第一节钻爆开挖

第一节钻爆开挖通过钻孔、装药、引爆炸药而破碎岩土介质的地下洞室开挖方法，简称钻爆法，它是地下建筑物施工最常用的开挖方法。地下洞室钻爆开挖施工前一般须作好以下工作：1）详细了解、分析地质状况，作出洞线方向岩体质量评价及等级划分，掌握洞线方向岩体结构产状，如断层、节理、破碎带等地质缺陷的性态；2）根据凿岩机械、爆破器材性能等条件选择开挖方法；3）开挖断面上（工程界称掌子面）的钻孔布置，包括孔数、深度、方位、不同类型钻孔参数的设计；4）装药量及装药结构的设计。地下洞室开挖方法依照工程对象不同而有多种，归纳起来，从地下建筑物型态上大致可分水平洞、大跨洞室、斜井和竖井三类，其钻爆开挖方法亦有不同。一、平洞开挖平洞一般指坡度平缓的高低压引水隧洞，导流洞，尾水洞等，其开挖方法的选定，主要是依据工程地质条件，断面大小，施工机械的作业高度和范围，平洞长度及施工期限等因素综合考虑，主要开挖方法有以下几种。（一）全断面开挖法全断面法，就是在整个设计断面上一次钻爆实现一个进尺的开挖方法，如图5—1所示。全断面法的特点是施工净空大，可布置大型高效施工机械，便于机械化施工，施工组织比较一简单。对于一个进尺深度的岩体爆破而言，炸药用量多于分部开挖的用量，因此爆破震动相对也较大，但完成一个进尺只扰动围岩一次，而分部开挖每次用药量虽较少，但完成一个进尺深度的开挖需要多次钻爆，对围岩的扰动次数增多。全断面开挖之后，如支护不及时，则围岩变位往往较大，因此对中软质且裂隙发育的岩体的围岩稳定不利；若能采取科学合理的技术措施，严格遵循开挖与支护协调进行，在中软质岩体中进行较大断面的全断面开挖，也是可行的。目前，全断面开挖控制高度为8～lOm，这是由目前国内外广泛采用的多钻臂液压凿岩机和全断面隧道掘进机的工作高度（直径）决定的。全断面开挖对洞轴线方向岩体性状的预见性较差，这就要求事先做好地质勘测工作。（二）分部开挖法所谓分部开挖法，是指将全部工作面分为几部分，在时间、空间上分别开挖，最后完成整个断面的进尺开挖。分部开挖法适用于岩质较差、洞径过大的平洞开挖。分部开挖法从形态上常分为台阶法与导洞扩大法。1．正台阶法当隧洞断面较高时，常把断面分成l～3个台阶，自上而下施工，以满足钻机的工作高度。一般顶部第一层最小高度应不小于3m，超前掘进的距离3～4m左右，超前过长，上部爆破堆渣过多，清渣不便，亦影响上部钻孔工作。如图5-2所示。下部台阶的钻爆，因有两个临空面，爆破效果较好。上部断面掌子面钻爆布孔与全断面法基本相同，下部台阶的布孔，用水平钻机和垂直钻机相结合进行钻孔，如图5-3所示。正台阶法施工的特点是：变高洞为若干个中低洞；可利用台阶钻上部炮fL而一般不需搭设脚手架；上部钻孔与下部出渣可以平行作业，施工管线路可在底部一次敷设，工序比较简单，施工速度较快；爆破时临空面增多．爆破效率高，装药量比全断面开挖时要少，但爆破震动次数增多，应注意加强对洞室围岩软弱破碎地段及时的支护及仪器设备的防护。2．反台阶法反台阶法是一种自下而上的分部开挖方法在形态上与正台阶法相反。反台阶法的下部断面的开挖与全断面法基本相同，上部反台阶因有多个倒悬临空面，钻爆时可利用自重作用来提高爆破效果。反台阶法的特点是：工作面较宽敞，排水条件好，施工布置较方便，可利用爆破料堆钻上部台阶钻孔，无需搭设或少搭设作业平台，临空面多，爆破效率较高，施工速度快。反台阶法应注意的问题是要防止上部台阶崩落的石渣堵塞下部已掘进的坑道，从而影响其他作业。主要处理措施有：①在上部台阶开挖段下沿设置漏斗棚架，使上部台阶的石渣堆集在棚架上，通过漏斗溜入底层运输工具运出洞外；②将下部断面延伸到施工支洞处，或全部打通下部断面，从另一洞口出渣，如图5—4所示。台阶法适用于岩质较坚硬，完整的地层中开挖隧洞，松软破碎的岩层中不用或慎用。3．导洞扩大法导洞扩大法是在隧洞断面中先开挖一个导洞，然后再在导洞的基础上扩大至全断面的爆破开挖方法。在地质条件较差的岩层中开挖洞室，先开凿导洞是适宜的，它可以逐次开挖部分断面、及时支护加固不稳定的岩体，使岩体因开挖而产生的应力释放比较均衡，有利于达到新的稳定状态。同时，先开挖导洞，可通过导洞了解洞室沿线真实的地质状况，做到有针对性地组织施工，防患于未然。按照导洞在设计全断面中的相对位置，导洞扩大法可分为上导洞法，下导洞法及上下导洞并进法等。如图5—5及图5--6所示。