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中铁十一局集团第二工程有限公司隧道施工技术（隧道开挖工艺）中铁十一局集团沪昆客专长昆湖南段第一项目分部编制：刘飞飞2011年11月主要内容•一、施工方法简介•二、全断面法开挖•三、台阶法开挖•四、侧壁导坑法开挖•五、施工工法转换•六、隧道开挖质量控制重点一、施工方法简介•选择开挖方法时，应对隧道断面大小及形状、围岩的工程地质条件、埋置深度、支护条件、施工条件、环境条件、工期要求、工程量、机械配备能力、施工安全、经济性等相关因素综合分析，采取恰当的开挖方法，尤其应于支护条件相适应•隧道施工中，开挖方法时影响围岩稳定的重要因素之一。钻爆法仍然是中国目前应用最广、最成熟的隧道修建方法。客运专线隧道开挖常用的方法有全断面法、台阶法、CD工法、CRD工法，双侧壁导坑法。•从工程造价和施工速度考虑，施工方法选择顺序应为：全断面法→正台阶法→台阶设临时仰拱→中隔墙法→交叉中隔墙法→双侧壁导坑法。•从施工安全考虑，顺序正好相反过来。在当前的施工实践中，采用最多的方法时台阶法，其次是全断面法。•在大断面隧道中，单侧壁导坑（小隔墙法）和双侧壁导坑（眼睛法）采用较多，由于施工机械的发展和辅助功法的采用，施工方法有向更多地采用全断面法，特别是全断面与超短台阶法结合的发展趋势。•隧道施工的基本技术原则•围岩是隧道的主要承载单元，所以要在施工中充分保护和爱护围岩。避免过度破坏和损伤遗留围岩的强度，使爆破的围岩尽量保留既有的质量，是最重要的基本原则。•为了充分发挥围岩的结构作用，应容许围岩有可控制的变形。•变形的控制主要是通过支护阻力（既各种支护结构）的效果达到的。一、施工方法简介•全断面开挖法事指将整个隧道开挖断面一次钻孔、一次爆破成型、一次初期支护到位的隧道开挖方法。•全断面开挖法有较大的作业空间，有利于采用大型配套机械化作业，提高施工速度，且工序少，施工操作比较简单，便于施工组织和管理，较分部开挖法减少了爆破震动次数。但由于开挖面积较大，围岩相对稳定性降低，且每个循环工作量较大，每次身炮孔爆破引起的震动较大，因此要求具有较强的开挖、出砟能力和相应的支护能力。二、全断面法全断面开挖发的优缺点有较大的断面进尺比（即开挖断面面积与掘进进尺比值），可获得较好的爆破效果，且爆对队围岩的震动次数较少，有利于围岩的稳定。但每次爆破震动强度却较大，要求进行严格的控制爆破设计，尤其是对于稳定性较差的围岩。全断面法一次开挖形成，开挖跨度较大，高度较大，隧道找遍围岩若出现更大范围的塑性化和更大的变形，隧道公交和墙脚处的盈利集中更严重，隧道拱顶更不稳定，围岩自稳所要求的围岩自身强度较高。全断面开挖法全断面开挖法适用条件对于硬岩（抗压强度Rc＞30mpa）隧道，由于其自身强度一般比较高，所以围岩自身强度并不是影响隧道稳定与安全的决定因素，可通过采取超前锚杆、超前小导管、超前预注浆等辅助施工措施进行超前预加固，从而提高围岩的整体性。对于软岩隧道，由于自身强度自身强度一般偏低，各种超前与加固措施对于围岩自身强度提高幅度有限，自身强度往往成为影响隧道稳定与安全的控制因素。全断面法主要适用于Ⅰ～Ⅲ级硬岩地层和Ⅱ级软岩地层。对于Ⅳ级围岩地层，在采取超前锚杆、超前小导管、超前预注浆等辅助施工措施加固后，也可采用全断面法施工，但应根据具体围岩情况适当缩短开挖进尺。浅埋段、偏压和洞口段不宜采用全断面法开挖。全断面开挖法•台阶法施工就是将结构断面分成两个或几个部分，具有上下断面两个工作面或多个工作面，分步开挖。其优点是灵活多变、使用性抢，有足够的作业空间和较快的施工速度，能较早地使支护闭合，有利于开挖面的稳定和控制其结构变形计由此引起的地面沉降。缺点是上下部作业有互相干扰，应注意下部作业时对上不稳定性的影响，台阶开挖会增加对围岩的扰动次数等。•台阶法适用于Ⅲ、Ⅳ级围岩地层和洞口段、偏压段、浅埋段的Ⅰ～Ⅳ级硬岩地层和Ⅱ、Ⅲ级软岩地层，但应视具体情况采取超前大管棚、超前锚杆、超前小导管、超前预注浆等辅助施工措施进行超前加固，并根据工程实际、地层条件和机械条件，选择合适的台阶方式。