湖北水利水电职业技术学院 教 师 授 课 教 案 课程名称：水利水电工程施工技术 200 年至200 年第 学期第 38 次课 授课班级： 03级水工 编制日期： 年 月 日 课题（章节）： 第十章 隧洞工程  10.1 隧洞开挖  传授主要知识点：  开挖方式、炮孔布置及装药量计算、钻爆循环作业、循环作业施工组织  传授主要技能点：  了解隧洞的施工内容和程序、特点 （2）掌握隧洞开挖方法。  掌握隧洞开挖方法  教学步骤安排： 1、复习上节课内容  2、讲述隧洞开挖程序、特点及施工方法  3、小结本次课内容    授课方式： 1、课堂讲授  2、多媒体演示   3、介绍典型的施工实例  教学手段：  板书、多媒体、相关施工图片  作业布置情况：  利用课后习题进行练习，巩固知识，补充习题。    课后分析与小结：           第11章 隧洞施工 隧洞开挖 一、开挖方式 隧洞开挖方式有全断面开挖法和导洞开挖法两种。开挖方式的选择主要取决于隧洞围岩的类别、断面尺寸、机械设备和施工技术水平。合理选择开挖方式，对加快施工进度，节约工程投资，保证施工质量和施工安全意义重大。 （一）全断面开挖法 全断面开挖法是将整个断面一次钻爆开挖成洞，待全洞贯通后或待掘进相当距离以后，根据围岩允许暴露的时间和具体施工安排再进行衬砌和支护。这种施工方法适用于围岩坚固完整的场合。全断面开挖，洞内工作面较大，工序作业干扰相对较小，施工组织工作比较容易安排，掘进速度快。全断面开挖可根据隧洞断面面积大小和设备能力采用垂直掌子掘进或台阶掌子掘进，如图11-1。  图11-1 全断面开挖的基本型式 垂直掌子掘进因开挖面直立，作业空间大，当具有大型施工机械设备时，作业效率高，施工进度快。图11-2为垂直掌子掘进机械化施工示意图。  图11-2 全断面开挖机械化程序 台阶掌子掘进是将整个断面分为上下两层，上层超前于下层一定距离掘进。为了方便出渣，上层超前距离不宜超过2~3.5m，且上下层应同时爆破，通风散烟后，迅速清理上台阶并向下台阶扒渣，下台阶出渣的同时，上台阶可以进行钻孔作业。由于下台阶爆破是在两个临空面情况下进行的，可以节省炸药。当隧洞断面面积较大，但又缺乏钻孔台车等大型施工机械时，可以采用这种开挖方式。 导洞开挖法 导洞开挖法就是在开挖断面上先开挖一个小断面洞（即导洞）作为先导，然后再扩大至设计要求的断面尺寸和形状。这种开挖方式，可以利用导洞探明地质情况、解决施工排水问题，导洞贯通后还有利于改善洞内通风条件，扩大断面时导洞可以起到增加临空面的作用，从而提高爆破效果。 根据导洞与扩大部分的开挖次序，有导洞专进和导洞并进两种方法。导洞专进法是将导洞全部贯通后，再进行扩大部分开挖，有利于通风和全面了解地质情况，但洞内施工设施一般要进行二次铺设，费工费事。除地质情况复杂外，一般不采用。导洞并进法是将导洞开挖一段距离（一般为10~15m）后，导洞与断面扩大同时并进。导洞开挖法一般是在工程地质条件恶劣、断面尺寸较大、不利于全断面开挖时才采用的开挖方法。 导洞开挖，根据导洞位置不同，有上导洞、下导洞、中间导洞和双导洞等不同方式。 1、上导洞开挖法 导洞布置在隧洞的顶部，断面开挖对称进行，开挖与衬砌程序如图11-3 所示。这种方法适用于地质条件较差，地下水不多，机械化程度不高的情况。其优点是安全问题比较容易解决，如顶部围岩破碎，开挖后可先行衬砌，以策安全。缺点是出渣线路需二次铺设，施工排水不方便，顶拱衬砌和开挖相互干扰，施工速度较慢。  