隧道開挖方法及其施工技術要點分析

董 寧，辜文凱

(中鐵二局第二工程有限公司，四川成都610091)

隧道統稱地下通道。按其使用功能不同，可分為交通隧道、水工隧道、礦山隧道、管線布置隧道;按其所處的位置不同，可分為山嶺隧道、跨海隧道、越江隧道;按其埋置深度的不同，可分為深埋隧道、淺埋隧道。隧道的斷面凈空尺寸及幾何特征是由其使用功能和所處的特殊地質環境確定的，其施工開挖掘進方法選擇的重要依據也是其斷面凈空尺寸和地質條件。隧道開挖是施工的重要工序，開挖方法的選擇不僅決定隧道的施工進度，而且嚴重影響到施工安全，科學合理的選擇隧道開挖方法十分重要。

1 隧道開挖方法分類

隧道開挖掘進方法分機械掘進與鉆爆開挖兩大類。其中機械掘進有TBM、盾構兩種方式，鉆爆法開挖分全斷面法、臺階法，其中臺階法又分二臺階、三臺階及三臺階預留核心土法，其它主體方法還有CD、CRD法、雙側壁導坑法、中洞法。本文重點討論鉆爆發開挖常用方法的適用條件極其技術控制要點。隧道開挖方法見圖1。

圖1 隧道開挖方法分類

2 各類鉆爆開挖方法的適用條件及其技術要點

2.1 全斷面法

2.1.1 全斷面法的適用條件

全斷面開挖法是指按隧道設計輪廓線將其一次爆破成型，再進行下一步工序施工。其適用條件包括較好的圍巖級別和適度的開挖斷面。而圍巖級別低，其自穩性差，若采用全斷面開挖必須先行預加固，對施工進度和效益并無益處;斷面面積過大，不但對鉆爆設備性能有特殊要求，而且起爆順序復雜，雷管段位多，超過常用段位需要生產廠家特制，費用較高，一次起爆藥量大，對圍巖的擾動較大。對水工隧道來講，松動圈過大，不但對結構的耐久性有影響，而且加大固結灌漿費用。

從施工實踐來看，只要滿足以下兩條件即可考慮采用全斷面開挖:①隧道圍巖為Ⅰ、Ⅱ級;②設計斷面不大于120 m2。另外斷面面積小于60 m2的Ⅲ級圍巖隧道也可考慮采用全斷面開挖。

2.1.2 全斷面法的技術要點

(1)地質復核。只要隧道圍巖條件許可，工程項目采用全斷面開挖比較普遍，但是僅僅根據施工圖提供的圍巖條件決定開挖方法存在較大的風險，因為全斷面開挖對圍巖擾動較大，一旦圍巖變化而不改變施工方法必然導致事故發生。為此在全斷面開挖掘進中有必要開展掌子面地質素描和超前地質預報，掌握隧道圍巖實際情況，適時復核圍巖級別，一旦出現圍巖級別與設計相差較大，需要及時修改開挖方法，減小循環進尺［1］。

(2)鉆爆方案設計與優化。全斷面開挖的另一技術要點是鉆爆設計。鉆爆質量的好壞對施工進度影響巨大，而鉆爆方案的設計不是一成不變的，爆破參數需要在實施過程中不斷優化調整，因此方案的設計和優化是動態的。但是許多項目現場別說動態設計了，連基本的爆破方案也沒有，全憑開挖工的施工經驗。經驗豐富的，爆破質量高;經驗欠缺的，不但進尺差、爆碴大塊率多，連續補炮，有的連成型都困難，嚴重影響施工進度，因此爆破設計是全斷面開挖的技術要點。鉆爆方案設計內容包括:掏槽形式確定，炮孔布置(孔眼參數)、數量、深度、角度，裝藥量與裝藥結構，起爆方法與起爆順序。其中孔眼參數與裝藥量、裝藥結構需要在鉆爆施工過程中不斷修正和優化。

(3)循環進尺與步距規定。循環進尺需要根據圍巖級別、斷面尺寸、設備配置條件確定，采用全斷面開挖，Ⅰ、Ⅱ級圍巖進尺不得大于3.5 m，Ⅲ級圍巖不得大于2.5 m;仰拱開挖一次開挖長度，Ⅱ級圍巖規定為12 m，Ⅲ圍巖為6 m;仰拱作業面距開挖掌子面距離規定，采用全斷面開挖的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級圍巖不大于90 m;距開挖掌子面最近的襯砌端頭距離，在無不良地質情況下，Ⅱ、Ⅲ級圍巖均不得大于200 m。

