梅关隧道工程施工技术

科学出版社职教技术出版中心www.abook.cn ２１世纪技术与工程著作系列·土木工程梅关隧道工程施工技术傅鹤林李凯彭学军郭明香编著北京 内容简介梅关隧道是广东韶关至江西赣州高速公路南雄至大余段的一个关键性控制工程。隧道穿越数条大断层横切的地质复杂的板岩地段，且隧道大部分属于浅埋大跨偏压，对设计、施工有一定影响。施工过程中，设计、施工、监理和监控单位紧密配合，采取了先进的施工技术和科学的管理方法，较好地攻克了各施工难点，取得了满意的效果。本书对该复杂地质条件下浅埋大跨偏压隧道的施工各个环节进行了总结，旨在为类似工程提供参考和借鉴。本书通俗易懂，实用性强，可供隧道工程界的工程技术人员、科技人员及高校师生阅读。图书在版编目（CIP）数据梅关隧道工程施工技术／傅鹤林等编著畅—北京：科学出版社，２００９　（２１世纪技术与工程著作系列·土木工程）ISBN９７８唱７唱０３唱０２４２５７唱０　Ⅰ畅梅…　Ⅱ畅傅…　Ⅲ畅公路隧道隧道工程施工技术　Ⅳ畅U４５９畅２中国版本图书馆CIP数据核字（２００９）第０３６３８６号责任编辑：任加林／责任校对：赵燕责任印制：吕春珉／封面设计：耕者设计工作室出版北京东黄城根北街１６号邮政编码：１００７１７http：／／www．sciencep．com科学出版社中国科学院印刷厂印刷科学出版社发行各地新华书店经销倡２００９年５月第一版开本：B５（７２０×１０００）职教技术出版中心２００９年５月第一次印刷印张：１１１／２www.abook.cn印数：１—１５００字数：２２００００定价：36畅00元（如有印装质量问题，我社负责调换枙科印枛）销售部电话０１０唱６２１３４９８８　编辑部电话０１０唱６２１３７０２６（HB０８） 前言梅关隧道是广东韶关至江西赣州高速公路南雄至大余段的一个关键性控制工程。隧道穿越数条大断层横切的地质复杂的板岩地段，且隧道大部分处于浅埋大跨偏压，对设计、施工有一定影响。为确保工程的顺利进行，设计、施工、监理和监控单位紧密配合，采取了先进的施工技术和科学的管理方法，较好地攻克了各施工难点，取得了满意的效果。为了总结较复杂地质条件下浅埋大跨偏压隧道的施工经验，以达到与同行交流的目的，我们特意编写了本书，旨在为类似工程提供参考和借鉴。本书由具有丰富经验的专家和一线工程技术人员编写而成，内容丰富，对隧道工程技术人员具有较好的参考价值。由于水平有限，不妥之处，敬请指正。本书得到韶赣高速粤境段管理处罗立峰、刘伟泉、罗文涛、张志定、董仁德、靳士宗和中铁十二局梁金瑞、仲辉等的大力支持，此外研究生向俊宇、沈弘、李园园、傅正华、黄陵武、谢启东等在隧道施工监控量测中做了大量工作，为本书提供了第一手素材，本书还参考了邓江于２００２年撰写的枟猫山公路隧道工程技术枠（人民交通出版社）的部分内容，在此一并表示衷心感谢。 目录前言第一章总论…………………………………………………………………………１　　１畅１　梅关隧道左线工程概况…………………………………………………１　　１畅２　隧道工程地质概况………………………………………………………１　　１畅３　施工概况…………………………………………………………………３　　１畅４　施工注意事项……………………………………………………………４　　１畅５　在施工中贯彻新奥法的做法……………………………………………５第二章梅关隧道支护结构设计……………………………………………………７　　２畅１　隧道支护设计思想和方法简介…………………………………………７２畅１畅１　荷载结构设计模式……………………………………………………………７２畅１畅２　信息化设计模式………………………………………………………………７２畅１畅３　连续介质模型———岩石力学解析法和数值法………………………………７２畅１畅４　典型类比分析法………………………………………………………………８　　２畅２　梅关隧道的支护设计……………………………………………………８第三章洞口施工和隧道开挖……………………………………………………１３　　３畅１　简述………………………………………………………………………１３　　３畅２　开挖方法…………………………………………………………………１６３畅２畅１　公路山岭隧道常用开挖方法…………………………………………………１６３畅２畅２　梅关隧道开挖方法……………………………………………………………２０　　