图11-3 上导洞开挖与衬砌施工顺序 图11-3（b）是上导洞开挖的先墙后拱法，主要特点是将隧洞全断面挖好后，再进行衬砌。此法适用于地质条件较好的情况。图11-3（a）是上导洞开挖的先拱后墙法，主要特点是上部（1、2）开挖后，立即进行顶拱衬砌，以后其它部分的开挖与衬砌均在混凝土顶拱的保护下进行，施工安全，但施工干扰大，衬砌整体性差，还需要解决马口（即隧洞边墙处支承混凝土顶拱的岩石）的开挖问题。马口开挖分对开马口和错开马口两种，如图11-4所示。  图11-4 马口开挖顺序（单位：cm） 对开马口是将同一衬砌段的左右两个马口同时开挖，随即进行衬砌，如图11-4（a）所示。为安全起见，每次开挖马口不应过长，一般以4~8m为宜。在地质条件较好，围岩与拱圈粘结较牢的条件下，采用对开马口，可以减少施工干扰，避免爆破打坏对面边墙。当围岩较松散破碎时，应采用错开马口方法，如图11-4（b）所示。即每个衬砌段的两个马口的开挖不同时进行，一个马口开挖后立即进行衬砌混凝土浇筑，待其强度达到设计强度的70%时，再开挖和浇筑另一个马口。各段马口的开挖可交叉进行。也有把隧洞顶拱挖得大一些，使顶拱衬砌混凝土直接支承在围岩上，而不需要再挖马口，如图11-5所示。  图11-5不挖马口的先拱后墙法 2、下导洞开挖法 导洞布置在断面的下部，如图11-6所示。这种开挖方法适用于围岩稳定、洞线较长、断面不大、地下水比较多的情况。其优点是：洞内施工设施只铺设一次，断面扩大时可以利用上部岩石的自重提高爆破效果，出渣方便，排水容易，施工速度快；缺点是：顶部扩大时钻孔比较困难，石块依自重爆落，岩石块度不易控制。如遇不良地质条件，施工不够安全。  图11-6下导洞开挖法施工顺序 3、中间导洞开挖法 导洞在断面的中部，导洞开挖后向四周扩大。这种方法适用于围岩坚硬，不需临时支撑，且具有柱架式钻机的场合。柱架式钻机可以向四周钻辐射炮眼，断面扩大快，但导洞与扩大部分同时并进，导洞出渣困难。 4、双导洞开挖法 双导洞开挖又分为两侧导洞法和上下导洞法两种。两侧导洞开挖法是在设计开挖断面的边墙内侧底部分别设置导洞，这种开挖方法适用于围岩松软破碎、地下水严重、断面较大，需边开挖边衬砌的情况。上下导洞法是在设计开挖断面的顶部和底部分别设置两个导洞，这种方法适用于开挖断面很大、缺少大型设备、地下水较多的情况，其上导洞用来扩大，下导洞用于出渣和排水，上下导洞之间用竖井连通。 导洞一般采用上窄下宽的梯形断面，这样的断面受力条件较好，并且可以利用断面的两个底角布置风、水、电等管线。导洞的断面尺寸应根据开挖、支撑、出渣运输工具的大小和人行道布置的要求确定。在方便施工的前提下，导洞尺寸应尽可能小一些，以便加快施工进度，节省炸药用量。导洞高度一般为2.2~3.5m，宽度为2.5~4.5m（其中人行道宽度可取0.7m）。 二、炮孔布置及装药量计算 （一）炮孔布置 开挖断面上的炮孔，按其作用不同分为掏槽孔、崩落孔和周边孔等三种。 １、掏槽孔 用于掏槽的炮孔即为掏槽孔。掏槽就是在开挖断面中间先挖出一个小的槽穴来，利用这个小的槽穴为断面扩大爆破增加临空面，以提高爆破效果。常见的掏槽孔的布置方式有楔形掏槽、锥形掏槽和垂直掏槽等，其具体布置方式和适用条件见表11-1。掏槽布置方式的选择应根据岩石性质、岩层构造、断面大小和钻爆方法等因素确定。 表11-1常用掏槽孔布置简图和适用条件 掏槽形式 布置简图 适用条件  楔形掏槽  适用于中等硬度的岩层。有水平层理时，采用水平楔形掏槽，有垂直层理时，采用垂直楔形掏槽，断面上有软弱带时，炮孔孔底宜沿软弱带布置。