隧道开挖施工(全断面、台阶法)-10月份第四周学习内容

Ⅱ级围岩地段，Ⅲ级围岩单、双线铁路隧道采取了有效的预加固措施后，可采用全断面开挖。

开挖循环进尺应根据隧道断面、围岩地质条件、机械设备能力、爆破振动限制、循环作业时间等情况合理确定。一、作业内容施工测量、钻爆设计、凿岩台车或开挖台架就位、钻孔、装药起爆、通风、出渣。二、工艺流程图全断面开挖施工工艺流程框图及施工方法示意图见图2.3.1-1。三、工序步骤及标准(一)施工准备1.编制施工工艺设计、工序质量控制设计和作业指导书；2.按计划准备充足开挖、支护所使用的各项材料，使其满足施工要求。施工设备及各种机料具已准备就绪；3.施工人员经过培训，均能满足现场施工要求；(二)超前地质预报1.在施工过程中通过超前预报对地表及围岩变化情况进行监测，随时掌握动态情况，提前研究技术措施和施工方案。2.隧道施工地质超前预报手段可采用常规地质分析法、超前水平钻孔法、反射波法等。地质分析法可对开挖作业面的地质情况进行准确判定，超前水平钻孔可预测前方30m的地质情况，地震波反射法可预测前方100~150m的地质情况。3.地质超前预报应做到准确及时，动态预报可能发生地质灾害的位置、性质，为验证和修改（变更）设计及调整施工方案提供依据。当地质条件和设计不符合时，应及时会同各方进行设计变更，以便修改支护参数或开挖方式，确保施工的安全。(三)施工测量测量技术人员利用洞内中线控制桩点，画出工作面开挖轮廓线，并标记出钻孔位置。(四)凿岩台车（多功能台架）就位根据工作面的开挖轮廓线把凿岩台车（多功能台架）开到指定位置，固定台车，并调整台车的高度，便于工作。-1-施工准备超前地质预报确定开挖方法测量放线钻爆设计凿岩台车或开挖台架就位钻眼火工品运输装药爆破通风排烟找顶清帮洒水降尘、出碴运输初期支护施工下一循环开挖图2.3.1-1全断面开挖施工工艺流程框图及施工方法示意图

(五)爆破设计1.循环进尺的确定主要根据地质条件、进度安排等来考虑。根据实际情况一般选择3~5m，在软弱岩层，经对地层处理后，一般宜选用0.8~1.5m，并根据设计拱架间距选用。2.钻眼直径选择一般可选用可采用Φ35～48mm，掏槽区中间眼可选Φ45mm～108mm。3.炮眼布置（1）炮眼数量的确定①根据经验曲线查取不同的炮眼直径，炮眼数量与隧道断面积之间关系，如图2.2.5-1所示。可根据炮眼直径及开挖断面积，直接从图中查得炮眼数量（本图不包括光面爆破的周边炮眼）。-2-图2.3.1-2炮眼数量与隧道断面积的关系

②按经验公式计算KSL－QqN＝rL式中：N——全断面炮眼个数（不包括光面爆破的周边眼），个；K——单位岩石体积耗药量，可参照表2.3.1-1选取，kg/m³；S——开挖断面积，m³；η——各类炮眼装药系数，查表2.3.1-2，取平均值；R——炸药的线装药密度（根据实际实用的炸药确定），m³；L——炮眼深度，m；Qq——周边光爆药量，kg。表2.3.1-1

隧道名称蜜蜂箐2号隧道普济隧道雷公尖隧道军都山隧道花果山隧道花果山隧道地质条件厚层泥质砂岩f＝4～5泥砂岩R压＝31.8MPa中厚层隐品质灰岩Ⅱ～Ⅲ级V级围岩，等时差爆破花岗岩Ⅲ级，已有3.8m×4m导坑花岗岩Ⅱ级全断面光面爆破开挖方法几座中硬岩、硬岩隧道实际K值

炮眼深炮眼直径度（m）（mm）2.51.85.05.0ZC-419台车炮眼数量炸药（个）类型91126200185抗水，硝铵硝铵炸药K值（kg/m³）1.36～1.461.81.7～1.81.71～1.991.66开挖面积（m²）4650100.79075.723.214293.55.01981.43-3-表2.3.1-1