３畅３　洞口浅埋段施工工法三维数值模拟……………………………………科学出版社２０３畅３畅１　主洞结构及设计参数…………………………………………………………２１３畅３畅２　计算模型及计算参数…………………………………………………………２１３畅３畅３　计算结果分析…………………………………………………………………职教技术出版中心２２３畅３畅４　两种施工工法对比分析………………………………………………………www.abook.cn２９　　３畅４　Ⅴ级围岩洞身段施工工艺………………………………………………３３３畅４畅１　开挖方法………………………………………………………………………３３３畅４畅２　施工工序………………………………………………………………………３３３畅４畅３　初期支护………………………………………………………………………３４３畅４畅４　出渣……………………………………………………………………………３４３畅４畅５　施工注意事项…………………………………………………………………３４ 　·iv·梅关隧道工程施工技术　　３畅５　钻爆设计与施工…………………………………………………………３４３畅５畅１　简述……………………………………………………………………………３４３畅５畅２　光面爆破………………………………………………………………………４０　　３畅６　梅关隧道的超欠挖控制…………………………………………………４５３畅６畅１　超欠挖的概念和允许值………………………………………………………４５３畅６畅２　造成超欠挖的因素……………………………………………………………４６３畅６畅３　梅关隧道超欠挖的控制措施…………………………………………………５０３畅６畅４　梅关隧道超欠挖的处理………………………………………………………５２第四章辅助施工方法与行人、行车横洞及紧急停车带施工…………………５３　　４畅１　辅助施工方法……………………………………………………………５３４畅１畅１　简述……………………………………………………………………………５３４畅１畅２　梅关隧道采用的辅助施工措施………………………………………………６３　　４畅２　行人、行车横洞及紧急停车带施工……………………………………６６４畅２畅１　行人、行车横洞施工…………………………………………………………６６４畅２畅２　紧急停车带……………………………………………………………………６６第五章在施工中核实隧道围岩级别的方法……………………………………６７　　５畅１　简述………………………………………………………………………６７　　５畅２　围岩分级与标准…………………………………………………………６７　　５畅３　施工前调查与判定围岩级别的方法……………………………………６８５畅３畅１　调查与判断方法………………………………………………………………６８５畅３畅２　围岩预测精度要求……………………………………………………………７０　　５畅４　施工中的地质调查………………………………………………………７０５畅４畅１　地质超前预报…………………………………………………………………７０５畅４畅２　开挖工作面，地质调查的主要内容…………………………………………７３　　５畅５　基于人工神经网络的梅关隧道围岩判别………………………………７３５畅５畅１　人工神经网络原理……………………………………………………………７４５畅５畅２　梅关隧道围岩判别的BP神经网络实现……………………………………８０第六章复合衬砌施工……………………………………………………………８４　　６畅１　简述………………………………………………………………………８４　　６畅２　锚喷支护…………………………………………………………………８４６畅２畅１　简述……………………………………………………………………………８４６畅２畅２　锚杆施工………………………………………………………………………８７６畅２畅３　喷射混凝土施工………………………………………………………………９１６畅２畅４　喷射混凝土质量监控…………………………………………………………９６６畅２畅５　钢架……………………………………………………………………………９８　　６畅３　二次模筑混凝土衬砌施工……………………………………………１０１ 