开挖断面的宽度或高度要保证斜孔能顺利钻进。  锥形掏槽  适用于紧密的均质岩体。开挖断面的高度和宽度相差不大，并能保证斜孔顺利钻进。  垂直掏槽  适用于致密的均质岩体，不同尺寸的开挖断面或斜孔钻进困难的场合。   在满足掏槽要求的前提下，掏槽孔的数目应尽可能少，但不宜少于2个。掏槽孔的深度应比崩落孔深15~20cm，以提高崩落孔的利用率。有时为了增强掏槽效果，在极坚硬的岩层中或一次掘进深度较大的情况下，还可以在掏槽孔中心布置2~4个直径75~100mm不装药的空孔，其深度与掏槽孔相同。 2、崩落孔 崩落孔的主要作用是爆落岩体，故应大致均匀地布置在掏槽孔的四周。崩落孔通常与开挖断面垂直，为了保证开挖面的平整，其孔底应落在同一平面上。 为了使爆后的石渣大小适中，便于装车，应注意掌握炮孔间距。如用国产2#岩石硝铵炸药，炮孔间距为软岩100~120cm、中硬岩80~100cm、坚硬岩60~80cm、特硬岩50~60cm。 3、周边孔 周边孔的主要作用是控制开挖轮廓，它布置在开挖断面的设计边线附近。周边孔的孔口距离开挖边线10~20cm，以利钻孔。钻孔时应略向外倾斜，孔底应落在同一平面上。孔底与设计边线的距离，视岩石强度而定。对于中硬岩石（坚固系数f＞4）,孔底可达设计边线；对于软岩(f≤2~4)，孔底不必达到设计边线；对于极坚硬岩石，孔底应超出设计边线10~15cm。 图11-7是隧洞开挖的炮孔布置示意图。断面开挖分为导洞开挖和扩大部分开挖。上导洞共布置了18个炮孔，其中1~4号是锥形掏槽孔，5~6号是崩落孔，7~18号是周边孔。扩大部分共布置了13个炮孔，其中19~24号是垂直崩落孔，承担掘进任务；25~31号是水平周边孔，控制开挖底边线。开挖断面底部周边孔布置比顶部要密一些，这是因为底边开挖，岩石的夹制作用大，且不能利用岩石自重来提高爆破效果。   图11-7 隧洞炮孔布置图 （二）炮孔数目和深度 隧洞开挖断面上的炮孔总数N与岩石性质、炸药品种、临空面数目、炮孔大小和装药方式等因素有关。对炮孔数目，由于影响因素多，精确计算尚有困难，施工前可采用下面经验公式估算，在爆破过程中再加以检验和修正。 N＝ 　　　　　　　　　　　　　　 （11-1） 式中　Ｋ－临空面影响系数，一个临空面取2.7，两个临空面取2.0； ｆ－岩石的坚固系数； Ｓ－开挖断面面积，m2。 炮孔深度应考虑开挖断面尺寸、围岩类别、钻孔机具、出渣能力和掘进循环作业时间等因素确定。一般情况下，加大炮孔深度后，装药、放炮、通风等工序所占用的时间将相对减少，单位进尺的速度可以加快。但是钻孔深度加大后，钻机凿岩速度会有所降低，炮孔利用率将相对减少，炸药消耗量会随之增加，一次爆落的岩石数量增加，出渣时间也相应增加。故加大炮孔深度的多少，应进行综合分析后确定。为简单起见，一个工作循环进尺深度可参照下列原则确定：当围岩为Ⅰ～Ⅲ类时，风钻钻孔可取1.2m，钻孔台车钻孔可取2.5~4m；当围岩为Ⅳ～Ⅴ类时，不宜超过1.5m。 掏槽孔和周边孔的深度可根据崩落孔的深度确定。 装药量 隧洞开挖，装药量的多少直接影响开挖断面的轮廓、掘进速度、爆落岩体的块度、围岩稳定和爆破安全。施工前可按下式估算炸药用量，并在施工中加以修正。 Ｑ＝　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（11-2） 式中 Ｑ——一次爆破的炸药用量，kg； 　　　　Ｋ——单位耗药量，kg/m3，可参考表11-2选用； 　　　　Ｓ——开挖断面面积，m2； 　　　　Ｌ——崩落炮孔深度，m。 