隧道名称白家湾隧道河南寺隧道地质条件Ⅱ～Ⅲ级Ⅱ～Ⅲ级开挖方法几座中硬岩、硬岩隧道实际K值（序）

开挖面积（m²）81～8581～85炮眼深炮眼直径度（m）（mm）4.05.0炮眼数量炸药（个）类型180～200180～200K值（kg/m³）1.801.68表2.3.1-2

炮眼名称全断面装药系数深眼爆破各类炮眼装药系数η

备注全断面一次成型掏槽眼扩槽眼掘进眼内圈炮眼二台炮眼底板炮眼93%85%80%62%82%85%（2）炮眼布置原则①掏槽区应布置在断面的中下方，并偏离中心线1.5～1.8m，设置在中线的左侧和右侧，距底板线1.5～1.8。②周边眼的位置一般是沿着设计轮廓线均匀布置，为了保证开挖面平整，辅助眼及周边眼应使其眼底落在同—垂直面上。③扩槽眼、内圈眼、二台眼、底板眼，均应比掏槽眼、周边眼稀一些，而比掘进眼适当地加密。（3）炮眼布置图式炮眼布置图式很多，有代表性的、典型的图式，参考如下。①②③④楔形掏槽，环状布置，见图2.3.1-3。楔形掏槽，线形布置，见图2.3.1-4。直眼掏槽，环状布置，见图2.3.1-5。直眼掏槽，层状布置，见图2.3.1-6。图2.3.1-3楔形掏槽环形布置图2.3.1-4楔形掏槽线形布置

-4-图2.3.1-5直眼掏槽环状布置4.总装药量的计算与炸药的分配（1）单位岩体用药量K值的确定①查表2.2.5-1《几座中硬岩、硬岩隧道实际K值》类比选取。②查图2.2.5-7《单位耗药量与隧道断面积的关系》。图2.3.1-6直眼掏槽层状布置③由公式计算：根据前苏联的资料介绍，开挖断面由20m²到100m²隧道，单位岩石体积用药量可按下式计算：2）CbeK＝（0.3f＋S式中：K——单位岩石体积耗药量，图2.3.1-7单位耗药量与隧道断面积的关系kg/m³；f——岩石坚硬系数；S——开挖断面积，m³；C——药卷影响系数，见表2.3.1-3；b——炮眼深度影响系数，见表2.3.1-4；e——炸药能量系数，见表2.3.1-5；ψ——装药密度的影响系数，见表2.3.1-6；ω——岩体结构、裂缝和层理的影响系数，见表2.3.1-7。表2.3.1-3药卷直径影响系数C值药卷直径（mm）C值321.1表2.3.1-4岩石坚硬系数f10～168～104～841.51.001.051.051.05361.0400.95420.92450.90480.87炮眼深度影响系数b值炮眼深度（m）2.01.051.001.051.05-5-2.51.101.051.001.053.01.151.101.051.003.5以上1.201.151.101.05表2.3.1-5炸药类型硝化甘油1号岩石炸药1.00～1.10表2.3.1-6炸药方式风力装填粉状炸药1.00表2.3.1-7整体火成岩岩体地质状况炸药能量系数e值62%硝化甘油炸药1.25装药密度影响系数ψ值可挤压的可塑性药卷1.05通常人工装药卷1.10硝钱2号岩石炸药e值ψ值岩体结构、裂隙、层理的影响系数ω值ω值1.151.101.051.000.950.900.85～0.900.75～0.85整体岩石，带有脉状矿物，接触面上已被削弱整体石质岩层，有风化痕迹无裂缝的岩石，层理垂直于隧道纵轴线肉眼看不到裂缝，层理与隧道纵轴线平行或倾斜70°的岩层裂纹微小的岩层（每平方米不超过2条裂纹）有裂缝的岩体（每平方米2～5条裂纹）有显著裂缝的岩层（每平方米5条裂纹）注：对于两个自由面（即有下导坑）的工作面，系数ω值应乘以0.7。（2）总装药量的计算可参照公式Q＝KLS计算。其中K为单位岩石体积耗药量，可参照表2.2.5-1选取，kg/m³；L为炮眼深度，m；S为开挖断面面积，m²。（3）炸药量的分配不同部位的炮眼所起作用的不同，其装药量也不相同。周边眼的装药集中度约为300～400g/m。掏槽眼的装药长度约为炮眼深度的90%～95%。其他炮眼的装药量参照公式q＝K·a·W·L·λ计算，但其炮眼所在部位系数，应按表2.3.1-8选取。表2.3.1-8炮眼布置λ值掏槽眼1.0～2.01.21.0中硬岩、硬岩隧道炮眼部位系数0.950.90.851.051.100.6扩槽眼掘进槽下掘进槽侧掘进槽上内圈眼二台眼底板眼周边眼最后再从施工出发，可对装药作适当调整，以单眼装药量为半卷、整卷计量为宜。5.装药结构周边眼一般采用三种形式：比较破碎软弱的岩层，采用双导爆索，如图2.3.1-8（a）；中等岩层，采用竹片、导爆索、小直径药卷间隔绑扎装药结构，底部药量适当加强，如图2.3.1-8（b）；较为完整岩层，可采用专用小直径光爆炸药的连续装药结构，见图2.3.1-8（c）、（d）。上述装药结构均要求堵塞炮泥。炮泥雷管导爆索及竹板脚线或传爆管（a）导爆索装药结构示意图-6-小药卷均匀间隔炮泥雷管竹板药卷导爆管（b）间隔装药结构示意图炮泥雷管小直径药卷扩张套管脚线或传爆管（c）小直径药卷连续装药结构示意图炮泥雷管专用光爆炸药脚线或传爆管（d）专用光爆药卷装药结构示意图图2.3.1-8隧道周边眼装药结构其他炮眼装药均采用连续装药结构，见图2.3.1-9，而炮眼装药后的堵塞一般要求将炮泥堵在与装药相接的部位。实践证明这种堵塞方法比堵在眼口的爆破效果好。脚线或导爆管炮泥药卷雷管图2.3.1-9软岩隧道其余炮眼装药结构装瞬发雷管的炮眼应采用正向起爆，其他炮眼则应采用反向起爆。即掏槽眼的首段采用正向装药起