图5--6所表示的是上下导洞并进法。施工时首先开挖下导洞，它的作用是布置运输线路和风、水、电等管线系统，探测地质和水文地质情况，排除地下水及进行量测工作等。接着开挖上导洞，并在上下导洞间打通溜渣井。如果围岩稳定较差，一般采取上部开挖与拱顶衬砌交叉进行的方式，以确保施工安全。上下导洞与溜渣井开挖后，即可按照图示顺序扩大施工。导洞掌子面与扩大掌子面之间的距离，一般保持在10m以上。二、地下厂房开挖水利水电工程地下厂房开挖实质是大断面洞室开挖。由于其规模一般较大，结构也较复杂，因而施工难度也较大，一般采取分部开挖方法。在研究其开挖方案时，应注意下列原则：1）变高洞为低洞，变大跨度为小跨度；2）优化选择施工开挖顺序，使方便施工组织，同时使围岩受力状态及稳定性尽可能保持良好；3）尽量避免因分部开挖对围岩的多次爆破震动，一般采用先拱后底，先外缘后核心的方法，并尽可能及时地予以支护；4）加强现场量测监控工作，密切观测围岩地质状况及应力应变的变化，及时反馈信息，调整设计、施工方案。地下厂房分部开挖时，常将厂房总体分为三部分。即拱顶部分，基本部分，蜗壳、尾水洞及交叉洞室部分。（一）拱顶部分施工地下厂房拱顶部分（即吊车梁以上部分）的开挖施工，由于地质条件的不同，应采取不同的开挖方式和旅工顺序（如图5—7所示）。（二）基本部分施工地下厂房基本部分是厂房主要的工作空间，是厂房施工的关键。其施工特点是：开挖量大，施工强度高，各部位平行、交叉作业多，工期较长等。因此，在规划基本部分开挖程序时，要综合考虑围岩稳定及支护、施工机械设备及施工技术工艺，相关部位工程的协调施工、工期与费用等因素。常见的厂房基本部分开挖顺序如图5—8示。（三）交叉洞口的开挖施工所谓地下厂房的交叉洞室，是指那些在施工和运行中与主厂房连通的各种通道，通常包括靠顶拱部位的通风洞；主厂房中部的进厂交通运输洞、母线洞、主变压器室通道等；主厂房中下部的尾水洞等。在开挖主厂房时，这些交叉洞室的开挖，要作统筹考虑，合理安排，交叉洞室先挖还是后挖，取决于对主厂房开挖是否有利。大多数情况下先开挖交叉洞室，作为相应部位主厂房开挖时的交通出渣及通风洞。因岩体多为不连续材料，在交叉洞室与主厂房交接处往往形成呈卸载状态的实缘，在开挖爆破时易破碎，处于不稳定状态，应注意及时加固衬砌。如图5-9所示。三、竖井与斜井开挖竖井与斜井是地下工程常见的结构形式，包括：施工期间的工作通道，永久建筑物的调压井、闸门井、压力管道斜井和竖井等。竖井与斜井的开挖一般分为两类：正挖法（即自上而下开挖法）和反挖法（即自下而上开挖法）。（一）正挖法自上而下竖井施工程序比较简单，但仍要注意以下问题：①做好井口的锁口保护，确保井口的稳固；②起重提升设备应有专门设计，解决好人员、钻机设备及石渣的垂直运输；⑧有涌水、渗水的岩层地段要做好井内外防水排水设施；④密切观察井壁节理、裂隙及断层带的发育状况，必要的地方，要及时进行锚固处理；⑤对于围岩整体稳定性较差或不良地层中的竖井，则应开挖一段衬砌一段，必要时可采用预灌浆方法加固以后再开挖和衬砌。竖井全断面钻爆掘进钻孔布置如图5—10所示。（二）反挖法对于埋藏式地下竖井或地面施工条件困难的开敞式竖井的开挖，以自下而上反挖方法为宜。由于反挖法掌子面向下，地下水或地面径流的影响要小，爆破和出渣均可利用岩块自重而提高效率，出渣在平洞内进行，这种垂直向下落渣和水平出渣方式，大大方便了施工。反挖法通常又分为导井扩挖与盲井开挖两种。1．导井扩挖法如图5-11及图5-12所示，首先在竖井中心，用钻机自地面向下钻出一个小口径的导井，一直钻到竖井下部水平交通运输洞，然后再用吊篮法，天井钻机及爬罐法等专门方法进行钻爆扩挖。2.盲井开挖对于远离地表或上部有交通平洞的地下竖井，可以从底部平洞向上进行盲井开挖，典型的开挖方法为爬罐法。图5-13为我国子欧洲引进的Alimak爬罐的施工工艺流程示意，其特点是利用可以沿轨道上下开行的爬罐完成钻爆作业，这种轨道是被锚固在岩壁上可伸展的金属导轨，工作平台可由压气、电动和柴油发动机驱动，工作平台上可设置安全棚罩及钻机，工人可站在工作平台上操作，进行凿空、装药、撬渣等作业。爆破时，爬罐开行到平洞顶部躲避，反向掌子面通风及喷水可由设在中空的轨道里的风管和水管分别完成，。Alimak爬罐的生产效率较高，每个工人每台班可掘进2-3m左右。（三）斜井开挖斜井开挖方法与竖井类似，可以自上而下，也