表11-2 隧洞开挖单位炸药（2号硝铵炸药）消耗量 (单位:kg/m3) 工 程 项 目 岩 石 类 别   软岩 (f<4) 中硬岩 (f=4~10) 坚硬岩 (f=10~16) 特硬岩 (f＞16)  导洞 面积4~6m2 面积7~9m2 面积10~12m2 1.50 1.30 1.20 1.80 1.60 1.50 2.30 2.00 1.80 2.30 2.50 2.25  扩大 0.60 0.74 0.95 1.20  挖底 0.52 0.62 0.79 1.00   三、钻爆循环作业 （一）钻孔作业 钻孔作业工作强度很大，所花时间占循环时间的1/4~1/2，因此应尽可能采用高效钻机完成钻孔作业，以提高工程进度。常用钻孔机具有风钻和钻孔台车。风钻是用压缩空气作为动力使钻头产生冲击作用破岩成孔的。有手持式风钻和气腿式风钻，每台风钻控制面积约为2~4m2。风钻钻孔适用于开挖面积不大、机械化程度不高的情况。钻孔台车一般由底盘、钻臂、推进器、凿岩机和气动或液压操纵系统等部分组成，其钻臂有时多达15台，是一种高效钻孔机械。按行走装置不同分为轮胎式、轨道式和履带式三种。钻孔台车适用于开挖断面较大的情况，如图11-2所示。 为了保证开挖质量，钻孔时应严格控制孔位、孔深和孔斜。掏槽孔和周边孔的孔位偏差要小于50mm，其他炮孔则不得超过100mm。所有炮孔的孔底均应落在设计规定的平面上，以保证循环进尺的掘进深度。 （二）装药和起爆 炮孔应严格按设计要求的装药方式进行装药，炮孔的装药深度随炮孔类型而异。通常掏槽孔的装药深度为炮孔孔深的60~67%，药卷直径为炮孔直径的3/4；崩落孔和周边孔的装药深度为炮孔深度的40~55%，崩落孔药卷直径为孔径的3/4，周边孔为1/2。炮孔其余长度用粘土和砂的混合物（比例为1：3）堵塞。爆破顺序依次为掏槽孔、崩落孔、周边孔。起爆一般采用秒延发或毫秒延发电雷管起爆。隧洞开挖轮廓控制应采用光面爆破技术，以保证开挖面的光滑平整，尽量减少超、欠挖。 （三）临时支护 隧洞爆破开挖后，为了预防围岩产生松动掉块、塌方或其他安全事故，应根据地质条件、开挖方法、隧洞断面等因素，对开挖出来的空间及时进行必要的临时支护。临时支护的时间，取决于地质条件和施工方法，一般要求在开挖后，围岩变形松动到足以破坏之前支护完毕，尽可能做到随开挖随支护，只有当岩层坚硬完整，经地质鉴定后，才可以不设临时支护。 临时支撑应具有足够的强度和稳定性，能适应围岩松动变形、爆破震动、机具碰撞等情况，此外，临时支撑还要求结构简单，便于安装和拆除，不过分占用空间。临时支护可分为喷锚支护和构架支护两类。除特殊情况外，应优先选用喷锚支护。构架支护的形式，按使用材料不同分为木支撑、钢支撑、预制混凝土或钢筋混凝土支撑等几种。 1、木支撑 木支撑具有重量轻、加工架立方便、损坏前有明显变形等优点，但承受压力小、所占净空大、消耗材料多、费用高，因而逐渐被其他支撑材料所代替。适用于断面不大的导洞的支护，如图11-8。 钢支撑 钢支撑适用于破碎而不稳定的岩层，能承受很大的山岩压力，耐久性好，所占空间小。钢支撑可以重复使用，但耗材多，费用高，只有在不良地质段施工才采用，如图11-9。 预制混凝土或钢筋混凝土支护 这种支撑能承受很大的山岩压力，耐久性好，且可以留在永久性衬砌内不必拆除。但结构重量大，洞内运输、安装都不方便，应采用机械化施工。  