目录·v·　６畅３畅１　施作时机……………………………………………………………………１０１６畅３畅２　灌注混凝土前的准备工作…………………………………………………１０２６畅３畅３　模板台车……………………………………………………………………１０２６畅３畅４　混凝土浇筑作业……………………………………………………………１０２６畅３畅５　二次衬砌防排水……………………………………………………………１０３６畅３畅６　关于脱模时间………………………………………………………………１０３６畅３畅７　二次衬砌施工质置的控制…………………………………………………１０４第七章施工监控量测……………………………………………………………１０５　　７畅１　概述……………………………………………………………………１０５　　７畅２　施工监控量测的目的及任务…………………………………………１０５７畅２畅１　量测的目的…………………………………………………………………１０５７畅２畅２　隧道现场量测的任务………………………………………………………１０６　　７畅３　监控量测项目选择……………………………………………………１０６７畅３畅１　隧道内目测观察……………………………………………………………１０７７畅３畅２　隧道位移量测………………………………………………………………１０７７畅３畅３　支护的应力应变量测………………………………………………………１０９７畅３畅４　围岩应力应变和围岩与支护间接触应力量测……………………………１０９　　７畅４　梅关隧道监控量测……………………………………………………１１０７畅４畅１　地表沉降观测………………………………………………………………１１０７畅４畅２　周边位移量测………………………………………………………………１１０７畅４畅３　围岩位移量测………………………………………………………………１１４７畅４畅４　钢支撑内力量测……………………………………………………………１１５第八章基于位移量测围岩参数反分析的实现…………………………………１１７　　８畅１　概述……………………………………………………………………１１７　　８畅２　围岩参数位移反分析概念及基本原理………………………………科学出版社１１７８畅２畅１　位移反分析…………………………………………………………………１１７８畅２畅２　位移反分析的基本原理……………………………………………………１１７　　８畅３　量测数据优化及弹塑性位移反分析…………………………………职教技术出版中心１２０８畅３畅１　量测数据优化………………………………………………………………www.abook.cn１２１８畅３畅２　量测数据的概率分布（概型）估计………………………………………１２２８畅３畅３　随机模糊理论………………………………………………………………１２５８畅３畅４　围岩材料弹塑性理论………………………………………………………１２８　　８畅４　梅关隧道围岩参数反分析……………………………………………１３２８畅４畅１　施工方法及量测数据优化处理……………………………………………１３２８畅４畅２　反分析确定围岩参数………………………………………………………１３５ 　·vi·梅关隧道工程施工技术第九章信息化施工在梅关隧道的实现…………………………………………１３９　　９畅１　概述……………………………………………………………………１３９　　９畅２　反演正算的基本思路与一般方法……………………………………１３９　　９畅３　应力场分析……………………………………………………………１４０　　９畅４　位移场分析……………………………………………………………１４５　　９畅５　梅关隧道信息化预测…………………………………………………１４９　　９畅６　小结……………………………………………………………………１５０第十章防排水系统………………………………………………………………１５１　　１０畅１　隧道防排水……………………………………………………………１５１１０畅１畅１　水对隧道工程衬砌结构的影响……………………………………………１５１１０畅１畅２　公路隧道防水等级划分……………………………………………………１５２１０畅１畅３　隧道工程防排水原则………………………………………………………１５２１０畅１畅４　