暗挖隧道施工方法和施工方案

暗挖隧道施工方法和施工方案

1.1总体施工方案

针对本隧道施工的主要特点，结合资源配置、交通便利和洞口地形地貌，拟采用出口向进口方向单向掘进的施工组织，共设左右洞2个工作面，采用钻爆台架人工钻爆作业，无轨运输，压入式通风，液压衬砌台车整体衬砌成型。严格按照设计要求，遵循新奥法施工原理，以超前预测、探测为手段，超前探明地质、涌水情况。施工过程中严格遵循“管超前、严注浆、短进尺、弱爆破、强支护、紧封闭、勤量测”的原则，适时衬砌、稳妥前进，不留隐患，确保安全、确保质量，实现工期。贯彻“喷锚支护保安全，围岩量测明情况，施工通风出效率，仰拱先行快封闭（造环境），衬砌质量树形象”的工作思路。

主要施工工序：施工准备→测量放样→砌筑洞顶截水沟→洞口边仰坡开挖、防护→洞口施工→超前支护→洞身开挖→初期支护→监控量测→施作防水层→二次衬砌浇筑→水沟、电缆沟施作→洞内路面施工→隧道内装饰及机电安装。

1.2临时工程

1.2.1管线布置

隧道供电线路，全部采用三相五线制，供电电压为380/220V。低压电动机的额定是380V；洞内照明电压：作业地段不大于36V，成洞和不作业地段可用220V。

为解决长隧道供电电压降过大的问题，在成洞地段用高压电缆引入10kV电压，在适当地点设置变压器降至400/230V使用。

隧道内的动力线路和照明线路安装在同一侧与风水管相对，分层架设，其原则是:高压在上，低压在下，400V以下距人行地面不小于2.2m，10KV不小于3.5m；动力线在上，照明线在下。

普通电力线和高压电缆横担每隔10m安设一个。每个横担采用2个φ12膨胀螺栓锚固，锚固长度不小于7cm，瓷瓶间距不小于15cm，与横担间采用φ18螺栓固定，瓷瓶与角钢横担之间尽可能垫一层薄橡胶皮，以防固紧螺栓时压碎瓷瓶。

动力干线上的每一分支线，必须装设开关及保险装置，同时做到“一机一闸一漏一保护”。严禁在动力线路上加挂照明设施。

根据隧道作业特点，电线架设分两次进行，在进洞初期，先用橡胶套电缆装设临时电路，随着工作面的推进，在成洞地段用胶皮绝缘线架设固定线路，换下的电缆供继续前进工作面使用，但不充许将通电的多余电缆盘绕堆放，以免引起电缆过热发生燃烧和增加线路电压降。

洞内管线布置示意图

1.2.2供水

施工用水采用出口右侧附近鱼塘中的地表积水，在洞口洞顶距左侧外处设置一个水池，方量36m3，水池与隧道内作业面高差大于30m，利用高扬程水泵自动抽水满足施工使用，水池用钢板焊接制作，接增高压管理引入隧道内以供使用。洞内高压供水由洞外高压水池经φ100钢管引入各工作面。距作业面10～15m地段，使用塑料软管。

1.2.3供电

在隧道出口附近安设一台800KVA变压器，以供隧道施工使用。洞内电力供

施工通风平面布置示意图

应各工作面的动力照明由洞口变压器变压后供动力用电及分段照明。掘进长度达到500米时，在洞内设置变压器变压后供电。另外备用一台250KW 的发电机以便突发情况使用。

1.2.4 高压供风

隧道进出洞口附近分别设置4台20立方米的空压机供高压风，用φ150的钢管将高压风引进洞内。距作业面10～15m 处，设置使用开关，接软管至工作面，供作业时灵活使用。

1.2.5 通风防尘

隧道施工进洞100m 后，必须安装机械通风设备供风，风口距离开挖面不得大于15m,每台风机必须单独安装电表以便核对开机供风时间；洞内通风左右线各使用75kw 轴流风机一台，设置于洞口外侧处，以保证隧道内拱风量和空气质量。风管布置在拱脚以上1m 处，吊挂牢固、顺直。靠工作面20m 处设一段可拆式活动软管，放炮时可临时拆除。

图5-2 施工通风平面布置图 施工防尘采用洒水防尘和个人带防尘口罩相结合，在距掌子面30m 外边墙两侧各设置一条喷淋花水管，爆破前10min 打开阀门，放炮30min 后关闭。