图11-8 门框形木支撑  图11-9 钢支撑 （四）装渣运输 装渣与运输是隧洞开挖中最繁重的工作，所花时间约占循环时间的50~60%，是影响掘进速度的关键工序。因此，应合理选择装渣运输机械，并进行配套计算，做好洞内出渣的施工组织工作，确保施工安全，提高出渣效率。 隧洞出渣常见的装运方式有： 人工装斗车出渣 这种方式适用于隧洞断面较小，机械化程度不高的情况。人工装渣，要求爆落岩石块度很小。为了减轻装渣的劳动强度，可在装渣地点铺上钢板，使岩石爆落于钢板上，以利用铁铲装车；当采用下导洞开挖时，上导洞可利用漏斗棚架出渣（图11-6）；当采用上导洞开挖时，上导洞可用活动工作平台车出渣（如图11-10）。  图11-10 工作平台装渣 装岩机装渣、机车牵引斗车或矿车出渣 这种出渣方式适用于开挖断面较大的情况。装岩时可采用0.4~1.0m3的装岩机（图11-11、图11-12），装岩斗车或矿车可由电气机车或电瓶车牵引。当运距近、出渣量少时，也采用人力推运或卷扬机牵引运输。根据出渣量的大小可设置单线或双线运输。单线运输时，每隔100~200m应设置一错车岔道，岔道长度应够停放一列列车，如图11-13所示；双线运输时，每隔300~400m应设置一岔道，以满足调车要求，如图11-14所示。 堆渣地点应设置在洞口附近，其高程较洞口低，以便重车下坡，并可利用废渣铺设路基，逐渐向外延伸。  图11-11 0.4m3风动铲式装岩机  图11-12隧洞1m3短臂正向铲  图11-13单线调车示意图  图11-14 双线调车示意图 这种装运方式适用于大断面隧洞开挖。装岩采用斗容量为1~3m3的装载机或液压正铲，自卸汽车洞内运输宜设置双车道，如设置单车道时，每隔200~300m应设错车道，运输道路要符合矿山道路的有关规定。 （五）隧洞开挖的辅助作业 隧洞开挖的辅助作业有通风、散烟、防尘、防有害气体、供水、排水、供电照明等。辅助作业是改善洞内劳动条件、加快工程进度的必要保证。 1、通风与防尘 通风和防尘的主要目的是为了排除因钻孔、爆破等原因而产生的有害气体和岩尘，向洞内供应新鲜空气，改善洞内温度、湿度和气流速度。 （1）通风方式 通风方式有自然通风和机械通风两种。自然通风只有在掘进长度不超过40m时，才允许采用。其他情况下都必须有专门的机械通风设备。 机械通风布置方式有：压入式、吸入式和混合式三种，如图11-15所示。压入式是用风管将新鲜空气送到工作面，新鲜空气送入速度快，可保证及时供应，但洞内污浊空气是经洞身流出洞外；吸入式是将污浊空气由风管排出，新鲜空气从洞口经洞身吸入洞内，但流动速度缓慢；混合式是在经常性供风时用压入式，而在爆破后排烟时改用吸入式，充分利用了上述两种方式的优点。  图11-15 隧洞机械通风方式 （2）通风量 通风量可按以下要求分别计算，并取其中最大值，再考虑20%~50%的风管漏风损失。 1）按洞内同时工作的最多人数计算，每人所需通风量为3m3/min； 2）按冲淡爆破后产生的有害气体的需要计算，使其达到允许的浓度（CO的允许浓度应控制在0.02%以下）； 3)按洞内最小风速不低于0.15m/s的要求，计算和校核通风量。 （3）防尘、防有害气体 除按地下工程施工规定采用湿钻钻孔外，还应在爆破后通风排烟、喷雾降尘，对堆渣洒水，并用压力水冲刷岩壁，以降低空气中的粉尘含量。 2、排水与供水 隧洞施工，应及时排除地下涌水和施工废水。当隧洞开挖是上坡进行、且水量不大时，可沿洞底两侧布置排水沟排水；当隧洞开挖是下坡进行或洞底是水平时，应将隧洞沿纵向分成数段，每段设置排水沟和集水井，用水泵排出洞外。 