隧道工程防排水的基本形式………………………………………………１５３１０畅１畅５　混凝土抗侵蚀措施…………………………………………………………１５３　　１０畅２　梅关隧道防排水概况及措施…………………………………………１５３１０畅２畅１　隧道内外总的防排水措施…………………………………………………１５４１０畅２畅２　防排水系统施工质量控制…………………………………………………１５９第十一章隧道施工监理…………………………………………………………１６２　　１１畅１　概述……………………………………………………………………１６２　　１１畅２　施工准备阶段的监理…………………………………………………１６２　　１１畅３　工程质量监理…………………………………………………………１６３　　１１畅４　工程进度监理…………………………………………………………１６５　　１１畅５　工程费用监理…………………………………………………………１６６　　１１畅６　合同管理………………………………………………………………１６６　　１１畅７　几点体会………………………………………………………………１６７附录A新奥法的特点及理论基础………………………………………………１６８A畅１　新奥法的基本概念……………………………………………………１６８A畅１畅１　简述…………………………………………………………………………１６８A畅１畅２　要点…………………………………………………………………………１６８A畅２　新奥法设计特点………………………………………………………１６９A畅３　新奥法施工特点………………………………………………………１７０A畅３畅１　施工程序……………………………………………………………………１７０A畅３畅２　施工基本原则和要点………………………………………………………１７０附录B挪威法……………………………………………………………………１７２参考文献……………………………………………………………………………１７６ 第一章总论１畅１　梅关隧道左线工程概况梅关隧道工程位于江西省与广东省两省交界处，是韶赣高速公路的重要构筑物。该隧道连接江西省大余县洋坑村和广东省南雄市红梅村，为上下行分离式三车道高速公路长大隧道，本隧道左右线平面均位于直线上，左右洞净距约４０m。本书主要介绍隧道左线工程施工，左线起讫桩号为GK５５＋４０５～GK５７＋７８０，洞高约８畅５m，宽１４畅５m，设计纵坡为０畅９５％、－０畅８％的人字坡，隧道全长２３７５m。梅关隧道左线工程由韶赣高速公路粤境段管理处投资建设，中交第二公路勘察设计研究院与江西省赣南公路勘察设计院共同设计，中铁第十二工程局施工，北京华宏路桥咨询有限公司监理，中南大学土木工程检测中心承担地质超前预报和监控量测。２００６年１１月２１日开工，２００８年４月贯通。１畅２　隧道工程地质概况本隧道区处于由震旦系砂质板岩构成的构造剥蚀中低山区，隧道区最高峰标高为５６０畅７７m，最底标高为２３９畅６７m，相对高差约３２１畅１m。隧道进出口自然坡度较缓，区内植被发育，主要为松树、毛竹、杂草等，通视条件差。隧道区地表径流沿地势由东向西流入山间小沟，地表水径流量随季节而变科学出版社。根据开挖前地质勘测所揭露及区域地质资料，表明本隧道通过的地段地层结构较为简单。表层均为第四系全新统残坡积碎石土，下部为震旦系（Z２l）含炭质板岩和砂质板岩组成。其岩性特征简述如下。el唱dl职教技术出版中心（１）第四系全新统残坡积层（Q４）www.abook.cn碎石土：灰色，稍湿，松散～稍密，由碎石和亚黏土组成，碎石成分主要为强风化板岩，粒径多在２～５cm之间，表层含植物根系，TCR＝７５％～７７％。推荐［σ０］＝２８０kPa，τi＝１２０kPa。（２）震旦系砂质板岩（Z２l）主体岩石为浅灰色、青灰色，层状结构，层理发育，裂隙较发育，碳酸盐充填。进洞口岩层产状为１９５°∠４１°。 ·２·梅关隧道工程施工技术１）全风化砂质板岩：灰色、黄褐色，原岩结构、构造已破坏，干钻可钻进，局部见残余结构，TCR＝７０％～７５％。推荐［σ０］＝３５０kPa，τi＝１２０kPa。２）强风化砂质板岩：褐黄色为主，原岩结构、构造已基本破坏，岩芯呈碎块状少量呈短柱状，裂隙发育，裂隙面见铁锰质染，岩质较软，合金可钻进，该层在钻孔中均有揭露，厚度性较大，TCR＝６１％～６７％。