2.1.3 全斷面開挖施工的設備配置及進度指標

近年來，由于通風設備性能的改進促進了通風技術的進步，長大隧道施工不再采用無軌運輸通風方式，只要圍巖條件許可或通過有效支護后能夠采用全斷面開挖的均采用全斷面開挖，為大型設備進洞施工創造條件。隨著工程機械技術的不斷進步，隧道施工的各個工序均能實現機械化或半機械化作業，特別是全斷面開挖施工方法，各個工序已能實現完全機械化作業，其主要設備及效能簡介如下。

鑿巖鉆孔臺車:主要用于打炮孔、超前預報探孔、錨桿孔。現場最常用的以進口設備為主，主要型號有阿特拉斯、湯姆洛克兩大系列，隧道施工采用阿特拉斯鉆孔臺車居多，其性能穩定，鉆孔效率高，最高速度能達到20～30 m/h。但進口臺車價格昂貴，維修費用高，特別在滲漏水較大的隧道，控制電腦出現故障的頻率較高，一旦出現故障必然影響到幾天的進度，加之目前國內勞動力廉價，許多項目任然以采用手持風動鉆機鉆孔YT系列的居多。而在安全風險較高的隧道，一般采用鑿巖電腦臺車施工。

錨桿臺車:錨桿臺車具有鉆孔、安裝錨桿、灌漿功能，屬于一體機。進口設備還是以阿特拉斯、湯姆洛克系列為主，一般在長大隧道或地質復雜的高風險隧道配置。

混凝土噴射手:長大隧道或地質復雜的高風險隧道，為確保施工進度，均需要配置混凝土噴射手。目前國內常用的混凝土噴射手為麥斯特系列，生產能力可達到25 m2/h。

挖、裝、運設備:挖掘機主要用于爆破后找頂、刷幫、挖齊頭(清除掌子面危石)，裝載機采用正裝側卸式，雙線隧道在洞內一般配兩臺同時作業，出碴運輸設備采用大型自卸車，常采用斯太爾或紅巖系列，載重25 t以上。

采用全部斷面開挖，工序簡單，設備配套、爆破技術可行，則月進度在180～240 m。

2.2 臺階法

2.2.1 臺階法開挖的適用條件

(1)臺階法定義。臺階法開挖是將隧道設計斷面分成兩次或三次開挖，上臺階超前一定距離，超前長度大于50 m或5倍洞徑以上叫長臺階開挖;上下臺階并進，臺階長度僅3～5 m，臨時支護或襯砌快速閉合，叫微臺階開挖。

(2)臺階法的適用條件。臺階開挖法是隧道施工中采用最廣泛的方法。Ⅱ、Ⅲ級圍巖適用二臺階法開挖，也可采用全斷面開挖，究竟采用哪種開挖方法，不僅僅取決于圍巖的級別，還需要考慮開挖斷面的大小是否與施工設備匹配，圍巖的穩定情況，施工進度要求與施工習慣等因素。斷面過大對施工設備要求較高，一次起爆用藥量也很大，對圍巖的擾動較大，圍巖穩定時間短，這種情況一般不采用全斷面而采用二臺階開挖。

Ⅳ、Ⅴ級圍巖在采用型鋼拱架和錨、網噴等有效支護后采用三臺階或微臺階開挖。微臺階開挖法也用在變大跨為小跨的大斷面隧道分部開挖施工中。

三臺階和微臺階開挖方法由于受作業空間限制，工序相互干擾大，進度慢，且不適合用大型設備施工，很少有項目采用。

三臺階預留核心土開挖法和三臺階七步開挖法均適合Ⅴ級圍巖的土層、沙礫石地層隧道開挖，以人工開挖為主。

2.2.2 臺階法技術要點

(1)臺階長度:臺階長度及步距，確定臺階長度需要考慮圍巖地質條件，支護封閉時間，大型設備施工所需空間，相關技術文件及技術指南特別要求。Ⅱ、Ⅲ級圍巖隧道以采用長臺階開挖為多，臺階長度多在50 m以上，這樣前后工序有足夠的空間，不會造成工序干擾。Ⅳ級圍巖由于自穩時間短，要求支護快速封閉，常采用短臺階施工，臺階長度在2～5倍洞徑，Ⅳ、Ⅴ級圍巖也可采用微臺階開挖，臺階長度3～5 m。

