隧洞開挖

隧洞開挖是指修建隧洞時，將土或岩石鬆動、 破碎、 挖掘並運輸出碴的工程。它廣泛套用於水利工程中的引水、泄水、導流、交通以及其他隧洞的施工。

基本介紹

• 中文名：隧洞開挖
• 外文名：tunnel excavation
• 學科：水利工程
• 領域：工程技術
• 套用：修建隧洞
• 作用：引水、泄水、導流、交通

簡介

隧洞施工具有工作面狹窄、勞動條件差、工序多、干擾大等特點，特別是容易發生安全事故，必須事先做好地質勘探工作，合理選定洞口、支洞位置、出碴運輸路線以及隧洞開挖的方法。隧洞開挖主要包括掘進、 出碴、 安全支護以及風、水、電供應和通風、排水等輔助作業。

在岩石地層中套用最多的是鑽孔爆破法，從20世紀50年代開始，隨著隧洞掘進機的發展，在許多國家用隧洞掘進機開挖隧洞也占一定比重。在土質地層中，除以人工為主開挖外，還可採用盾構法或頂管法施工。

鑽孔爆破法

通過鑽孔、裝藥、爆破開挖岩石的方法，簡稱鑽爆法。這一方法從早期由人工手把釺、錘擊鑿孔，用火雷管逐個引爆單個藥包，發展到用鑿岩台車或多臂鑽車鑽孔，套用毫秒爆破、預裂爆破及光面爆破等爆破技術。施工前，要根據地質條件、斷面大小、支護方式、工期要求以及施工設備、技術等條件，選定掘進方式。

隧洞開挖

掘進方式

主要的掘進方式有：

①全斷面掘進法，整個開挖斷面一次鑽孔爆破，開挖成型，全面推進。在隧洞高度較大時，也可分為上下兩部分，形成台階，同步爆破，並行掘進。在地質條件和施工條件許可時，優先採用全斷面掘進法。

②導洞法，先開挖斷面的一部分作為導洞，再逐次擴大開挖隧洞的整個斷面。這是在隧洞斷面較大,由於地質條件或施工條件,採用全斷面開挖有困難時,以中小型機械為主的一種施工方法。導洞斷面不宜過大，以能適應裝碴機械裝碴、出碴車輛運輸、風水管路安裝和施工安全為度。導洞可增加開挖爆破時的自由面，有利於探明隧洞的地質和水文地質情況，並為洞內通風和排水創造條件。根據地質條件、地下水情況、隧洞長度和施工條件，確定採用下導洞、上導洞或中心導洞等。導洞開挖後，擴挖可以在導洞全長挖完之後進行，也可以和導洞開挖平行作業。

③分部開挖法，在圍岩穩定性較差，一般需要支護的情況下，開挖大斷面的隧洞時，可先開挖一部分斷面，及時做好支護，然後再逐次擴大開挖。用鑽爆法開挖隧洞，通常從第一序鑽孔開始，經過裝藥、爆破、通風散煙、出碴等工序，到開始第二序鑽孔，作為一個隧洞開挖作業循環。儘量設法壓縮作業循環時間，以加快掘進速度。20世紀80年代，一些國家採用鑽爆法在中硬岩中開挖斷面面積為100m3左右的隧洞,掘進速度平均每月約為200m。中國魯布革水電站工程，開挖直徑8.8m的引水隧洞,單工作面平均月進尺達231m,最高月進尺達373.7m。

掘進機法

掘進機是全斷面開挖隧洞的專用設備。它利用大直徑轉動刀盤上的刀具對岩石的擠壓、滾切作用來破碎岩石。美國羅賓斯公司在1952年開始生產第一台掘進機。70年代以後，掘進機有了較快的發展。開挖直徑範圍為1.8～11.5m。在中硬岩中,用掘進機開挖80～100 m3大斷面隧洞，平均掘進速度為每月350～400m。美國芝加哥衛生管理區隧洞和蓄水庫工程，在石灰岩中開挖直徑9.8m的隧洞，最高月進尺可達750m。美國奧索引水隧洞直徑3.09m,在頁岩中開挖，最高月進尺達2088m。隧洞掘進機開挖比鑽爆法掘進速度快，用工少，施工安全，開挖面平整，造價低，但機體龐大，運輸不便，只能適用於長洞的開挖，並且本機直徑不能調整，對地質條件及岩性變化的適應性差，使用有局限性。

新奧地利隧洞施工法

簡稱新奧法（NATM），是奧地利學者L.V.拉布采維茨等人於50年代初期創建，並於1963年正式命名的，涉及隧洞設計、施工以及管理等方面一整套的工程技術方法。它的主要特點是：運用現代岩石力學的理論，充分考慮並利用圍岩的自身承載能力，把襯砌與圍岩當成一個整體看待；在施工過程中，必須進行現場量測,並套用量測資料修訂設計和指導施工;採用預裂爆破、光面爆破等技術或用掘進機開挖，用錨桿和噴射混凝土等作為支護手段，並強調適時支護。總之，是在充分考慮圍岩自身承載能力的基礎上，因地制宜地搞好隧洞開挖與支護。

隧洞開挖

盾構法

利用盾構在軟質地基或破碎岩層中掘進隧洞的施工方法。盾構是一種帶有護罩的專用設備，利用尾部已裝好的襯砌塊作為支點向前推進，用刀盤切割土體,同時排土和拼裝後面的預製混凝土襯砌塊。盾構是19世紀初期發明，首先用於開挖英國倫敦泰晤士河水底隧道。盾構機掘進的出碴方式有機械式和水力式，以水力式居多。水力盾構在工作面處有一個注滿膨潤土液的密封室。澎潤土液既用於平衡土壓力和地下水壓力，又用作輸送排出土體的介質。

隧洞開挖

頂管法

為在地下修建涵洞或管道，用千斤頂將預製鋼筋混凝土管或鋼管逐漸頂入土層中，隨頂隨將土從管內挖出。這樣將一節節管子頂入，作好接口，建成涵管。頂管法特別適於修建穿過已成建築物或交通線下面的涵管。

隧洞出碴

隧洞開挖出碴，包括裝碴和運輸。裝碴可用裝岩機、扒碴機、裝載機和挖掘機等。運輸則分有軌與無軌兩種方式。有軌運輸由機車牽引鬥車或梭式礦車，在窄軌鐵路上行駛。無軌運輸套用較多，一般由裝載機或挖掘機配合汽車完成。

隧洞開挖

豎井和斜井開挖

其施工方法與平洞開挖的方法略有不同。自上而下進行豎（斜）井開挖稱為正挖，反之為反挖。對下部無通道的豎井，宜採用全斷面正挖的方法。對下部已形成施工通道的豎井，宜採用先打通一個導井,然後利用導井出碴,自上而下進行擴大的方法。導井開挖可先鑽若干深孔，自下而上逐次爆破成井；也可通過鑽孔懸掛吊罐或利用專用設備──爬罐等反挖的方法；還可利用大直徑鑽機直接鑽井。豎井開挖還可使用天井鑽機。

隧洞開挖

輔助作業和安全支護

隧洞開挖施工中，除作好供風、 供水、 供電等輔助工程外，還必須重視通風散煙、降塵、防有害氣體和排水等輔助作業，特別要注意做好安全支護。在不良地質或地下水活動較嚴重的地段開挖隧洞，必要時還要鑽超前孔以探明地下水情況，或對圍岩進行預灌漿。在硬土或軟岩中開挖隧洞，有的採用超前旋噴灌漿處理，使形成一加強圈，然後開挖。