推荐［σ０］＝４５０kPa，τi＝１２０kPa。３）弱风化砂质板岩：青灰色，成分主要为微粒石英、绢云母及岩屑等，岩体较破碎，碎裂状结构，岩芯呈短柱状及少量柱状，裂隙发育，硅质充填，岩质较硬。TCR＝７５％～７７％，RQD＝５０％～５５％，推荐Rb＝３５０００kPa。４）微风化砂质板岩：青灰色，成分主要为微粒石英、绢云母及岩屑等，岩体完整性高，岩芯呈长柱状及少量短柱状，裂隙不发育，碳酸岩及石英质充填，岩质硬，锤击声脆。TCR＝８５％～９０％，RQD＝６５％～６８％，推荐Rb＝４００００kPa。隧道位于震旦系（Z２l）砂质板岩出露区，区内发育有四条规模较大断裂构造，现分述如下：１）裂隙密集带F１在GK５５＋７８５、FK５５＋７６０附近穿过，宽约１０～１５m，其走向为１４０°左右，倾向北东，倾角６０°左右，推测该构造未穿隧道洞身。２）裂隙密集带F２在GK５６＋２２０、FK５６＋２２５附近穿过，宽约２０～２５m，推测富含基岩裂隙水，其走向为１３０°左右，倾向南西，倾角７０°左右，推测该构造未穿隧道洞身。３）裂隙密集带F３在GK５６＋９５５、FK５７＋０３０附近穿过，宽约２０～２５m，推测富含基岩裂隙水，其走向为４０°左右，倾向东南，倾角７０°左右，推测该构造未穿隧道洞身。４）裂隙密集带F４在GK５７＋５３５、FK５７＋６８０附近穿过，宽约１０～１５m，其走向为３５°左右，倾向南东，倾角７０°左右，推测该构造穿越隧道洞身。隧道区以基岩裂隙和第四系岩类孔隙水为主。第四系岩类孔隙水主要赋存于地表残积层中；基岩裂隙水主要赋存于下伏基岩裂隙中，裂隙较发育，赋水性较好，连通较好，与大气降水有直接水力联系，水位埋深一般较大。根据在大梅关隧道进出口和洞身水质分析报告结果表明：隧道区水质为重碳酸型淡水，对钢有复合型弱腐蚀性。区内地下水较丰富，以基岩裂隙水为主，在GK５５＋４２０、GK５６＋２２０、GK５６＋９５０、FK５７＋０２０、GK５７＋４００、FK５７＋５００等里程附近的沟谷内，有地下水常年出露；这些区域在隧道施工过程中有可能出现点滴状或淋雨状出水状态，作为一种不良地质现象，在施工过程中应予以重视。区内其他不良地质现象 第一章总论·３·主要有风化剥蚀。隧道进、出洞口自然坡度角较小，覆盖层薄，岩体破碎，施工时应及时加强支护措施。进洞口左轴线与地层等高线小角度相交，可能会造成洞壁偏压，出洞口轴线与岩层走向的夹角近正交，岩层倾角为４１°，山体自然坡度３１°，可能会产生仰坡失稳，施工时应注意防范。根据枟江西省地震动峰值加速度区划图枠（赣州部分），沿线未来５０年内地区动参数为０畅０５g，为地震烈度Ⅵ度区。因此，沿线区内构造物设计考虑简易抗震设防。隧道进洞口岩层产状为１２０°∠６６°，表层为碎石土和全风化板岩为主，厚度较大，呈松散结构，岩土的稳定性较差，开挖时极易造成坍塌，左洞轴线与地形等高线小角度相交，可能会造成洞壁偏压，建议早进洞，采用导洞法施工成洞较妥，并对洞口的边坡进行加固处理。出洞口岩层产状为１９５°∠４１°，表层为碎石土和强风化板岩为主，呈松散结构，稳定性较差，岩层倾角与坡面基本一致，为顺向坡，倾角４１°，山体坡度３０°左右，可能会产生仰坡失稳，建议晚出洞，采用导洞法施工并对洞口的边坡进行加固处理。根据枟公路隧道设计规范枠（JTGD７０—２００４）中有关围岩分级的规定，结合实地调查、钻孔揭露、钻孔波速测试、浅层地震和大梅关隧道穿越和可能穿越的地层岩性特征及其物理力学指标等资料，以及区内地质构造、地下水等不良地质因素，确定该隧道围岩级别主要为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级。１畅３　施工概况（１）总体方案掘进采取进口（江西端）和出口（广东端）同时推进方案科学出版社。１）明洞段的施工在山坡截水沟施工完成后进行，边坡防护与明洞开挖同步进行。隧道洞口地质较差，所以避开雨季施工，明洞衬砌及洞门结构施工完成后及时回填、绿化。职教技术出版中心２）洞身施工按新奥法组织施工，主要工序采用机械化作业www.abook.cn。Ⅴ级围岩段设计采用双侧壁导坑法施工，后经优化，Ⅴ级围岩地段采用了三台阶法施工，Ⅳ级及以下围岩地段采用台阶法施工。 ·４·梅关隧道工程施工技术（２）隧道主体工程施工主要程序（图１畅１）图１畅１　施工程序图１畅４　施工注意事项梅关隧道施工注意事项如下：１）洞口施工应注意边坡修整圆顺，铺砌整齐。