隧道洞身开挖工程施工方案

隧道洞身开挖工程施工方案

6.1 洞身开挖方案的选择

根据围岩级别及周边环境采取多种开挖方法：

正洞洞身Ⅳ级围岩采用台阶不留核心部分部开挖，Ⅲ级围岩段采用全断面开挖。

Ⅲ级围岩采用光面爆破工艺开挖，多功能作业台架配合风动凿岩机钻孔，塑料导爆管微差毫秒雷管起爆,循环进尺2.2m；Ⅳ级围岩台阶法施工地段,上台阶先采用光面爆破开挖。下台阶风钻钻孔，人工装药，非电毫秒雷管微差控制爆破，循环进尺2.25m；形成超前支护、开挖、初期支护、仰拱填充、二次衬砌、附属工程均衡生产、整体推进的施工格局，断层破碎带及其影响带地段初期支护及时成环，根据围岩量测结果及时施作二次衬砌。

6.1.1 上下台阶不留核心部开挖

首先进行上半断面开挖，并及时施作初期支护；再进行下半断面开挖，并及时进行初期支护；最后进行仰拱混凝土及二次衬砌。下半断面施工20～25m后施做仰拱。根据围岩量测信息确定合理的衬砌时间，衬砌后根据施工进度需要施做水沟电缆槽。

上台阶支架式风钻钻孔，光面爆破开挖。下台阶支架式风钻钻孔，人工装药，非电毫秒雷管微差控制爆破，光面开挖爆破施工完毕后，初喷混凝土封闭围岩。待混凝土初凝后，按设计的支护参数施作中空注浆锚杆。锚杆安装完毕，在锚杆外端挂设钢筋网片，复喷混凝土达到设计厚度。开挖爆破后，采用挖掘机配合装载机装碴，自卸汽车运输。台阶法施工工艺流程图见图6-1。

6.1.2 全断面开挖

全断面光面爆破法施工采用多功能作业台架配合风动凿岩机钻孔，砼喷射机械手、湿喷机湿喷混凝土。采用挖装机装碴。施工中合理调整工序，实行“钻爆、装碴、运输”机械化一条龙作业。围岩稳定性好时复喷混凝土作业与钻爆作业拉开距离平行作业。

全断面施工工艺流程图见图6-2。

图6-1 台阶法施工工艺流程图

图6-2 全断面施工工艺流程图

6.2 爆破工程

6.2.1 钻爆设计

隧道开挖前，应根据工程地质条件、开挖断面、开挖方法、掘进循环进尺、钻岩机具和爆破器材等做好钻爆设计，合理地确定炮眼的布置、数目、深度、装药量和装药结构、起爆方法、起爆顺序，安排好循环作业等以确定指导钻爆施工，达到预期的效果。

此隧道为全长876m的单线隧道，最大埋深约87.0m，左侧距既有太岚线最近线间距约为14m，所以要根据爆破震动的安全距离，选择合适的爆破参数进行爆破。

1 炮眼的种类和作用

按用途不同，将工作面的炮眼分为三种

a 掏槽眼

针对隧道开挖爆破只有一个临空面的特点,为提高爆破效果,宜先在开挖断面的适当位置布置几个装药量较多的炮眼。其作用是先在开挖面上炸出一个槽腔，为后续炮眼的爆破创造新的临空面。

位置:断面中央偏下,便于掌握打眼方向、其它炮眼借助自重崩落；尽可能布置在软弱岩层中。

掏槽方式：采用楔形掏槽，其炮眼与工作面夹角为55°～70°，每侧眼竖向间距取300mm～500mm，横向水平间距600mm～1100mm，每对眼底间距100mm～200mm，不能打透。