根据风机外形尺寸确定交通洞洞口风机机架形式，机架顶高 5.5m ，机架采用2排1m*8m 桁架梁支撑，风机底部及梁端加连系梁。梁高1m ，上弦网格尺寸1m*1m ，下弦网格尺寸1m*1m 。

集中荷载标准值

21/5.12225m KN P =÷=,22/15230m KN P =÷=,2

3/4.13340m KN P =÷=，

集中荷载设计值取P1，P2，P3，中最大值进行计算P=8.75*1.2=10.5KN/m2， 荷载标准值0.5KN/m2，活荷载设计值0.5*1.4=0.7KN/m2 Q235强度设计值f=215N/mm2 ，fv=125N/mm2 梁挠度容许值mm l v 26400

10300

400===

1、截面几何特性计算

面积 24.3084.141*5.041005.0424.94cm A =+??+?= 机架梁为箱式对称截面 中和轴位置在中心 y1=y2=cm 502

100

= 对强轴x 轴的惯性矩

42275.249139)5.050(5.03

2

2)25.050(5.01002cm I x =-???+-

???= 对受压纤维的截面模量与对受拉纤维的截面模量相等W1x=W2x=

31795.498250

75

.249139cm y I x == 受压翼缘板对x 轴的面积矩与受拉翼缘板对x 轴的面积矩相等

3215.2487)2

5

.050(5.0100cm S S x x =-

??== x 轴以上(或以下)截面对x 轴的面积矩

32375.1262)5.050(5.05.2487cm S x =-?+=

2、梁的内力计算 荷载计算

梁自重标难值m KN A g k /91.210107850104.3082.12.134=?????==--ρ 均布荷载设计值m KN q /18152.1=?=

剪力图

弯矩图

弯矩设计值m KN l g ql M k x ?=??+??=+=3.2773.1091.281

3.10188181812222

剪力设计值KN l g ql V k 69.1073.1091.221

3.1018212121max =??+??=+=

3、截面强度计算 ⑴抗弯强度验算

取截面塑性发展系数0.1=x γ 因截面无削弱，Wnx=W2x

223

6

/215/65.5510795.49820.1103.277mm N mm N W M nx x x <=???=γ，强度满足。 梁支座截面处的抗剪强度

2

24

33max max /125/82.681075.24913910375.12621069.107mm N f mm N t I S V v w t x =<=?????==τ，满足强度。

⑵腹板局部承压强度

由于在跨度中固定荷载作用处和支座反力作用处设置了支撑加劲肋，因而不必验算腹板局部承压强度。

⑶折算应力

由跨度中点截面腹板计算高度下边缘处控制，该处的正应力σ，剪应力

τ和局部压应力c σ分别为

24

6

/1.55)5500(1075.249139103.277mm N y I M x x =-??==σ 2

4

332/44.138

1075.249139105.24871069.107mm N t I VS w x x =?????==τ 0=c σ

折算应力

2

1222222/5.2362151.1/82.5944.1331.553mm N f mm N c c =?=<=?+=+?-+βτσσσσ

满足验算。 4、刚度计算 跨中最大挠度

[]满足验算。,26400

97.5)

91.218(1075.24913910206384103005)(384538453845434

444mm l

v mm g q EI l EI l g EI ql v k x x k x ==<=+?????=+=+=

该梁的强度和刚度均满足要求。 5、柱截面验算

柱高5.5m ，截面尺寸为1m*1m ，为四肢格构式轴心受压柱，柱四个分支采用L70*7角钢，缀条采用L50*5角钢。

2696.37424.94cm A =?=，x0=y0=1.99cm ，Ix1=Iy1=43.09cm4，

I1=1min=1.38cm ， （1）、构件截面计算

整个构件截面的惯性矩和回转半径分别为：

y x x I cm y b A I I ==-+=-+

=4220187060])99.12

100

(424.909.43[4])2(4[4 y x x i cm A I i ====

06.48696

.3787060 采用单缀条体系，缀条试选等边角钢1L50*5：面积At=4.803cm2，最小回转半径为iv=0.98cm 。

刚度和整体稳定性

43.2106

.481030

0===

=x x x y i l λλ 换算长细比

[]15082.24803

.42696

.374043.2140

21200=<=?+=+==λλλλx x x y A A ，

满足要求 由82.2400==x y λλ，查表得957.0=?

