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第五章 隧洞和竖井施工

5.1总则

1. 隧洞和竖井的设计组必须由具有地下工程设计和施工经验的工程师和地质专家组成。开挖方法和顺序都会直接影响必定由初期和永久地层支护所承担的荷载和位移。开挖孔口的基本形状必须根据施工的实用性来选择。尽管现在许多好的施工方法都是由承包商来选择，但在施工方法的选择会影响开挖质量和安全或施工会给环境带来负面影响时，设计者就必须规定隧洞和竖井的施工方法。有许多施工方面的问题需要设计组与承包商密切协调，或在技术规范中对这些方面问题制定限制性条款。
2. 隧洞和竖井地下工程的基本构成包括：

采用爆破法或机械法开挖；

初期地层支护；

最终地层支护。

1. 过去，“基本”和“二期”支护曾经用作“初期”和“最终”支护。但由于这样会产生误导，现在这种用法已不再提倡。因为在最终功能的概念上，最终支护常常发挥基本支护作用，而初期支护则经常被认为是临时性的。然而，在当今许多情况下，初期地层支护也可起到永久支护作用。
2. 隧洞、竖井施工的其他重要内容如下：

现场和洞口准备

测量

地下作业通风

排水和水控制

危害防护

环境影响控制

本章将对上述各项内容进行讨论，然而也不想提供隧洞施工的完整导则。设计者有理由对某些施工细节进行更加深入的研究，如爆破影响、TBM施工可行性和超前投影探测率。

5.2 钻爆法隧洞施工

尽管许多隧洞工程都采用TBM掘进法施工，但绝大多数的地下岩石开挖仍然采用爆破技术。设计组应规定或批准拟采用的开挖方法。

1. 开挖周期。典型的爆破开挖周期分以下几个步骤：
   1. 钻探爆破孔，并且装药；
   2. 引爆，通风排烟
   3. 清理爆破后的岩石（出碴）
   4. 清理顶拱和边墙，清除松动岩石
   5. 初期地层支护安装
   6. 装配掘进轨道、通风及公用设施
2. 全断面、台阶式掘进
   1. 大部分隧洞都采用全断面开挖方法掘进。所有隧洞断面的钻爆周期都一次性完成。爆破孔深度通常都稍小于洞口尺寸，一个爆破周期的出渣稍短于爆破孔的深度（良好的爆破达约90%）。典型爆破周期的出渣深度为2~4m（7~13ft）。有时台阶式爆破更为实用，或因受地层条件或设备的限制而需进行台阶式爆破。最常用的方法就是下台阶式开挖法，先爆破整个宽度的隧道上部断面，然后再爆破其余的下部台阶。下台阶可采取类似于采石爆破的水平或垂直炮孔进行开挖。台阶式开挖法可有多种变通形式，如先钻探一个顶拱中心孔，再钻探两个顶拱侧孔，然后分成一、二、三层台阶进行钻爆。

（2） 与全断面开挖相比，选择台阶式开挖法的主要理由如下：

• • 1. 隧洞的开挖横断面对于1台钻孔台车来说太大，如厂房、阀室和设有两条或三条车道的公路隧洞所需的地下洞室尺寸通常都采用台阶式爆破法进行开挖。
    2. 就炸药重量而言的爆破规模必须符合振动控制的限制。
    3. 围岩质量较差，整个开挖宽度稳定时间不足以支持安装初期支护。