装药量：装药系数0.7～0.8。装药结构：反向耦合连续装药结构，深度比其他炮眼加深200mm。

b 辅助眼

位于掏槽眼和周边眼之间的炮眼称为辅助眼，其作用是扩大掏槽眼炸出的槽腔，为周边眼爆破创造临空面。布置：均匀布置，间距500～700mm，装药量：装药系数0.45～

0.6。

c 周边眼

沿隧道周边布置的炮眼。要严格控制爆破参数，尽量减少超挖欠挖现象。布置：

W

E

m =

……………… （6.1） 式中 m ——炮眼密集系数，一般取0.6～1.0 E ——周边眼间距，一般取350mm ～600mm W ——最小抵抗线，400mm ～650mm

装药集中度：软岩：70～120g/m;中硬：200～300g/m ；硬岩300～350g/m d 底眼布置

1)底眼间距一般400～700mm ，抛碴爆破时，采用较小的间距

2)底眼眼口应比巷道底板高出150～200mm 但其眼底应低于底板100～200mm 3)装药满度系数为0.5～0.7。 2 隧道爆破的参数设计

a 炮眼数目的确定

1)通过计算确定炮眼数目：以总装药量与单个炮眼装药量之比来计算

)(r n qS N ?= ……………… （6.2）

式中 N ——炮眼数目（个）

q ——爆破单位炸药消耗量，见表6-1 S ——开挖断面积（m 2） n ——炮眼装药系数，见表6-2

r ——炸药的线装药密度（kg/m ），见表6-3。

表6-1 单位炸药消耗量q 值

表6-2 炮眼装药系数n

2)查表确定炮眼数目N。查一些经验数据，列于表6-4。该表适于炮眼直径32-50mm 的爆破，不装药炮眼未予计入。当采用小直径炮眼或大直径炮眼时，炮眼数目上相应增减。

表6-4 炮眼数目N参考值

b 炮眼布置

炮眼布置根据围岩特点合理选择周边眼间距及周边眼最小抵抗线，辅助炮眼交错均匀布置，掏槽眼加深10%～20%。

根据炮眼布置的原则，先布置掏槽眼，然后根据地质情况及开挖断面的大小均匀布置辅助眼和周边眼。断面较大时，可根据上稀下密、周边适当加眼、中部均匀分布的原则布置辅助眼和周边眼。具体布置要求和方法如下：

合理的炮眼布置应能保证：

1)有较高的炮眼利用率；

2)先爆炸的炮眼不会破坏后爆炸的炮眼，或影响其内装药炮轰的稳定性；

3)爆破块度均匀，大块率少；

4)炮堆集中，飞石距离小，不会损坏支架或其他设备；

5)爆破后断面和轮廓符合设计要求，壁面平整并能保持围岩本身的强度和稳定性。

炮眼布置方法和原则：

1)工作面上各类炮眼布置是“抓两头、带中间”。即首先选择适当的掏槽方式和掏槽位置，其次布置好周边眼，最后根据断面大小布置崩落眼。

2)掏槽眼布置会影响岩石的抛掷距离和破碎块度，通常布置在断面的中央偏下，并考虑崩落眼的布置较为均匀。

3)周边眼一般布置在巷道断面轮廓线上。按光面爆破要求，个炮眼要相互平行，眼底落在同一平面上。底眼的最小抵抗线和炮眼间距通常与崩落眼相同，为保证爆破后在隧道底板不留“根底”，并为铺轨创造条件，底眼眼底超过底板轮廓线。

4)布置好周边眼和掏槽眼后，再布置崩落眼。崩落眼是以槽腔为自由面而层层布置的，均匀地分布在被爆岩体上，并根据断面的大小和形状调整好最小抵抗线和邻近系数。

c 炮眼直径

1)大小直径炮眼的比较。

采用大直径炮眼（直径50～70mm）能提高掘进速度。一般之适合于石质较好的隧道大断面开挖，并采用重型凿岩机和大型装渣机是采用。小直径炮眼（直径20～40mm）是在采用轻型高频凿岩机和优质凿岩工具配以高威力炸药的基础上发展起来的。采用小直径炮眼，可提高凿岩速度，不仅开挖轮廓线整齐，减轻了对魏延的破坏，并减少了炸药、钢钎、硬质合金钻头等材料，以及动力的消耗。