(2)支護要求:Ⅳ、Ⅴ級圍巖一般都設有型鋼或鋼筋格柵拱架，拱架分單元段加工，現場螺栓連接安裝，上下臺階的拱架安裝時必須要求足夠的凈空，確保上下拱架段安裝精度。嚴禁街頭錯位而采用鋼筋搭接，嚴禁減少每榀拱架之間的縱連鋼筋和拱架鎖腳錨桿。噴射混凝土必須將拱架全覆蓋。

(3)爆破技術要求:對采用臺階法施工的硬巖隧道，需要進行爆破作業。為了盡可能地減少爆破對已完成的上臺階支護體系的影響，下臺階必須采用控制爆破。

(4)三臺階預留核心土開挖法和三臺階七步開挖的技術要點:超前小導管支護，環形開挖，預留核心土防掌子面失穩。預留核心土的長度控制在4 m左右，中臺階或下臺階左右開挖時，應錯開2～3 m，落底后應立即組織仰拱施工，臨時支護及時封閉。

2.2.3 臺階法開挖施工的設備配置及進度指標

(1)二臺階法開挖施工其臺階高度能滿足大型機械設備作業要求，設備配置與全斷面開挖相同，施工進度在100～150 m。

(2)在采用三臺階法或微臺階施工時，由于第一臺階高度受限，第一臺階鉆孔、裝碴、噴混凝土無法采用大型設備全部完成，需要配置小型設備同時人工配合作業，這樣就難以發揮大型設備的優勢。因此采用三臺階開挖方法施工，可以配置大型設備，但同時需要小型設備與之配合，小型設備主要是上臺階的鉆爆設備、出碴設備、噴混凝土設備。微臺階開挖除鉆爆設備外，可配置與全斷面開挖相同的設備。三臺階或微臺階開挖月施工進度指標在60～80 m。

(3)三臺階預留核心土法或三臺階七步開挖法，除開挖和翻碴采用小型設備加人工輔助施工外，裝運、噴、錨均可采用與全斷面相同的大型設，月進度在60 m左右。

2.3 中隔壁法(CD法)

2.3.1 中隔壁法的定義

中隔壁法即為分部臺階法，將隧道開挖面分為左右兩部分，先在隧道一側自上而下分層開挖，完成初期支護，當噴射混凝土達到設計強度的70%后，按同樣的方法開挖另一側。中隔壁法的核心就是在開挖另一側時保留中間的型鋼拱架加網噴混凝土支護，這樣即形成中隔壁，同側采用臺階法開挖時視支護內力及變形情況增設仰拱，因此支護不一定閉合。

2.3.2 中隔壁法的適用條件

中隔壁法適用于部分Ⅳ級圍巖和全部Ⅴ圍巖，大型填充型斷層段，殘、坡積層隧道洞口段，淺埋大跨隧道，地表建筑復雜、沉降要求極高隧道。呈塊狀但裂隙填充物少的硬質Ⅳ級圍巖，不適合采用中隔壁法，這類圍巖一般采用弱爆破效果差，采用常規爆破則破壞臨時支護，中隔壁無法失去作用，反而形成施工安全隱患。

2.3.3 中隔壁法的技術要點

(1)爆破技術要點:采用CD法施工的Ⅳ級圍巖，確需要爆破開挖的，必須遵循“弱爆破、短進尺”原則，對一次起爆藥量進行嚴格控制。

(2)支護技術要點:①先行側的中隔壁鋼支撐應加工成外鼓弧形，弧度的大小隨凈空高度而定，不宜過大。單元長度的劃分應方便人工安裝，不宜太重，連接形式一般都考慮栓接，必須在胎架上加工單元并組裝試拼連接件，連接板栓孔不得用氧乙炔槍隨意切割，防止栓、孔間隙過大導致節點剛度減小。安裝間距必須符合設計要求，拱腳不的懸空，縱連鋼筋和鎖腳錨桿嚴禁偷工減料，噴射混凝土必須覆蓋型鋼拱架。②超前小導管必須按設計布置，嚴禁不按設計要求注漿。注漿施工必須有工程技術人員現場值班，做好注漿記錄，發現進漿量、壓力出現異常需要及時分析原因，必須安裝反流止漿塞。③臺階開挖過程中，若發現支護內力較大，洞周變形速率快，可增加臨時鋼支撐。

(3)監測技術要點:①必須編制監測專項方案。監測內容包括支護內力，特別是在第二部分開挖過程中的中隔壁的內力變化情況，拱頂沉降及地面沉降，洞室收斂。必須有明確的預警值，設計沒有給定預警值時，可根據施工規范及技術指南設置。②必須設置專業的監測隊伍。③必須按施工規范和或技術指南規定的監測頻率開展工作，及時分析數據，反饋信息。