1. 爆破周期设计
   1. 每个单独的爆破周期通常都由承包商雇用的爆破专家设计，并由工程师按照规范进行核查。我们可以在下列信息中找出有关爆破周期设计的详细资料，如Langefors和Kihlstrom (1978) 或Persson，Holmberg和Lee (1993)。 同样可以在炸药制造商出版的手册中找到爆破代理商和爆破设计的资料，如《爆破工手册》（Dupont）， 参见EM 1110-2-3800。爆破孔通常采用液压冲击钻钻进。钻孔效率和速度都已迅速提高，由于采用了新型钻杆和钻头，钻头磨损和钻孔精度都有很大改善。小隧洞钻孔通常采用单台钻机，但通常在钻孔台车上安装两台或更多钻机。台车可以是轨道式、轮胎式和履带式。履带跨立式台车允许出碴设备从掌子面往返通过台车。
   2. 有效爆破设计要求注意每个爆破孔的爆破限制程度。如果一个爆破孔是完全受限的，爆炸仅可产生塑性变形。爆破波将会使这个接近自由的面破裂，使爆破孔和自由面间的岩石碎裂并清除碎屑。爆破孔距自由面、表土的距离通常为爆破孔孔距的0.75到1.0倍。
   3. 在隧洞中，最初没有与爆破孔平行的自由面。该自由面必须通过爆破设计获得，可通过以下几种方法之一获得：
      • 1. V形掏槽或扇形掏槽在掌子面下中部按对角钻得一系列孔组成一个楔块。要爆破这些孔首先要清除楔块中的材料，再连续爆破成一个自由面。
        2. 直眼掏槽用平行孔，通常是在四个紧密相连的孔中只有两个孔装药，或一个或两个不装药的大直径孔，直径通常高达125mm(5英寸)。还要布置其余的孔并起爆，以便使一个或多个孔中的每次新爆破都能成一个自由面。掏槽后起爆的孔称为填塞料孔也称掏槽爆破孔、辅助炮孔或扩槽孔。最后爆破的孔是周边炮眼或修边孔。底部板中的孔称为底板孔。
        3. 周边孔通常用悬臂构造钻得，由于不可能正好在开挖孔边上钻孔，所以常从理论墙线偏离约100mm（4英寸）。钻孔设备尺寸要求在某一个角度缩进，以覆盖要开挖的量。连续爆破致使隧洞导墙表面呈Z字形。因此，超挖一般都是不可避免的。
        4. 电力或非电力延时用于控制爆破顺序与时间，限制随时爆破所用的炸药量。延时有几种类型。毫秒延时很快，范围在25-500ms之间;其它延时稍慢一些。有可能采用24ms以下的延时。必须选择延时以便使岩石碎片能在下一轮爆破前被清除，毫秒延时通常用于爆炸直眼孔，其余部分则采用半秒延时。过去，爆破通常用电起爆，使用电起爆雷管或起爆器。现在都倾向于使用非电起爆器与非电延时雷管，因为它们不受杂散电流影响。
        5. 爆破剂可用于特殊用途。爆破剂在每段洞装药量、直径、起爆速度、烟雾特性、抗水性和其它特性都有所不同。在干燥岩石中，经常使用便宜的ANFO(硝铵与柴油混合物)。修边孔要求用专门爆破剂，每米装药量非常少。典型爆破孔的直径为45~51mm (1.9~2英寸)。包裹爆破剂用的棒或网直径通常为40mm(1.6英寸)，而且夯实装药，而那些用于修边孔的包裹爆破剂用的棒或网直径通常为25mm(1英寸)， 用于装药孔的填塞柱。
        6. 爆破设计通常要计算两种参数：炸药因数或特定装药量（每立方米爆破岩石所用炸药公斤数）与钻孔因数（每立方米爆破岩石的装药公斤数长）。这些是总的爆破经济的指标，能够在各种爆破形式中更加容易地进行比较。炸药因数随条件变化而变化，限制越大，隧洞越小，因数越大，或岩石越硬越有弹性，因数越大。有缝隙的岩石有时会要求大的炸药因数。对于最典型的隧洞爆破，炸药因数在0.6-5kg/m³之间。对于同类的地层而言，洞口尺寸大于30m²时炸药因数为1 kg/m³，而在洞口尺寸小于10m²时炸药因数就大于3 kg/m³。典型的钻孔因数变化在0.8-6m/m³之间，图5-1是典型的精心设计周期。此19.5m²的周期采用40个孔，炸药因数1.9 kg/m³和钻孔因数2.2 m/m³。图5-2和5-3显示的是典型的炸药因数与钻孔因数。