2)确定炮眼直径的原则

在一定的掘进条件下，能达到较高的炮眼利用率。

在掘进循环中，使钻眼、装药、爆破、装渣、支护等所用的时间最少。

爆下的石渣符合装渣要求。

开挖断面符合要求，围岩稳定。

功效高、材料消耗少。

应考虑与炸药包的直径响匹配。

d 炮眼深度

1)炮眼深度的有关影响因素

炮眼深度决定了一个循环的钻眼、装渣工作量、循环时间以及施工组织和掘进速度。一般随着掘进速度的提高，炮眼深度也相应的加深。若施工组织与循环时间要求增大炮眼深度时，为避免炮眼利用率下降，应适当改进掏槽形式和增大炸药用量。

2)炮眼深度的确定

①经验值。对于光面爆破的掘进，合理炮眼深度L 在1.5～2.5m 的范围内比较合适。 ②用经验公式计算。采用垂直契形掏槽时，按开挖断面宽度决定：

B L )8.0~5.0(=……………… （6.3）

式中 B ——开挖断面宽度（m ） ③按任务要求确定

η

c t m n n tn L

b =

1………………… （6.4）

式中 lb ——炮眼深度（m ） L ——隧道全长（m ）

t ——规定完成隧道掘进任务的时间（月） nm ——每月工作日数 nt ——每日工作班数 nc ——每班循环数 η——炮眼利用率 ④按循环组织确定

在一个掘进循环中包括的工序有：打眼、装药、连线、放炮、通风、装岩、铺轨和支护等。其中打眼和装岩可以有部分平行作业时间，铺轨和支护在某些条件下也可与某些工序平行作业。所以，可以根据完成一个循环的时间来计算炮眼深度。

e 炮眼利用率

炮眼利用率是合理选择爆破参数的一个重要准则。炮眼利用率区分为：个别炮眼利

用率和全断面炮眼利用率。

个别炮眼利用率 =

炮眼长度

炮窝长度

炮眼长度

全断面的炮眼利用率 =

炮眼深度

每次循环的工作面进度

试验表明，单位炸药消耗量、装药直径、炮眼数目、装药系数和炮眼深度等参数对炮眼利用率的大小产生影响。掘进的较优炮眼利用率为0.85～0.95。

f 装药量

1) 单位炸药消耗量q 值的确定

爆破每立方米原岩所消耗的炸药量称为单位炸药消耗量，通常以q 表示。单位炸药消耗量不仅影响岩石破碎块度、岩块飞散距离和爆堆形状，而且影响炮眼利用率、隧道轮廓质量和围岩的稳定性等。

炮眼深度对单位炸药消耗量的影响系数，见表6-5。

表6-5 炮眼深度对单位炸药消耗量的影响因素

在实际施工中，选定q 值可以根据经验公式或参考国家定额标准来确定，但所得出的q 值还需在实践中作协调整。

①单位炸药消耗量的确定

参照国家统一规定的定额确定，见表6-6。

表6-6 单位炸药消耗量表

②单位耗药量的计算

修正的普尔公式，该公式具有下列的简单形式

S

f

k

q/

1.1

=………………（6.5）式中 q——单位炸药消耗量（kg/m3）

f——岩石坚固性系数，或称普尔系数

S——隧道掘进断面（m2）

k

0——考虑炸药爆力的校正系数，k

= 525/p，p为爆力（ml）。

③总装药量的计算

确定了单位炸药量后，根据每一

η

qSL

qV

Q=

=………………（6.6）式中 V——每循环爆破岩石体积（m3）

S——隧道掘进断面（m2）

L——炮眼深度（m）循环爆破的岩石体积，计算出每循环所用的总药量

η——炮眼利用率，一般取0.8～0.95。 2)炸药量的分配

炸药量的分配可根据表6.2炮眼装药系数进行。当采用直眼掏槽时，掏槽眼可适当增加10％～20％，以保证掏槽效果。掏槽眼爆破条件最困难，分配较多，崩落眼分配较少。在周边眼中，底眼分配药量最多，帮眼次之，顶眼最少。分配完后，按装整卷药或半卷药的档次进行调正，以便于装药施工。

g 爆破震动的安全距离

由于地震波的传播过程非常复杂，影响因素也很多，很难从理论上进行精确地计算，一般都是由试验或经验公式计算。

31

1

Q v k R ???