(4)變形控制技術要點:①各部是采用二臺階還是三臺階開挖應根據地質條件，所用的機械設備，斷面的大小確定，臺階步距控制在3～5 m。②不論采用爆破輔助開挖還是采用人工或機械開挖，循環進尺不得大于1.5 m鋼拱架間距。③左右兩側掘進距離控制在15～20 m。滯后部分開挖落底后必須盡快安裝仰拱型鋼拱架，在最短時間內將臨時支護封閉。④中隔壁的拆除長度必須通過模擬分析在監測數據指導下進行，同時要考慮防水板鋪裝、鋼筋安裝、襯砌三道工序能平行作業，若分析結果不能滿足三道工序平行作業要求，則只能將其中兩道工序斷續作業。

2.3.4 中隔壁法開挖施工的設備配置及進度指標

采用中隔壁方法開挖施工，由于作業空間有限，無法采用大型機械設備，常采用小型設備加人工輔助施工。需要爆破作業的鉆孔采用YT28風鉆，不需要爆破的采用風鎬開挖，也可采用DS系列小型挖掘機開挖。出碴采用人力推車或小型翻斗車。噴混凝土一般采用TK系列濕噴機。采用中隔壁法開挖施工月進度指標在60 m左右。

2.4 交叉中隔壁法(CRD法)

2.4.1 交叉中隔壁法的定義

交叉中隔壁法與中隔壁法相似，是在中隔壁法的基礎上改進發展的開挖工法，其核心技術是將隧道左右分部、上下分層循序開挖。上部按臺階法左右循序掘進，再交叉先左后右開挖下臺階，每開挖一部既單獨將支護閉合成環，即左右交換，步步成環開挖技術，這也是交叉中隔壁法(CRD法)與中隔壁法(CD法)的本質區別。

2.4.2 交叉中隔壁法的適用條件

交叉中隔壁法適用于淺埋、大跨、軟弱圍巖隧道，對控制變形和地面沉降要求很高的城市地鐵暗挖隧道具有較強優勢［2］，適合圍巖級別為部分Ⅳ級、Ⅴ級。

2.4.3 交叉中隔壁法的技術要點

(1)分部分層原則:應根據圍巖條件、特性、斷面大小劃分，既要考慮圍巖變形時空效應，又要考慮支護受力要均勻，同時能充分發揮人、機效率，最常見的是左右分兩部，上下分三層。

(2)支護技術要點:①先行開挖的臨時鋼支撐都必須加工成具有一定弧度的鋼支撐單元，其加工與安裝技術要點與中隔壁法相同;②要根據圍巖變形時空效應控制各部開挖速度，盡快施作仰拱，及時封閉成環;③及時對掌子面進行噴射混凝土封閉，防止掌子面失穩;④其它支護技術要點與中隔壁法相同。

(3)監測技術要點:中隔壁臨時型鋼支撐承受較大壓力，特別是滯后部分開挖后壓力變化明顯;拱肩承受較大的拉力。對臨時支護內力的監測是交叉監測技術要點與中隔壁法相同。

(4)變形控制技術要點:①支護封閉成環時間的早晚，對洞周變形有明顯影響，封閉越晚變形越大;②合理確定循環進尺和施工步距，開挖循環進尺過大，會導致地表沉降和支護內力出現瞬時峰值。臺階過長會出現變形累計，臺階過短對掌子面穩定不利。臺階的長短與隧道圍巖巖土特性有關，同時根據監控量測數據適時調整。從一些工程時間來看，同層間循環步距一般控制在3～5 m，左右兩側步距一般控制在10～15 m;③初期支護背后松動層應及時進行回填注漿。雖然采用CRD法施工的隧道在開挖之前都進行來了超前預注漿，但在開挖和支護施工過程中，圍巖受到了一定程度的擾動，導致圍巖與支護不能聯合受力，因此應及時進行低壓回填注漿。注漿時間滯后支護作業1個循環;④嚴格控制首部開挖引起的拱頂沉降。對有關工程項目的監測數據統計發現，首部開挖引起的拱頂下沉站到施工過程中拱頂下沉總量的30%～40%。因此對要控制施工過程中的總下沉量，控制首部拱頂下沉量是關鍵步驟;⑤型鋼支撐必須具有足夠的剛度，特別是單元節點剛度必須按等強度設計，其次必須要保證型鋼支撐的安裝質量，安裝軸線順暢，不得減少節點螺栓、鎖腳錨桿、型鋼支撐間連接鋼筋、臨時墊板;⑥滲漏水必須及時抽排疏干，局部不得積水;⑦在二襯施工前嚴禁隨意拆除中隔壁和臨時仰拱，施工二襯時拆除中隔壁和臨時仰拱的長度必須通過數值分析后結合監控量測信息確定，必要時應適當減小一次襯砌模注長度。