洞门应严格按照设计要求施工，以达到设计效果。２）对于洞口浅埋段应尽快施作二次衬砌，距离掌子面不应超过３０m。对于其他地段也应根据量测信息适当提前施作二次衬砌，以保证初期支护，发挥二次 第一章总论·５·衬砌的承载能力。３）复合衬砌施工应认真执行新奥法的原则，拱部采用光面爆破，边墙采用预裂爆破，加强监测，减少施工过程对围岩的扰动，尽量发挥围岩的自身承载能力。当发现初期支护能力不够时，除应及时加强初期支护外，也可修改二次衬砌支护参数后提前施作二次衬砌。４）施工中应注意钢拱架及钢筋网与围岩的密贴，二次衬砌施作完成后应检查其背后与喷层之间的空隙，一旦发现，应及时回填。５）铺设防水板前应裁除出露的锚杆端部，修整喷设混凝土表面过大的凹凸不平处，以防刺破防水板，铺设过程中应注意防水板的塔接良好。６）施工过程中若发现有较大的地下涌水，则需另外采取对策，如超前预注浆等方法。７）本书未含隧道内通风、照明、消防、监控及供配电工程，施工时应注意相关部分的预留洞室及预埋件的位置。８）隧道施工要重视保护生态环境，实行文明施工，提高机械化水平，尽量减少对隧道附近环境的破坏。１畅５　在施工中贯彻新奥法的做法梅关隧道在长达６００余天的紧张施工中，施工单位在施工过程中贯彻了新奥法的施工理念，未出现任何事故，各项经济技术指标均达到优良水平，隧道的防排水解决最好。在２００８年６、７月两月内连续下了２０多天的大雨，发生多次山洪暴发，而隧道内无一处渗水。（１）全面深入学习新奥法的原理，搞清基本概念新奥法是现代隧道工程先进的施工技术和管理方法之一，采用新奥法不但是梅关隧道争创优质工程的必须，而且是队伍自身建设的必须科学出版社。根据当前隧道工程建筑市场的形势，特别在我国加入WTO之后，我国隧道工程施工队伍如不能在实际中全面提高现代施工管理和施工技术水平，将失去竞争条件和生存能力。所以，施工队伍进入梅关隧道工地之后，始终把贯彻新奥法的宣传教育和思想发动职教技术出版中心工作放在第一位，使广大员工深入了解和掌握新奥法的理论基础www.abook.cn、精神实质、内容和要求。比如，新奥法“三大技术措施”（即光面爆破、喷锚支护、围岩变形量测）的内容是什么，重要性在哪里等，都要求广大施作人员深入了解，以提高他们贯彻新奥法的自觉性和主动性。有了群众的自觉行动，再加上领导和监理的督促检查，使新奥法逐一落到了实处。（２）采用光面爆破技术，提高爆破效果４３梅关隧道每个单洞长２３７５m，共需挖出石方约３２×１０m。要开挖这样巨 ·６·梅关隧道工程施工技术大的石方量，应用好光面爆破技术，对于节约投资、保证工期、保证质量和保证施工安全意义特别重大。由于措施具体，工作到位，使整个爆破作业很少出现哑爆，人员无一伤亡，硬岩光面爆破炮眼痕迹保存率及超欠挖指标基本达到规范要求。由于爆破控制得当，对围岩的扰动小，围岩较为稳定，对后续工序、喷锚支护，二次初砌的施工质量均起了有力的保证作用，所以梅关隧道支护结构基本未出现过开裂现象。（３）做好围岩变形监控量测，保证施工安全梅关隧道的参建人员深深懂得，围岩变形量测是新奥法的核心，是保障施工安全的耳目和哨兵，监控单位长期驻扎在工地进行现场监控量测，按规定的频率量测隧道拱顶沉降量和两边墙的收敛值，共获得数千个数据，并对量测数据进行了回归整理分析，为领导决策提供科学依据。由于量测及时，摸清了各类围岩变形情况和支护结构的稳定规律，从量测的时态曲线中几次发现围岩出现塌方先兆，及时发出险情预报，作了处理，避免了塌方的发生。同时用量测信息进行反分析，发现个别地段的初期支护有不足和过于保守的现象，及时提出了整改建议。总之，梅关隧道围岩变形量测工作受到重视，效果明显，对整个隧道施工安全起到了重要作用。（４）引进先进技术，解决施工难题，提高施工水平复合衬砌参数系首先根据围岩级别、工程地质水文地质条件、地形及埋置深度、结构跨度及施工方法等以工程类比为主拟定，然后应用平面及三维有限元综合程序对施工过程进行模拟分析，定性的掌握围岩及结构的应力发展与变形破坏过程，进一步调整支护参数，最后应用“FUHL隧道结构综合计算程序”对初期支护及二次衬砌内力进行计算确定，施工过程中严格进行相关围岩监控量测。 第二章梅关隧道支护结构设计２畅１　隧道支护设计思想和方法简介目前隧道设计还没有统一的模式。在国际隧道学会归纳的隧道结构设计模型的基础上，从中国地下工程实际出发，我国目前隧道支护设计主要采取以下四种模式。