?

??=α·31

Q ……………… （6.7）

式中 v ——最大振速幅值，cm/s ，取v =15cm/s k ——岩石传震特征参数，此处取150

α——岩石传震特征参数，或震动传播衰减系数见表6-7,此处取1.5 Q ——单段计算起爆药量，kg

R ——计算点到爆源中心距离，m ，经计算R ＞15m 。 h 起爆顺序

只有起爆顺序正确才能达到理想的爆破效果，正确的起爆顺序是：先爆破的炮眼为后继爆破的炮眼减少岩石的夹制作用和增大自由面，创造更好的爆破条件。为了保证准确的按设计顺序起爆，应选用毫秒电雷管和非电毫秒雷管起爆。

表6-7 爆区不同岩性的k 、α值

6.2.2 钻爆施工

本标段采用光面爆破，Ⅲ级围岩采用全断面开挖，Ⅳ级围岩采用台阶法开挖。因左侧距既有太岚线最近线间距约为14m，所以要严格控制装药量及按照光面爆破设计施工，减少炮轰波对围岩的扰动，以免破坏既有线，也达到爱护围岩的目的。采用人工风动凿岩机钻眼，非电毫秒雷管微差起爆。

为了保证围岩稳定性和施工安全性，进行爆破施工时必须采用光面爆破，光面爆破和普通爆破相比有以下优点：

1 爆破后隧道成型规整，符合设计要求，减少掘进超挖量；

2 隧道围岩受爆破震动小，保持了围岩的完整和稳定性，从而增加了围岩的自身承载力，有利于采用锚喷支护；

3 爆破后较少出现“危石”，有利于安全作业；

4 炸药消耗量减少，但钻眼工作量有所增加，钻眼与爆破操作质量要求高。

光面爆破需满足的条件为：

1 岩石上留下具有均匀眼痕的周边眼数目不应小于总数的一半；

2 超挖尺寸不得大于150mm，欠挖尺寸不得超过质量标准规定；

3 岩石上不应有明显的炮震裂缝。

1 施工工艺

光面爆破受多种因素影响，包括围岩强度、整体性、节理、层理等地质因素，现场围岩地质结构千变万化，爆破参数进行现场设计动态调整。同一类围岩经试爆取得的技术参数，做为初步依据，每一循环爆破作业都要由有经验的爆破工程师根据上一循环爆破效果，以及本循环围岩特征进行适当调整，选择一组最佳技术参数。上一循环是下一循环的预设计和试爆破。

2 工艺要点

整个钻孔过程，可分为准备、定位、开口、拔杆、移位五步。

准备：开工前准备工作做到“四查”。即：查钻机的运转及钻机油管各部件；查水电及管路连接部位是否牢固；查钻头钻杆等配件是否备全；查易耗材料、器材是否有充分的备用量。

定位：在掌子面画出各炮孔位置及中线和高程十字线，确定钻孔范围，并明确钻孔

先后次序。

开口：开口时缓慢推进，并注意钻头方向与隧道中线的夹角是否符合设计外插角。

拔杆：在整体性好的石质可中速较慢拔出；如遇破碎岩石卡钎时，应慢慢来回推进，使之拔出；如拔杆困难，再靠近该钻位重新钻眼，使之拔出。

移位钻孔：钻好一个炮孔进行下一炮孔钻进时，要做到“准、顺、平、齐”。准：按周边孔参数要求，孔位要选准；顺：侧墙孔孔口要顺开挖轮廓线布置，使孔底均位于开挖允许的超欠范围内；平：各炮眼相互平行（孔口和孔底距相等）；齐：孔底要落在同一平面上，爆出的断面要整齐，便于下一循环作业。