•根据地层条件和机械配备情况，台阶法又可分为正台阶法和中隔墙台阶法等。三、台阶法施工•1、正太台阶上下两部分步开挖法•将断面分成上下两个台阶开挖，上台阶长度一般控制在1～1.5倍洞径，但必须在地层失去自稳的能力之前尽快开挖下台阶，支护形成封闭结构。若地层较差，为了稳定工作面，也可辅以采用人工和机械混合开挖法，即上班断面采用人工开挖机械出砟。下班断面采用机械开挖、机械出砟。有时为解决上半断面出砟对下班断面的影响，可采用皮带运输机将上班断面的砟土送到下半断面的运输车中。台阶法施工•2、正台阶分步开挖留核心土法•该法适用于较差的地层，上台阶取1倍的洞泾左右环形开挖，留核心土，用于系统锚杆和超前小导管、预注浆稳定工作面，钢筋网片钢架、锚杆、喷射混凝土作为初期支护，拱脚设置锁脚锚管或锁脚锚杆。•当隧道断面较高时，可以分多层台阶法开挖，但台阶长度不允许超过1.5倍洞泾。台阶法施工•正台阶分步开挖弧形导坑预留核心土①①①②③④②③④⑤⑦⑥⑤⑦⑥②③④⑤⑥⑦图三中台阶为核心土示意图图四正台阶开挖示意图•正台阶分步开挖弧形导坑预留核心土•正台阶分步开挖弧形导坑预留核心土（现场）•隧道弧形导坑预留核心土法施工工序•弧形导坑预留核心土法，将开挖断面分为上、中、下及底部四个部分逐级掘进施工。上部宜超前中部3～5m，中部超前下部3～5m，下部超前底部10m左右。为方便机械作业，上部开挖高度控制在4.5m左右，中部台阶高度也控制在4.5m左右，下部台阶控制在3.5m左右。•（1）开挖前拱部施作φ42或φ50超前小导管对拟开挖岩体进行注浆预加固，待浆液达到一定强度后，采用小型挖掘机开挖，预留一定厚度由人工持风镐修边到位。•（2）每一台阶开挖完成后，及时喷射4cm厚微纤维混凝土对围岩进行封闭，设立型钢钢架及锁脚锚杆，施作系统锚杆，最后铺设钢筋网，分层复喷微纤维混凝土到设计厚度，必要时各台阶设临时仰拱加强支护，完成一个开挖循环。台阶法施工•2、岩石隧道弧形导坑预留核心土法•施工工序台阶法施工•隧道弧形导坑预留核心土法施工工序台阶法施工•3、中隔墙台阶法开挖•当工作面地层自稳能力较差，上台阶开挖后拱脚支撑在未开挖岩体上自稳时间较短且开挖断面跨度较大时，可采用中隔台阶法（通常配合临时仰拱使用）。通过中隔墙分载体作用，减轻两侧拱脚的压力，降低地表沉降值。以确保施工安全。•采用中隔墙台阶法开挖时，上台阶开挖长度一般控制在1.5倍洞泾内，并辅之以超前小导管加固地层，刘核心土环形开挖等措施，下台阶采用机械开挖、机械出砟。台阶法施工•台阶开挖法-中隔墙台阶法施工示意图台阶法施工•1、单侧壁导坑•单侧壁导坑法是指在隧道断面一侧先开挖一导坑，并始终超前一定的距离，再开挖隧道其余部分，变大跨断面为小跨断面的隧道开挖方法。•采用该法开挖时，单侧壁导坑超超前的距离一般在2倍的洞泾以上。为了稳定工作面，必须采取超前超前大管棚、超前锚杆、超前小导管、超前预注浆等辅助施工措施进超前加固。一般采用人工开挖、人工和机械配合开挖、人工和机械配合出砟。断面剩余部分开挖时，可适当采用控制爆破一面破坏已完成的临时支护。三、侧壁导坑法•2、中隔墙法•中隔墙法也称CD功法•（centerDiaphragm),是一•台阶法为基础，将隧道断面•从中间分成左右部分，使上下•台阶左右各分成2或多部分，•每一部分开挖并支护厚形成•独立的闭合单元。侧壁导坑法•中隔墙法•中隔墙法也称CD工法（工序图）侧壁导坑法•CD工法工序说明•（1）利用上一循环架立的钢架施作隧道侧壁Ф50超前钢花管及导坑侧壁Ф22水平锚杆超前支护。•（2）人力配合机械开挖①部，高约为6.0m，宽约为7.5m；施作①部导坑周边的初期支护和临时支护，即初喷4cm厚混凝土；架立型钢钢架和I18临时钢架，并设锁脚锚杆（管），安装径向锚杆及铺设钢筋网片，复喷混凝土至设计厚度。•（3）在滞后于①部一段距离后，挖掘机开挖②部，人工整修表面；导坑周边部分初喷4cm厚混凝土；接长型钢钢架和I18临时钢架，并设锁脚锚杆（管）；钻设径向锚杆并铺设钢筋网片，复喷混凝土至设计厚度。