2畅1畅1荷载结构设计模式这种模式是假定已知地压荷载和地层对结构变形的约束抗力（前者在浅埋松散岩土荷载条件下为已知，后者均为假定）的条件下，按弹性地基上杆件系统的结构力学原理进行衬砌内力计算，这种设计方法的概念与地面结构设计相近，容易理解，计算也比较简单，受力明确，容易被设计人员接受，具有一定的使用性。这个方法在一个相当长的时间内是我国中、小隧道及浅埋隧道的主要设计方法。但经过长期实践发现，这种设计模式不能反映实际情况，致使支护结构厚，材料浪费很大。2畅1畅2信息化设计模式２０世纪６０～７０年代，隧道设计支护原则已逐渐被新奥法取代，逐渐演化变出信息化模式，其特点是：隧道开挖后，把围岩和支护系统力学形态的变化动态作为判定围岩稳定的依据，把施工监测所获得的信息加以处理并与工程类比相结科学出版社合，建立一些必要的判断准则，据此利用量测结果进行现场反馈、修改支护设计。这种设计、施工、现场量测为一体，并通过量测信息反馈进行安全施工决策和支护系统设计的方法就是信息化设计方法。目前我国职教技术出版中心枟公路隧道设计规范枠（JTGD７０—２００４）规定衬砌结构设计通过工程类比和结构计算综合分析确定www.abook.cn。2畅1畅3连续介质模型———岩石力学解析法和数值法解析法难以适应隧道工程复杂的地质条件，目前应用较少。常用的数值计算方法主要是岩石力学有限元法，其次是边界元法。 ·８·梅关隧道工程施工技术2畅1畅4典型类比分析法典型类比分析法是当代新奥法隧道工程支护设计的一种新技术，是在中国新奥法隧道工程实践经验基础上对信息化设计技术的应用和发展。在隧道开挖前，应用此法对围岩的变形特性和破坏形态作出定量分析和预测，在施工中利用围岩量测数据进行位移反分析，修正设计，应用变形速率比值判别法对围岩稳定性效果作出定量判别。由于地质条件的千变万化，上述各种方法各有适用的场合和局限性，因此重要隧道在进行支护结构设计时应对多种设计方法进行比较，经验方法和理论方法综合应用。专家指出，对隧道支护这类尚不能完全弄清的复杂问题来说，将经验与理论相结合，即半经验半理论的方法是科学的。地下结构设计不能完全依赖计算，在目前的情况下很大程度上仍需依据经验和实测，这是当今隧道工程支护设计最基本的指导思想和原则。２畅２　梅关隧道的支护设计梅关隧道属于长大隧道，依据现代隧道设计理论，采用信息化设计模式，应用多种方法进行比较，力求作出既安全又经济的设计方案。在预设计中，对隧道主体工程应用工程类比法，初步确定了支护参数后，根据新奥法原理和有关典型工程的经验参数等，对各类围岩预设计参数进行了校核计算，并且应用典型类比分析法对预设计的围岩破坏变形状态进行了初步分析。然后应用平面及三维有限元综合程序对施工过程进行模拟分析，定性掌握围岩和结构的应力发展与变形破坏过程，进一步调整支护参数，应用“FUHL隧道结构综合计算程序”对初期支护及二次衬砌内力进行计算确定。最后通过施工量测得到围岩和支护结构变形的信息进行反分析，校核围岩和支护结构的稳定性。根据隧道埋深及荷载类型的不同共设计了七种衬砌形式（复合式衬砌）（表２畅１）：S５A、S５B、S４A、S４B、S３、S２、ST（紧急停车带）。除明洞结构外，其余衬砌均按照新奥法原理设计，采用复合式衬砌，以锚杆、喷混凝土或钢筋网喷混凝土、钢拱架为初期支护，模筑混凝土或钢筋混凝土为二次支护，在两次衬砌之间设一层EVA复合防水板作为防水层（图２畅１～图２畅４）。 第二章梅关隧道支护结构设计·９·表2畅1复合衬砌各类支护参数围初期支护衬砌岩次衬砌辅助施工类型级锚杆钢筋网喷射混凝土钢拱架别ⅤD２５中空注浆锚矱８钢筋网C２０喷射混拱部６０cm，超前长管棚，超２０b工字钢S５A浅杆，L＝４m，２０cm×凝土厚仰部６０cm前小导管，双壁间距５０cm埋１００cm×５０cm２０cm２８cm（钢筋混凝土）测导坑ⅤD２５中空注浆锚矱８钢筋网C２０喷射混拱部６０cm，２０b工字钢超前小导管，双S５B深杆，L＝４m，２０cm×凝土厚仰部６０cm间距７５cm壁测导坑埋１００cm×７５cm２０cm２８cm（钢筋混凝土）ⅣD２５中空注浆锚矱８钢筋网C２０喷射混拱部５０cm，１８b工字钢S４A较杆，L＝３畅５m，２０cm×凝土厚仰部５０cm超前锚杆间距７５cm差１２０cm×７５cm２０cm２６cm（钢筋混凝土）ⅣD２５中空注浆锚矱８