爆。

对于钻眼直径为48mm的深眼爆破，采用42mm的一号抗水硝钱炸药大直径药卷，可以克服深眼爆破中存在“管道效应”，从而避免炸药在深眼中的熄爆现象，这时的不藕合系数为1.14。6.合理段落间隔时间的选择测试得到的实际质点振动速度曲线波形图表明，每段间隔时差大于50ms时，波形基本上无叠加现象。每段起爆间隔时间又不宜太长，否则能量不能互相利用，后段爆破不能补充前段爆破的破碎作用和抛掷作用。大瑶山隧道的经验是：掏槽爆破段间隔时间为50~75ms，后续炮眼的爆破段落间隔时间受爆破器材条件限制，只能逐段进行安排，段间隔时间大的达到200~300ms。(六)钻孔、装药。根据爆破设计要求和工作面的钻孔位置，用凿岩台车（或人工利用风钻）进行钻孔，在钻进过程中要根据钻进速度、围岩软弱程度等，及时调整供风量和供水量。钻孔位置和角度要准确。炸药要采用低密度低爆速、低猛度的炸药，严格控制周边眼装药量，间隔装药。药量宜沿钻孔全长适当分布。雷管采用毫秒雷管或等差雷管，一般周边眼采用导暴索起爆，以-7-减小起爆时差。（七）施工通风。爆破后，进行施工通风。接通工作面照明灯具。（八）清理危石（九）初次喷射砼。见“喷射混凝土支护作业工艺”。（十）出渣运输。使用大功率装载机装渣，大型自卸汽车运输。首先要保证工作面的照明，便于司机操作，同时也保证出渣机械处于良好的状态，装运能力大于开挖能力并有备用，运输道路平整通畅，在关键地段设车辆调度协调进出车辆，安全警示和标识要齐全。（十一）监控量测可参考监控量测作业工艺。（十二）全断面开挖法施工控制要点：全断面法开挖空间大，工序少，应采用大型配套机械化作业，各道工序尽可能平行交叉作业，缩短循环时间。全断面法开挖量大，爆破引起的震动较大，应按钻爆设计要求严格控制炮眼间距、深度和角度，钻眼完毕，按炮眼布置图进行检查并做好记录，对不符合要求的炮眼应重钻，经检查合格后方可装药。当采用手持凿岩机凿孔时，周边眼及掏槽眼应定人定岗，同时应严格控制周边眼钻孔外插角。每一循环爆破后，应认真查看爆破效果，并根据超欠挖及炮眼痕留率不断优化钻爆参数确定合理的循环进尺，一般宜为3.5m，确保两个循环的接茬位置平滑、圆顺。爆破后及时进行通风，通风时间不宜少于30～40min，作业环境应达标。每循环爆破后及时找顶，初期支护施作前应按要求进行地质素描。有条件时可在隧道中下部位开挖约3.5×3.5m，深不超过6m的超前导洞，与全断面同步开挖，以提高光爆效果、节约炸药。开挖欠挖控制。当围岩完整、石质坚硬时，岩石个别突出部位（每1m不大于0.1m）侵入衬砌必须小于5cm。拱脚和墙脚以上1m内断面严禁欠挖。光面爆破钻眼前，应标出炮眼位置。掏槽眼的眼口间距和深度允许偏差为5cm。周边眼的间距允许偏差为5cm，外插角必须符合钻暴设计要求，眼底不得超出开挖断面轮廓线15cm。光面爆破效果控制。炮眼痕迹保存率，硬岩不得小于80％，中硬岩不得小于60％，并在开挖轮廓面上均匀分布。2