保证钻孔质量措施：光爆钻孔时，由爆破设计技术员统一指挥协调行动，认真实行定人、定位、定机、定质、定量的“五定”岗位责任制；分区按顺序钻孔，避免相互干扰、碰撞、拥挤；固定钻孔班，以便熟练技术，掌握规律，提高钻孔的速度和准确性。

钻眼爆破工作必须严格按《铁路隧道施工规范》、《铁路工程技术规范》、《铁路工程施工安全技术规程》、《铁路隧道设计规范》有关规定执行，一般应注意以下事项：

1)开眼时必须使钎头落在实岩上，如有浮矸，应处理好后再开眼；

2)不允许在残眼内继续钻眼；

3)开眼时给风阀门不要突然开大，待钻进一段后，在开大风门；

4)为避免断钎伤人，推进凿岩机不要用力过猛，更不要横向用力，凿岩时钻工应站

稳，应随时提防突然断钎；

5)一定要注意把胶皮风管与风钻接牢，并在使用过程中随时注意检查，以防脱落伤人；

6)缺水或停水时，应立即停止钻眼；

7)工作面全部炮眼钻完后，要吧凿岩机具清理好，并撤至规定的存放地点。

3 安全注意事项：

1)装药前应检查顶板情况，撤出设备与机具，并切断除照明以外的一切设备电源。照明灯及导线也应撤离工作面一定距离；

2)放炮母线要妥善地挂在巷道的侧帮上，并且要和金属物体、电缆、电线离开一定距离；装药前要试一下母线是否导通；

3)在规定的安全地点装配引药(起爆药卷)；

4)装药时要细心地将药卷装到眼底，防止擦破药卷、装错雷管段号、拉断脚线。有水的炮眼，尤其是底眼，必须使用防水药卷或药卷加防水套，以免受潮拒爆；

5)装药、联线后应有放炮员与班长、组长进行技术检查，并做好放炮前的安全布置；

6) 放炮后要等工作面通风散烟后，放炮员率先进入工作面，并经检查认为安全后方能进行工作；

7) 发现哑炮应及时处理，如哑炮是有联线不良或错联所造成，则可重新联线补爆；如不能补爆，则应在距在与原炮眼0.3m外钻一个平行的炮眼，重新装药放炮，严禁手拉或掏挖瞎跑；

8) 产生瞎跑将意味着有潜在的危险，应在装药前严格检查爆破器材。装、联过程中应严格操作和检查，尽量消除产生瞎跑的可能。

6.2.3 全断面法施工

1 掏槽形式的确定

从有关隧道爆破开挖质点振动速度的观测中发现：一般情况下，掏槽爆破的地震强度比其他部位炮眼的地震动强度都要大。因此，从减小掏槽爆破强度的地震动强度出发，本隧道采用斜眼垂直楔形掏槽。

2 爆破器材的选定

根据目前市场供应条件及本隧的实际情况，选用2#岩石硝铵炸药，规格直径×长度×重量为Ф32×200mm×150g。雷管采用1～15段塑料导爆管非电毫秒雷管，电雷管侧向引爆。

3 确定炮眼直径

根据炸药规格，选用32mm钻孔直径。

4 确定炮眼深度

根据循环进尺长度。除掏槽眼外，其余眼均采用循环进尺长度即2.5m，掏槽眼约为循环进尺的110%～120%采用2.7m。

5 炮眼数目

单位面积钻眼数为1.5～4.5个/㎡。具体根据下式计算：

N?