2223

/215/85.2910

696.37957.01069.107mm N f mm N A N =<=???=?，满足要求。 角钢外伸边局部稳定性

482.9235

235

)82.241.07(86.778770=?+<=--=--='t r t b t b ，满足要

求。

所选截面满足条件，故本设计满足要求。

1.2.6 排水

宝林寺隧道两条单洞纵断面从南向北设计均为单向上坡，只需使用小型污水泵抽排掌子面的局部积水；隧道内排水主要来自施工用水和地下渗水，排水措施利用隧道掘进方向为上坡优势，引排水至拱脚两侧预留的纵向侧式排水沟槽，由预留沟槽排水至出洞口，使洞内污水排至洞外污水处理池，处理后再排入路基边沟。

1.2.7 弃渣场

隧道洞渣共15万m 3，设计利用12.7万m 3，其余弃渣部分弃在设置在K89+500右侧的弃渣场，弃渣场按设计要求设置挡墙及排水系统；排水系统包含原地表以下排水盲沟及弃渣场周边截水沟，挡墙为护脚墙，挡墙以上弃渣按要求分台阶堆弃，堆弃过程分层碾压，并设置斜坡面，坡率不大于1:1.5。

1.3 洞口工程 1.3.1 施工工艺流程

图5-3 洞口施工工艺流程图

1.3.2施工工艺

⑴测量放样

根据复测导线及高程成果，结合现场地形实际情况，放出洞顶截水沟及边仰坡开挖线。

⑵洞顶截水沟

洞顶截水沟位置根据测量放样布设，采用人工开挖和人工砌筑，自低处向高处分段开挖和砌筑，并根据现场实际情况进行分段，分段长度应根据天沟坡度确定，一般情况下为15～20m。必须在边仰坡施工前完成，确保坡面稳定。截水沟的两端排水排入路基边沟或排水沟，再排入线外水系中。

⑶边坡开挖、支护

洞口边仰坡开挖根据测量放样位置采用机械辅助开挖、人工修坡的方式进行。开挖自上而下进行，分层开挖（层高2～3m），并每层检查坡度。挖掘机开挖后预留20～30cm进行人工修坡，清除虚土。对于边坡土层较硬的围岩采用人工手持风镐进行凿除。

边仰坡应边开挖边支护，及时施工φ22砂浆锚杆，挂设φ8钢筋网片（网格间距20cm×20cm）和喷C25混凝土，喷射厚度8cm，进行边仰坡加固，保证边坡稳定，为安全进洞创造条件。

⑷明洞及洞门施工

根据“早进洞、晚出洞”的原则，隧洞进口左、右线分别设置了5m长明洞；隧道出口左、右线分别设置了30m、12m明洞。明洞采用衬砌台车整体浇筑，外侧铺设防水卷材及土工布防水，上部回填土石，表层采用粘土隔水，并植草种灌木绿化。

在明洞施工完后，安排合理时间进行洞门施工。洞门采用C30混凝土端墙式洞门，采用大块组合钢模板，泵送入模，一次整体浇筑成型。

端墙式洞门施工工艺流

程图

⑸进洞施工

根据设计图纸及现场实际情况，本隧道采用套拱配合长管棚进洞方式。

1.4超前地质预报

隧道施工阶段应加强隧道洞身的超前地质预报工作以指导动态设计。施工中应安排有经验的地质技术人员严密注意围岩开挖情况，通过各种超前探测手段（主要方法有超前水平钻探法、声波探测法、地震波探法（TSP）等），预测开挖工作面前方几米至几十米的围岩工程地质和水文地质条件，结合掘进中的地质条件的变化，及时提出预报，以便有准备地做好各种预防和施工措施，保证隧道施工的顺利进行。

