隧洞开挖

隧洞开挖修建隧洞时，将土或岩石松动、破碎、挖掘并运输出碴的工程。它广泛应用于水利工程中的引水、泄水、导流、交通以及其他隧洞的施工。隧洞施工具有工作面狭窄、劳动条件差、工序多、干扰大等特点，特别是容易发生安全事故，必须事先做好地质勘探工作，合理选定洞口、支洞位置、出碴运输路线以及隧洞开挖的方法。隧洞开挖主要包括掘进、出碴、安全支护以及风、水、电供应和通风、排水等辅助作业。隧洞掘进在岩石地层中应用最多的是钻孔爆破法，从20世纪50年代开始，随着隧洞掘进机的发展，在许多国家用隧洞掘进机开挖隧洞也占一定比重。在土质地层中，除以人工为主开挖外，还可采用盾构法或顶管法施工。钻孔爆破法通过钻孔、装药、爆破开挖岩石的方法，简称钻爆法。这一方法从早期由人工手把钎、锤击凿孔，用火雷管逐个引爆单个药包，发展到用凿岩台车或多臂钻车钻孔，应用毫秒爆破、预裂爆破及光面爆破等爆破技术。施工前，要根据地质条件、断面大小、支护方式、工期要求以及施工设备、技术等条件，选定掘进方式。主要的掘进方式有：①全断面掘进法，整个开挖断面一次钻孔爆破，开挖成型，全面推进。在隧洞高度较大时，也可分为上下两部分，形成台阶，同步爆破，并行掘进。在地质条件和施工条件许可时，优先采用全断面掘进法。②导洞法，先开挖断面的一部分作为导洞，再逐次扩大开挖隧洞的整个断面(图1)。这是在隧洞断面较大,由于地质条件或施工条件,采用全断面开挖有困难时,以中小型机械为主的一种施工方法。导洞断面不宜过大，以能适应装碴机械装碴、出碴车辆运输、风水管路安装和施工安全为度。导洞可增加开挖爆破时的自由面，有利于探明隧洞的地质和水文地质情况，并为洞内通风和排水创造条件。根据地质条件、地下水情况、隧洞长度和施工条件，确定采用下导洞、上导洞或中心导洞等。导洞开挖后，扩挖可以在导洞全长挖完之后进行，也可以和导洞开挖平行作业。③分部开挖法，在围岩稳定性较差，一般需要支护的情况下，开挖大断面的隧洞时，可先开挖一部分断面，及时做好支护，然后再逐次扩大开挖。用钻爆法开挖隧洞，通常从第一序钻孔开始，经过装药、爆破、通风散烟、出碴等工序，到开始第二序钻孔，作为一个隧洞开挖作业循环。尽量设法压缩作业循环时间，以加快掘进速度。20世纪80年代，一些国家采用钻爆法在中硬岩中开挖断面面积为100m3左右的隧洞,掘进速度平均每月约为200m。中国鲁布革水电站工程，开挖直径8.8m的引水隧洞,单工作面平均月进尺达231m,最高月进尺达373.7m。掘进机法掘进机是全断面开挖隧洞的专用设备(见彩图)。它利用大直径转动刀盘上的刀具对岩石的挤压、滚切作用来破碎岩石。美国罗宾斯公司在1952年开始生产第一台掘进机。70年代以后，掘进机有了较快的发展。开挖直径范围为1.8～11.5m。在中硬岩中,用掘进机开挖80～100m3大断面隧洞，平均掘进速度为每月350～400m。美国芝加哥卫生管理区隧洞和蓄水库工程，在石灰岩中开挖直径9.8m的隧洞，最高月进尺可达750m。美国奥索引水隧洞直径3.09m,在页岩中开挖，最高月进尺达2088m。隧洞掘进机开挖比钻爆法掘进速度快，用工少，施工安全，开挖面平整，造价低，但机体庞大，运输不便，只能适用于长洞的开挖，并且本机直径不能调整，对地质条件及岩性变化的适应性差，使用有局限性。新奥地利隧洞施工法简称新奥法（NATM），是奥地利学者L.V.拉布采维茨等人于50年代初期创建，并于1963年正式命名的，涉及隧洞设计、施工以及管理等方面一整套的工程技术方法。它的主要特点是：运用现代岩石力学的理论，充分考虑并利用围岩的自身承载能力，把衬砌与围岩当成一个整体看待；在施工过程中，必须进行现场量测,并应用量测资料修订设计和指导施工;采用预裂爆破、光面爆破等技术或用掘进机开挖，用锚杆和喷射混凝土等作为支护手段，并强调适时支护。总之，是在充分考虑围岩自身承载能力的基础上，因地制宜地搞好隧洞开挖与支护。盾构法利用盾构在软质地基或破碎岩层中掘进隧洞的施工方法。盾构是一种带有护罩的专用设备，利用尾部已装好的衬砌块作为支点向前推进，用刀盘切割土体,同时排土和拼装后面的预制混凝土衬砌块（图2）。盾构是19世纪初期发明，首先用于开挖英国伦敦泰晤士河水底隧道。盾构机掘进的出碴方式有机械式和水力式，以水力式居多。水力盾构在工作面处有一个注满膨润土液的密封室。澎润土液既用于平衡土压力和地下水压力，又用作输送排出土体的介质。顶管法为在地下修建涵洞或管道，用千斤顶将预制钢筋混凝土管或钢管逐渐顶入土层中，随顶随将土从管内挖出。这样将一节节管子顶入，作好接口，建成涵管。顶管法特别适于修建穿过已成建筑物或交通线下面的涵管。隧洞出碴隧洞开挖出碴，包括装碴和运输。装碴可用装岩机、扒碴机、装载机和挖掘机等。运输则分有轨与无轨两种方式。有轨运输由机车牵引斗车或梭式矿车，在窄轨铁路上行驶。无轨运输应用较多，一般由装载机或挖掘机配合汽车完成。竖井和斜井开挖其施工方法与平洞开挖的方法略有不同。自上而下进行竖（斜）井开挖称为正挖，反之为反挖。对下部无通道的竖井，宜采用全断面正挖的方法。对下部已形成施工通道的竖井，宜采用先打通一个导井,然后利用导井出碴,自上而下进行扩大的方法。导井开挖可先钻若干深孔，自下而上逐次爆破成井；也可通过钻孔悬挂吊罐或利用专用设备──爬罐(图3、图4)等反挖的方法；还可利用大直径钻机直接钻井。竖井开挖还可使用天井钻机。辅助作业和安全支护隧洞开挖施工中，除作好供风、供水、供电等辅助工程外，还必须重视通风散烟、降尘、防有害气体和排水等辅助作业，特别要注意做好安全支护（见地下工程支护）。在不良地质或地下水活动较严重的地段开挖隧洞，必要时还要钻超前孔以探明地下水情况，或对围岩进行预灌浆。在硬土或软岩中开挖隧洞，有的采用超前旋喷灌浆处理，使形成一加强圈，然后开挖。