对洞内钻孔、洒水和混凝土养护等施工用水，一般可在洞外较高处设置水池利用重力水头供水，或用水泵加压后沿洞内铺设的供水管道送至工作面。 供电与照明 洞内供电线路一般采用三相四线制。动力线电压为380V，成洞段照明用220 V，工作段照明用24~36 V。在工作较大的场合，也可采用220 V的投光灯照明。由于洞内空间小、潮湿，所有线路、灯具、电气设备都必须注意绝缘、防水、防爆，防止安全事故发生。开挖区的电力起爆线，必须与一般供电线路分开，单独设置，以示区别。 循环作业施工组织 开挖循环作业是指在一定时间内，使开挖面掘进一定深度（即循环进尺）所完成的各项工作。循环时间是指完成一个工作循环所需要的时间的总和。循环时间常采用4、6、8、12h等，以便于按时交接班。隧洞开挖循环作业所包括的主要工作有：钻孔、装药、爆破、通风散烟、爆后检查处理、装渣运输、铺接轨道等。为了确保掘进速度，常采用流水作业法组织工程施工，编制工序循环作业图，对各工序的起止时间进行控制。 编制循环作业图的关键是合理确定循环进尺。循环进尺是指一个循环内完成的掘进深度。循环进尺越大，炮孔深度越大，钻孔时间越长，爆落的岩石越多，所需装渣时间也就越长。循环作业图编制的步骤如下： 1、根据具体施工情况，确定循环作业时间，设为T； 2、计算循环进尺 （1）计算开挖面上的炮孔数 N＝ 　　　　　　　　　　　 （11—3） （2）计算开挖面掘进1m时的炮孔总长 L总＝　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（11—4） 式中　　　η－炮孔利用系数，取0.8~0.9。 （3）计算开挖面掘进1m时的钻孔时间 t钻＝　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（11—5） 式中　　p钻－一台风钻的生产率，ｍ／ｈ； 　　　　ｎ－使用风钻的台数； 　　　　φ－ｎ台风钻同时工作系数，可取0.8。 （4）计算开挖面掘进1m时的出渣时间t渣。公式为 t渣＝　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（11—6） 式中　　Ｓ－开挖断面面积，ｍ2； ｋ松－岩石可松性系数，约为1.6~1.9； p渣－装岩机的生产率，m3/h。 （5）其他辅助工作所需时间T辅（h）。包括装药、爆破、通风排烟、爆后安全检查处理、铺接轨道所需时间。这些时间一般比较固定，可进行工程类比后确定。 （6）计算开挖面循环进尺L。公式为 L＝　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（11—7） 式中　Ｔ－为预定的循环时间（ｈ）。 上式是在钻孔、出渣为顺序作业时的计算方法。如钻孔、出渣为平行作业，则上式中分母等于钻孔、出渣时间较大者；当采用全断面开挖，上台阶向下台阶扒渣后再进行上台阶钻孔的时，上式中分母等于上台阶钻孔时间与下台阶出渣时间和下台阶钻孔时间之和两者中的较大值。 3、计算循环进尺为Ｌ时的钻孔时间T钻、出渣时间T渣 　　　　　　T钻＝　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（11—8） 　　　　　　T渣＝　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（11—9） 根据各工序作业时间，绘制隧洞开挖循环作业图。表11-3为某隧洞全断面台阶开挖循环作业图。 表11-3