1.4.1超前地质预报主要内容

⑴对照勘测阶段的地质资料，预测地质条件的变化对施工的影响程度。

⑵洞口可能出现的滑坡、坠石等现象：隧道浅埋地表出现下沉或裂缝时。应预报其对隧道稳定和施工的影响程度。

⑶可能出现的塌方、滑动影响施工时，预报其部位、型式、规模、发展趋势，并提出处理措施。

⑷隧道将要穿过不稳定岩层、较大断层时，预报其具体位置、型式、规模、发展趋势，提请施工部门改变施工方法或做应急预案。

⑸预报可能出现突然涌水、涌泥地点，涌水量、涌泥量和地下水泥沙含量对施工的影响。

⑹岩体突然开裂或原有裂隙逐渐加宽时，应预报其危害程度。

⑺在位移量测中发现位移变形速率加快时，应预报其对隧道稳定和施工的影响程度。

⑻预报由于施工不当，可能造成围岩失稳的方式、后果，并提出改进措施。

1.4.2超前地质预报方法

⑴施工阶段地质调查

隧道施工中，根据对已开挖地段的地质调查，可推测前方地质条件。调查工

作有：隧道（包含导坑）开挖面的地质素描、岩体结构面调查和涌水观测。

①隧道（包含导坑）开挖面的地质素描

一般情况只做开挖工作面和一侧边墙的地质素描；地质条件复杂或特殊地段，做隧道（包含导坑）的地质展示图，具体内容如下：

岩性、地质时代、岩层产状、软弱夹层、岩脉穿插情况；

断层及破碎带的形态、产状、宽度及充填物特征；

主要节理的形态、产状、规模及相互切割关系；

地下水出水点，地下水出露情况（湿渗、涌、流），水量大的部位应标明具体数据；

岩溶位置、形态、大小；

围岩内鼓变形部位和地段；

不稳定岩块的位置、形态、范围、坍塌掉块部位和地段、范围；

围岩的工程地质分段（或岩组划分）、岩体结构类型、岩体完整性、岩体物理力学和变形等测试数据及围岩级别等，应尽可能标在地质展示图上，不能标明者可在说明表上说明。

②岩体结构面调查

岩体结构面调查，应在查明围岩体的结构特征（包括岩体结构类型、结构面形态及结构面组合关系）的基础上，分析评价围岩的稳定性，从而进行地质预报。

⑵施工地质探测

施工地质探测是预测隧道开挖工作面前方围岩的工程性质和水文地质条件较可靠的方法，有坑探、钻探、物探等方法。

①坑探

对地质条件复杂的位置，采用超前导坑进行探测。根据导坑开挖揭露的围岩地质情况，预测隧道开挖工作面前方相应地段围岩的工程地质和水文地质条件。

②钻探（超前水平岩芯钻探、开挖工作面上的浅孔钻探）

通过超前水平取芯的方法，了解前方围岩地质情况。在钻进过程中，应避免钻头发生偏移而导致探测结果误差。

利用开挖工作面上的炮眼或探水孔、声波探测孔的钻进情况来探测了解围岩地质情况。在钻进过程中，通过钻进的时间、速度、压力、成分以及卡钻、跳钻

等和岩性、构造性质及地下水等情况，掌握地质条件，判断开挖工作面前方围岩的地质情况。

③物探

a 长距离地质信息预报：主要采用TSP探测仪一次性预报出掘进方向20m～200m的地质信息。

b 短距离超前地质预报：采用SIR-2000地质雷达，跟随着隧道的开挖作业，对掌子面进行20m左右的地段进行地质信息预报。

具体超前地质方法详见《超前地质预报专项实施方案》

1.5洞身开挖

洞身开挖根据围岩级别采取不同的开挖方式。隧道为一般小净距隧道，采用左右洞错开进洞；设计要求在先行开挖洞室的衬砌前进端头距离与后行洞室开挖掌子面≥40m，开挖后行洞室时需根据监控量测提供围岩变形数据来调整开挖支护参数。施工方案以“保护围岩，内实外美，注重环保，动态施工”为原则。

根据本隧道设计工程地质评价情况隧道开挖方法为：Ⅳ级围岩采用上下台阶开挖；Ⅴ级围岩洞口浅埋段采用人工配合机械开挖，进洞口地段围岩整体性好，干燥无渗水的采用环形开挖预留核心土进行开挖；在开挖后如揭露围岩破碎、潮湿渗水的条件下将采用可CRD法进行开挖。

施工工艺见图5-6。

开挖台架制作，台架周边设置可拆卸式临边防护，并配有照明装置，开挖台架按门型钢架计算，台车高4.85m，宽4m，则

λ=l/h=4.85/4=1.215

k=hI2/lI1=1.171

μ=3+2k=5.343

对于台车上铺钢筋网后可将荷载简化为均布荷载，通过查表得：18工字钢截面积为34.68cm2,重24.143kg/m,wx:250.2cm3.