•（4）在滞后于②部一段距离后，挖掘机开挖③部，人工整修表面，施作导坑周边初期支护，步骤及工序同①部。•（5）在滞后于③部一段距离后，挖掘机开挖④部，人工整修表面，施作导坑周边初期支护，步骤及工序同②部。•（6）在滞后于④部一段距离后，挖掘机开挖⑤部；接长I18临时钢架至隧底，底部垫槽钢。侧壁导坑法•CD工法工序说明•（7）根据监控量测结果分析，待初期支护收敛后，拆除I18临时钢架。•（8）利用仰拱栈桥灌筑Ⅵ部边墙基础与仰拱。•（9）利用仰拱栈桥灌筑仰拱填充Ⅶ部至设计高度。•（10）利用衬砌模板台车一次性灌注Ⅷ部衬砌（拱墙衬砌一次施作）。侧壁导坑法•CD工法工序侧壁导坑法•CD工法工序说明•要点：•上导坑①、③部的•开挖循环进尺控制•为1榀钢架间距•（0.75～0.8m），•下导坑②、④部的•开挖可依据地质情•况适当加大。侧壁导坑法•3、交叉中隔墙（CRD工法)•交叉中隔墙法也称CRD工法（CrossDiaphragm)。当CD工法仍不能保证围岩稳定和隧道施工安全要求时，可在CD工法的基础上对各分部加设临时仰拱，将原CD工法先开挖中壁一侧改为两侧交叉开挖、步步封闭成环而改进发展的一种工法。•CRD工法最大的特点是将大断面施工化成小断面施工，各个局部封闭成环的时间段，控制早期围岩变形，每个步序受力体系完整。施工大量实例资料的统计结果表明，CRD工法比CD工法减少地表下沉50%。但CRD工法施工工序复杂、隔墙拆除困难、成本高、进度较慢。•CRD工法各分部间应拉开一定的距离，距离以保证掌子面稳定为准，一般为1~1.5倍洞泾（此处的洞泾取分部高度和跨度的大值），但在能保证掌子面围岩稳定的情况下，可适当缩短距离，以保证操作空间要求。侧壁导坑法•洞泾取值侧壁导坑法•CRD工法适用于特别破碎的岩石、碎石土、卵石土、圆砾土、角砾土及黄土组成的Ⅴ级围岩和软塑状黏性土、潮湿的粉细砂组成的Ⅵ级围岩及较差的围岩中的洞口段、偏压段、浅埋段等。为了稳定工作面，采用CRD工法施工时，必须采取超前大管棚、超前锚杆、超前小管棚、超前预注浆、掌子面封闭等辅助施工措施进行超前加固。一般采用人工开挖、人工和机械配合出砟。可适当踩空控制爆破，以免破坏已完成的临时支撑和临时仰拱。侧壁导坑法•CRD工法工序说明•（1）利用上一循环架立的钢架施作隧道侧壁Ф50小导管及导坑侧壁Ф22水平锚杆超前支护。•（2）机械开挖①部，人工配合整修；必要时喷5cm厚混凝土封闭掌子面；施作①部导坑周边的初期支护和临时支护，即初喷4cm厚混凝土，架立型钢钢架和I18临时钢架，并设锁脚锚杆（管），安设I18横撑；安装径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。•（3）在滞后于①部一段距离后，机械开挖②部，人工配合整修，必要时喷5cm厚混凝土封闭掌子面，导坑周边部分初喷4cm厚混凝土，接长型钢钢架和I18临时钢架，安装锁脚锚杆（管），安设I18横撑，钻设径向锚杆后复喷混凝土至设计厚度。•（4）在滞后于②部一段距离后，机械开挖③部，人工配合整修，并施作导坑周边的初期支护，步骤及工序同①部。侧壁导坑法•CRD工法工序说明•（5）在滞后于③部一段距离后，机械开挖④部，人工配合整修，并施作导坑周边的初期支护，步骤及工序同②部。•（6）在滞后于④部一段距离后，机械开挖⑤部，人工配合整修；隧底周边部分初喷4cm厚混凝土；接长Ⅰ18临时钢架，复喷混凝土至设计厚度。拆除下部横撑，安设型钢钢架仰拱单元，使之封闭成环。•（7）根据监控量测结果分析，待初期支护收敛后，拆除I18临时钢架及上部临时横撑。•（8）利用仰拱栈桥灌筑Ⅵ部边墙基础与仰拱混凝土。•（9）灌筑仰拱填充Ⅶ部至设计高度。•（10）利用衬砌模板台车一次性灌注Ⅷ部衬砌（拱墙衬砌一次施作）。侧壁导坑法•CRD工法施工工艺流程侧壁导坑法•CRD工法施工工工序图侧壁导坑法•CRD工法施工控制要点•（1）为确保施工安全，上导坑