2.4.4 交叉中隔壁法開挖施工的設備配置與進度指標

交叉中隔壁法開挖施工設備與中隔壁法配置基本相同，月進度指標在40～60 m。

2.5 雙側壁導坑法

2.5.1 雙側壁導坑法的定義與適用條件

雙側壁導坑開挖法是先開挖隧道兩側導坑，及時完成支護后再視圍巖巖土特性、斷面大小按二或三臺階開挖剩余部分的施工方法，其核心技術任然是變大跨為小跨的分部正臺階施工方法。雙側壁導坑開挖法主要適用于淺埋大跨Ⅴ、Ⅵ級圍巖的開挖，在開挖兩側導坑時，若有必要還可施作邊墻二襯，這樣可以節約部分臨時支護措施。

2.5.2 雙側壁導坑法的技術要點

(1)導坑斷面特性與大小:導坑形狀應近似橢圓形，寬度為隧道開挖斷面寬度1/3，高度為寬度的2倍左右。

(2)開挖與支護技術要點:兩側壁導坑可獨立同步采用短臺階開挖，中部應滯后側壁10～15 m采用正臺階開挖，各部在開挖循環過程中必須及時施作支護，盡早將支護封閉成環。拱部型鋼支撐與側壁型鋼支撐的連接是施工難點，同時也是受力關鍵部位，因此在側壁導坑鋼支撐施工時兩側必須準確定位，確保全斷面鋼支撐能在同一垂直面內，降低拱部鋼支撐的安裝難度，避免鋼支撐發生扭曲。支護的其它技術要點與交叉中隔壁法相同。

(3)變形控制技術要點:雙側壁導坑開挖變形控制技術要點主要還是支護施工質量控制和開挖步距控制。支護施工質量控制與交叉中隔壁開挖方法相同，開挖步距也是影響變形的重要因素。導坑和中部開挖臺階一般控制在3～5 m，掌子面未經加固穩定時間較短時，臺階長度可取大值。側壁導坑超前中部開挖步距一般控制在10～15 m，步距過大，型鋼支撐遲遲不能封閉，導致變形累積，過小會影響工序正常施工。中部開挖落底后及時施工臨時支護，二襯滯后中部不得大于30 m，并視監測數據情況及時調整。

2.5.3 雙側壁導坑法的技術要點

雙側壁導坑法開挖施工設備與中隔壁法配置基本相同，月進度指標在40～60 m。

2.6 中洞法

2.6.1 中洞法適用條件

中洞法主要適用于連拱隧道開挖，在淺埋大斷面軟弱圍巖隧道也可采用中洞法開挖，但與CRD法相比較，其支護受力不明確，工序更復雜，除連拱隧道外很少有工程采用。

2.6.2 中洞法技術要點

(1)導洞位置與斷面尺寸要點:中導洞的位置位于連拱隧道中墻位置，斷面形式為馬蹄形，高度應比中墻高1～1.5 m，導洞中線兩側寬度比中墻斷面寬2 m，若考慮開挖與中墻混凝土施工同步平行作業，可適當加寬。

(2)中洞兩側剩余部分視情況采用臺階法或側壁導坑法開挖，其技術控制要點與前述方法相同。

3 結束語

近年來，隧道施工出現了較多的責任事故，究其事故的原因，誠然有許多管理方面的不足，但因施工方法選擇不當導致的事故也時有發生，為此對施工方法的選擇及技術控制要點有必要進行梳理和總結。由于隧道工程地質復雜，加上設計階段的地質勘探工作不夠細致，設計者根據地質資料依瓢畫壺，會導致施工圖設計給定的地質情況與實際情況有較大出入，當圍巖級別已發生較大變化而施工方法沒有適時調整，勢必導致事故發生。因此隧道施工不僅僅只針對施工圖提供的各洞段圍巖條件制定與之相適應的施工方法，而且應將超前地質預報，地質復核工作納入施工工序［3］，提前做好施工方法的轉換和工序銜接。

［1］葉英.隧道施工超前地質預報［M］.人民交通出版社，2011

［2］王夢恕.地下工程淺埋暗挖技術通論［M］.合肥:安徽教育出版社，2004

［3］TB 10304－2009鐵路隧道工程施工安全技術規程［S］