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-8-2.3.2台阶法（三台阶法）开挖施工台阶开挖是先开挖断面的上半部分，待开挖至一定长度后同时开挖（中）下部分，上（中）、下部分同时并进的施工工艺。在Ⅲ～Ⅳ级围岩铁路客运单线、双线隧道施工时一般采用台阶法，V级围岩隧道在采用了有效的措施（如超前预注浆加固围岩）后亦可采用台阶法开挖。一、作业内容施工测量、地质预报、钻孔、装药、起爆、通风、出渣、初期支护、量测。二、工艺流程图（见图2.3.2-1）人、材、机准备施工准备施工测量超前地质预报爆破设计上台阶人工钻孔上台阶装药起爆通出风碴（中）下台阶钻孔（中）下台阶装药初期支护量测图2.3.2-1台阶法开挖施工工艺流程框图三、工序步骤及标准（一）施工准备参见全断面施工。（二）台阶法开挖施工程序施工测量→钻眼→装药→起爆、通风→初喷→出渣→设置锚杆、挂网→立架→复喷→下一循环。（三）台阶法开挖施工步序示意图见图2.3.2-2。-9-上台阶机械手湿喷机下台阶台阶法开挖支护断面示意图a.上部采用人工打眼，下部利用作业台架人工打眼。b.上、下部同时起爆，通风后，初喷砼；c.挖掘机、装载机配合自卸汽车出碴，进入下一循环。图2.3.2-2台阶法开挖施工方法示意图

（四）施工要点1.台阶长度应根据隧道断面跨度、围岩地质条件、初期支护形成闭合断面的时间要求、上部施工所需空间大小等因素来确定，台阶长度宜为3~5m左右，当拱部围岩条件发生较大变化时，可适当延长或缩短台阶长度，如围岩较差，台阶长度可缩短为。如采用三级台阶法，第一个台阶高度一般为2.5m。2.上台阶的底部位置应根据地质情况确定，一般情况下，可在起拱线附近。3.上台阶使用钢架时，可采用扩大拱脚和施作锁脚锚管等措施，防止拱部下沉变形。4.下台阶应在喷射混凝土达到设计强度的70％以上后开挖。下台阶一次开挖长度不宜超过2榀拱架间距。当岩体不稳定时，应合理缩短进尺，先施工边墙初期支护，后开挖中间土体，左右错开或先拉中槽后挖边墙，并及时施工仰拱。5.应解决好上下部的施工干扰问题。下部施工应减少对上部围岩、支护及衬砌的扰动和破坏。6.工艺改进：对于较软弱围岩中采用台阶法，可以考虑与预留核心土、施作临时仰拱、挖中槽等方法相结合。在上台阶开挖时，预留核心土，以便快速完成拱部开挖，及时施作初期支护。在在地质条件较差时，可在上（中）台阶上施作临时仰拱，以减少拱部结构变形。（五）其它工序作业内容参考全断面法。

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