=………………（6.8）

)

qS

n

/(r

式中 N——炮眼数目，个；

q——单位炸药消耗量，Kg/m3，本隧道采用1.2；

L——炮眼深度，m，本隧掏槽眼采用2.7m，周边眼和辅助眼采用2.5m；

n——炮眼装药系数，一般为0.5-0.7，本隧道一律采用0.6；

r——炸药的线装药密度，kg/m，2#岩石硝铵炸药Ф32采用0.78；

S——开挖断面积，本隧41.202 m2；

依据上式，可计算出结果如下：

N=123个

本数据仅为理论计算数据实际布置时可适当调整。

6 炮眼布置

布置炮眼主要是首先应确定炮眼间距，可根据下式计算

W

1.1(

=………………（6.9）

A)8.1

~

式中 a——炮眼间距，mm；

W——抵抗线，mm ，W=（15—25）d；

d——炮眼直径，mm；

本式仅为理论参考公式，实际布置时可适当调整。

原则上应先布置掏槽眼、周边眼，然后是底眼、内圈眼、最后布置掘进眼，掘进眼均匀布置即可。

1) 布置掏槽眼、扩槽眼：采用标准布置法，设置3对掏槽眼;

2) 布置周边眼：周边眼参数经验计算式如下：

间距：d

=（d为炮眼直径），本隧道采用400mm；

8(

E)

12

~

抵抗线：E

=，本隧道采用600mm；

0.1(

~

W)5.1

装药集中度：r = 0.04～0.19Kg/m，

3) 布置底眼：底板眼均匀布置间距采用70cm；

4) 布置内圈眼：通常内圈眼比掘进眼密一些，比周边眼稀一些，内圈眼间距为周边眼间距的1.5-2倍左右，故此内圈眼间距采用75cm。

5) 布置掘进眼：均匀布置采用90cm和100cm；

6) 一次爆破总装药量的计算：依据下式

η

=………………（6.10）

Q=

qV

qSL

式中 q——单位炸药消耗量，Kg/m3，根据经验数据本隧道采用1.2；

V——每循环爆破岩石体积（m3）

S——隧道掘进断面（m2），本隧道为41.202m2

L——炮眼深度（m），本隧掏槽眼采用2.7m，周边眼和辅助眼采用2.5m；

η——炮眼利用率，一般取0.8～0.95。

根据上式可计算出上断面总装药量为120Kg。

以上仅为理论计算值，实际布置时可根据炮眼装药量适当调整。

7 单眼装药量的计算

炮眼所处的位置不同，所起的作用不同。掏槽眼要求抛掷，掘进眼要求松动，周边眼要求光面爆破，底板眼要求小面积抛掷，所以各部位炮眼装药量是不同的。

图6-4 全断面爆破炮眼布置图

全断面法爆破炮眼布置图见图6-4；爆破原始条件见表6-5；爆破预计爆破效果见表6-6；爆破炮眼药量分配表见表6-7；

表 6-5 爆破原始条件

表6-6 爆破预计效果表

表6-7 爆破炮眼药量分配表见表

6.2.4 台阶法施工

台阶法爆破炮眼布置图具体如下图6-8；爆破原始条件见表6-9；爆破主要经济技术指标见表6-10；爆破炮眼药量分配表见表6-11；

台阶法爆破炮眼布置图 6-8

表6-9 爆破原始条件表

表6-10 爆破主要经济技术指标表

表6-11 爆破炮眼药量分配表

6.3 出渣运输

出渣是隧道施工的辅助作业之一。出渣作业能力的强弱，决定了它在整个作业循环中所占时间的长短（一般在40%～60%），因此，出渣运输作业能力的强弱在很大程度上影响施工速度。

在选择出渣方式时，应对隧道的开挖断面的大小、围岩的地质条件、一次开挖量、机械配套能力、经济性及工期要求等相关因素综合考虑。

出渣作业可以分解为：装渣、运渣、卸渣3个环节。

装渣就是把开挖下来的石渣装入运输车辆。

装渣的方式采用机械装渣。装渣机械的类型很多，隧道施工中常用的装渣机有：翻斗式装渣机、蟹爪式装渣机、立爪式装渣机、挖斗式装渣机、铲斗式装渣机。

隧道施工的洞内运输(出渣和进料)方式分为有轨式和无轨式，应根据隧道施工长度、开挖方法、机具设备、运量大小等选用运输方式。