M=ql2/(4μ)=0.573q

取最弱构件最小容许应力计算 [σ]=150Mpa

[σ]= M/w=150

q≤3.63KN/m

根据钻爆设计台车顶部操作人员为9人，计算重量为9*150/3.5=1.65KN/m,符合要求。

图5-6 洞身开挖施工工艺流程图

1.5.1隧道爆破设计

⑴根据围岩特点，合理选定周边眼的间距E、最小抵抗线W和炮眼深度L，辅助炮眼交错均匀布置，周边炮眼与辅助炮眼眼底在同一横断面上，掏槽炮眼加深15cm。

⑵严格控制周边眼的装药量，尽可能将药量沿眼长均匀分布，同步起爆。

⑶爆破参数计算公式：

①单循环爆破总用药量Q=qV,

Q：一个爆破循环的总用药量，kg；

q：爆破每立方米岩石所需炸药的消耗量，主要取决于围岩级别、临空面数目、断面大小。Ⅳ级围岩上导坑开挖q=1 kg/m3，下导坑q=0.7 kg/m3；Ⅴ级围岩开挖q=0.6 kg/m3。

V：一个循环进尺所爆落的岩石体积（紧方），m3，V=S×L

L：设计进尺＝炮眼深度×炮眼利用率（取0.9）。施工中Ⅲ级围岩开挖L=3m；Ⅳ级围岩开挖L=2m；Ⅴ级围岩开挖L=0.8m。

S：开挖断面面积

②炮眼数量N=QS/XR

N：炮眼数量，不包括不装药的空孔眼数。

Q：单位炸药消耗量，一般为0.6～1.2kg/m3，硬岩取最大值，软岩取最小值。

S：开挖断面面积。

X：装药量系数（计算装药系数），即装药长度与炮眼全长的比值。

R：每米药卷的炸药质量，2#岩石乳化炸药约1kg/m，直径为φ32。

⑷采用毫秒差有序起爆，使光面爆破具有良好的临空面。

⑸爆破网络采用串联，接头拧紧，明线部分包裹绝缘层；常规采用串并联结合复式网络。装药结构图见图5-7。

⑹采用绝缘母线单回路爆破，母线与洞内电缆线、电线和信号线分别在隧道两侧。

⑺炮眼深度小于0.9米，装药长度不大于深度的一半，炮眼深度大于0.9米，装药长度小于炮眼深度2/3。炮眼剩余部分用水炮泥或黏土炮泥封堵，不准采用块状材料或其它可燃材料做炮泥。

⑻采用2#岩石乳化炸药、非电毫秒雷管、电雷管和导爆索。

加强药卷

掏槽眼：

辅助眼：

周边眼：

图5-7 装药结构图

1.5.2Ⅳ级围岩开挖

（1）开挖程序

Ⅳ级围岩采用台阶法开挖，开挖程序见图5-8。图5-8 Ⅳ级围岩采用台阶法施工程序图

（2）作业循环

Ⅳ级围岩采用台阶法开挖钻爆设计按1.5m，开挖每循环进尺1.0m，每个循环12小时，每天平均进尺2.0m，每月可完成60m。具体循环时间见表下表。

Ⅳ级围岩台阶法开挖循环时间表

（二）爆破方法

⑴掏槽眼：采用斜眼楔形掏槽，眼深2.0～2.5米，倾斜角度45～60度，眼底间距b取20厘米，眼口水平距离B取5米，相邻两排眼间距30厘米。

⑵周边眼间距E：一般情况下E＝（12～15）d，其中炮眼直径D＝40毫米，周边眼间距35～50厘米。

⑶最小抵抗线W（光面层厚度）取值在13～22d范围内，且遵循W≥E的原则，周边眼密集系数K＝E/W＝0.7～1.0，一般取W值40～60厘米。

⑷装药结构：采用不连续反向间隔装药，不耦合系数为 1.25，周边眼单孔装药结构为：眼底1根药卷，中间1根，孔口以里20厘米处0.5根，均为φ32毫米－200g 2#岩石乳化炸药药卷。装药数量表见表5-2、表5-3。

表5-2 Ⅳ级围岩上台阶开挖装药数量表

表5-3 Ⅳ级围岩下台阶开挖装药数量表

⑸洞身开挖顺序：上台阶开挖→左边墙开挖→右边墙开挖→仰拱开挖。炮眼布置见图5-9。

mm钢管

图5-10 Ⅳ级围岩炮眼布置图

1.5.3Ⅴ级围岩开挖

Ⅴ级围岩洞口浅埋段采用人工配合机械开挖，在围岩地质干燥，无渗水，整体性状况良好时，采用环形开挖预留核心土进行开挖。

（一）三台阶工步法开挖

（1）开挖程序

除进口浅埋段外的Ⅴ级围岩采用留核心土三台阶七步法开挖施工，采用人工风镐开挖，局部采用爆破处理。见图5-11。

图5-11 Ⅴ级围岩留核心土三台阶七步法施工程序图

Ⅱ

7

Ⅶ6-1Ⅳ

1

11

4

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Ⅴ

6-26-3325Ⅲ

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