图5-1： 3.2米直眼槽爆破孔的爆破周期，超前3.0米（参见英文原件第5-3页）

图5-2： 典型的炸药因数（参见英文原件第5-4页）

图5-3： 典型的钻孔要求（参见英文原件第5-5页）

1. 控制爆破
   1. 理想的爆破会使剩余岩石损坏最小和塌方最少。可通过控制爆破来达到这样的效果。对岩石损坏与塌方进行控制由于以下几个方面的原因都很有益：
      • 1. 岩石损坏少意味着所需的稳定性更好和地面支护更少。
        2. 由于所需的剥落更少，隧洞开挖会更加安全。
        3. 塌方少使得无衬砌隧洞的水力表面更加光滑。
        4. 对于衬砌隧洞而言，塌方少意味着用于充填超挖空隙的混凝土更少。
   2. 控制爆破包括周边炮眼或修边孔的间距更加致密，这些孔的装药量比其它孔的药量要轻得多。对于周边炮眼，在坚硬岩石中常常采用12-15倍的钻孔直径作为孔间距；而在薄弱、破碎的岩石中则采用6-8倍的钻孔直径。由于控制爆破一般要求比其它爆破更多的爆破孔，因此它所花费的时间更长而且使用的钻头钢更多。为此，承包商一般都不愿意使用控制爆破法。
   3. 但是控制爆破所需要的不仅仅是适当的周边爆破设计。在修边孔引爆前就可能早已发生爆破损坏了。控制爆破要求对以下所有方面尽心细心的设计并选择包括爆破周期几何布置、孔径、装药量、间距和最小抵抗线以及延时在内的精心爆破布置。
   4. 成功控制爆破的一个关键问题就是爆破孔的精确布孔钻探。爆破孔相对其设计位置的偏离会快速改变爆破孔的间距和最小抵抗线，从而造成爆破损坏并形成不规则的爆破面。现代的液压钻机不仅速度快而且比普通钻孔的精度更高。在均质岩石中使用计算机控制的钻孔台车可以获得最高的精度。
   5. 爆破后对爆破面的检测能提供有关钻孔准确性与爆破控制有效性的很好线索。成功的检测措施就是半浇注因数法。这是爆破面上可见的爆破孔半浇筑与修边孔总长的比值。依据岩石质量和岩层或节理的倾向，通常能达到50%~80%的半浇筑因数。由钻孔不精确造成的爆破面不规整是显而易见的而且是可进行测量的，应对钻臂构造的规整性和适用性进行验证。验证爆破质量的其它方法包括评估边墙后爆破损坏深度的方法。可通过地震波折射技术和光学孔径仪或在岩芯钻孔中的渗透测量来进行评价。扰动带的深度变化范围为小到完好控制爆破的0.1-0.2m(4-8in.)和大到非控制爆破的2m(7ft)以上。
2. 爆破振动 爆破引起的振动通过地层以位移或应力波的方式传播。如果振动剧烈，这些应力波会造成岩体损坏或对人群造成危害。在城市环境区振动控制尤其重要。在有些出版物中，包括Dowding(1985)，对爆破监测与控制有详细描述。
   1. 在一定爆破距离内察觉的爆破震动烈度随下列几个因素而变。

• 每次独立延时所引起的总装药量(最小8毫秒的延时足以分离两次爆破，以使它们产生的爆破波影响不致交叠)。
• 从引爆到爆炸界点的距离。
• 地面特征（高模量岩石允许高频率地震波穿过，此频率在土壤类物质中会快速阻尼)。
• 爆破限制的程度(限制越大,作为振动能量进入地层的总能量比例也越大)。
• 现场的几何特征有时会集中振动能，如同坚硬和软弱地层的地质特征也能集中振动能那样。

对于给定的炸药量和距离，振动烈度可用剥落规律来估算。通常采用平方根剥落规律，也就是说振动烈度是装药量（W）平方根的函数。最重要的振动参数是最大质点速度，V。

V=H（D/W^1/2）^-B

其中：B是经验确定的幂次方；D/W^1/2称为比例（剥落）距离，H是一个比例距离内的最大速度。这个关系可由速度和比例距离一一对应绘制出一条直线。D以米计，W以千克（炸药量）计，V以毫米/秒计。H的数量随爆破特性、限制和地质环境而变化。H的典型变化范围为100-800（米制单位）；对于给定的地质介质，H可在单个爆破中变化：V型掏槽为250，掘进孔为200，修边孔为150。对于较小的周期，H一般较小。幂次方B一般在0.75-1.75间变化；通常取1.6。对于特定的现场和环境，在试验爆破的基础上，可采用一一点对应绘制来获得该经验关系曲线。许多因素都会影响实测的振动，而且不可能获得精确的关系曲线。相反，数据范围可用来为掘进爆破获得一条安全包络线。作为比例距离函数的最大质点速度的典型范围如图5-4所示。每次延时所允许的装药量与50mm/s(2in/s)振动限制的距离间的典型关系见表5-1（SME 1992）。

• 1. 由爆破造成的建筑物损坏与最大质点速度相关。通常认为50mm/s(2in/s)的最大质点速度不会损坏住宅建筑物或其它建筑与设施。实际上，许多好的建筑都能承担的质点速度远远大于50mm/s(2in/s)。然而，50mm/s(2in/s)是爆破振动可接受的界限。
  2. 当在新浇混凝土附近进行爆破时，必须限制质点速度以避免破坏混凝土。这一点在《地下掘进方法手册》（SME 1992）中

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