隔壁法，又稱CRD法，將大斷面隧道分成4個或者6個相對獨立的小洞室分部施工。交叉中隔壁法施工有利于圍巖穩(wěn)定，保證施工安全，目前主要運用于Ⅳ級圍巖淺埋、偏壓地段以及Ⅴ級圍巖段的隧道施工。

交叉中隔壁法施工就是在隧道等地下工程掘進施工中，通過設(shè)置中隔壁和臨時仰拱（兩者交叉）將開挖斷面分成4個部分，先就隧道一側(cè)采用上下兩部分分層開挖，施作初期支護、中隔壁和橫隔板（臨時仰拱）臨時支護，再采用相同的方式開挖隧道另一側(cè)，并進行相應(yīng)的初期支護的施工方法。交叉中隔壁法施工如圖2-24所示，施工工藝流程如圖2-25所示。

三、輔助坑道

隧道施工，特別是較長隧道的施工，因受工期或其他因素控制，常常要利用輔助坑道增加工作面，將隧道分割成幾段同時施工，形成“長隧短做”，確保隧道的修建任務(wù)得以如期或盡可能快地完成。

隧道施工輔助坑道有橫洞、平行導(dǎo)坑（簡稱“平導(dǎo)”）、斜井及豎井等幾種。

輔助坑道的作用除增加作業(yè)面外，還為改善施工環(huán)境，減少施工干擾，合理布置施工中的各種管線提供了有利條件。

隧道施工時是否需要采用輔助坑道及采用何種輔助坑道，主要應(yīng)根據(jù)隧道所在位置的具體條件、隧道長度及工期要求等因素全面考慮決定。

隧道建成后，輔助坑道不再利用時，除設(shè)計有規(guī)定外，宜按下列方法處理：

（1）橫洞、平行導(dǎo)坑、斜井的洞口宜用M5漿砌片石封閉，無襯砌時封閉長度宜為3～5m；有襯砌時封閉長度不宜小于2m；豎井的井口宜用鋼筋混凝土蓋板封閉。

（2）與隧道正洞連接處宜用M5漿砌片石封閉，其長度不宜小于2m。

（3）橫洞、平行導(dǎo)坑的橫通道、豎井或斜井的連接通道，在靠近隧道15～20m范圍內(nèi)應(yīng)進行永久支護或襯砌。

（4）豎井位于隧道頂部時，回填高度不應(yīng)小于10m。

（5）橫洞、平行導(dǎo)坑已進行襯砌或噴錨支護的地段以及無襯砌支護但圍巖穩(wěn)定的地段可不作處理，其余地段宜根據(jù)地質(zhì)情況分段做必要的支護。

（6）橫洞、平行導(dǎo)坑封閉前應(yīng)結(jié)合排水需要，先做暗溝，并應(yīng)設(shè)置檢查通道，豎井、斜井有水時，應(yīng)將水引入隧道側(cè)溝。