钢筋网C２０喷射混拱部５０cm，１８b工字钢S４B较杆，L＝３畅５m，２０cm×凝土厚仰部５０cm超前锚杆间距１００cm好１２０cm×１００cm２０cm２６cm（钢筋混凝土）矱２２药卷锚杆，矱８钢筋网C２０喷射混S３ⅢL＝３畅０m，１２０２０cm×凝土厚无拱部４５cm无cm×１２０cm２０cm１５cm局部矱８钢科学出版社矱２２药卷锚杆，C２０喷射混筋网S２ⅡL＝２畅５～３畅０凝土厚无拱部４０cm无２０cm×m，局部设置１０cm２０cm职教技术出版中心矱２２药卷锚杆，矱１０钢筋网C２０喷射混www.abook.cnL＝３畅５m及拱部５０cmSTⅢ２０cm×凝土厚无无矱２５预应力锚（钢筋混凝土）２０cm１５cm杆、L＝５m ·０１·梅关隧道工程施工技术 第二章梅关隧道支护结构设计·１１·图２畅２　Ⅴ级围岩衬砌设计断面图（单位：cm）科学出版社职教技术出版中心www.abook.cn图２畅３　Ⅳ级围岩衬砌设计断面图（单位：cm） ·２１·梅关隧道工程施工技术图２畅４　Ⅲ级围岩衬砌设计断面（单位：cm） 第三章洞口施工和隧道开挖３畅１　概述隧道洞口施工是隧道工程的一个难点，常有“进洞难”之说，这主要是因为：１）隧道口部一般要穿过山体表层，而山体表层岩石一般风化较重，稳定性差，如洞口开挖，破坏了原山体坡面的平衡状态，易导致滑坡。如洞口在山体坡陡悬崖处，即使围岩条件较好，也极可能出现崩塌，所以遇此情况，要进洞，必须先加固治理仰坡山体。２）洞口处于浅埋地段，并且围岩破碎软弱，隧道口部成洞也较困难。３）隧道轴线与山体或岩层走向斜交，山体对洞口形成偏压，如不采取特殊措施，也是很难进洞的。４）若上述情况都集中在一座隧道口部，洞口工程就大了。本来在洞口选址时，一般是服从于公路线路的，如洞口地质、地形，水文条件特差，也有线路服从隧道口部的实例。梅关隧道属于三车道隧道，跨度较大，净空较高，同时隧道部分洞口位于缓坡或偏压地段，为了保证不可避免出现的较高边仰坡的稳定，尽量恢复洞口自然景观，在该种地段洞口段设置了一段明洞（图３畅１～图３畅３）。梅关隧道左右洞４个洞口均采用与自然地形较协调和较简洁的削竹式洞门。洞口各坡面设计均采用植草绿化，除植草外，还可根据情况种植乔木、灌木及竹林等，以增大遮阳和降低洞口亮度的作用，同时净化污染空气科学出版社，尽量减少二次污染。在进行洞口段施工前，先做好山坡上截水沟。洞口段边、仰坡防护工程应从上到下边开挖边喷锚防护，严禁暴露时间过长（职教技术出版中心一般不超过两个月），同时应尽早施作明洞、洞门等结构并及时进行回填、绿化。www.abook.cn梅关隧道左线江西端如将洞口大幅内移，洞外需施作一段近２０～４０m高的高边坡，对施工及后期运营均形成安全隐患；且根据江西省环境影响评价要求，梅关隧道江西端洞口为大梅关古遗道风景区，不宜出现高挖方边坡对周边整体环境造成影响，因此将洞口超浅埋段改成明洞并按原地面线进行回填，以保证原有地形地貌。 ·４１·梅关隧道工程施工技术图３畅１　左线出口广东端洞口和洞门（单位：cm） 第三章洞口施工和隧道开挖·５１·图３畅２　明洞回填坡面防护设计（单位：cm）科学出版社职教技术出版中心www.abook.cn图３畅３　梅关隧道左线进口江西端洞口和洞门（单位：cm） ·６１·梅关隧道工程施工技术３畅２　开挖方法3畅2畅1公路山岭隧道常用开挖方法１畅全断面开挖法全断面开挖法就是按照隧道设计轮廓一次爆破成型，然后进行喷锚支护和二次衬砌的施工方法。（１）施工顺序１）测量放线，用红漆在掌子面上标出隧道设计轮廓线。２）按照爆破设计钻眼，装药连线。３）引爆炸药，开挖出整个隧道的断面轮廓。４）排除危石，安装拱部锚杆和喷射第一层混凝土。５）用装渣机械将石渣装入出渣车运出洞外。６）安装边墙锚杆和喷射第一层混凝土。７）必要时拱、墙喷射第二层混凝土。８）按上述工序开始下一轮循环作业。９）在围岩和初期支护基本稳定后，按设计要求施作二次模筑混凝土衬砌及灌注隧道底部混凝土。（２）使用条件１）Ⅱ～Ⅲ级整体性好的围岩；用于Ⅲ级围岩时，围岩应具备从全断面开挖到支护前这段时间内保持短期内稳定的条件。２）有大型施工机械。３）隧道长度或施工区段长度不宜太短，根据经验一般不应小于１km，否则采用大型机械化施工，其经济价值较低。４）全断面法不适用于三车道隧道和停车带区段开挖因此整条隧道开挖过程中，未采用全断面开挖法。采用全断面一次开挖法，必须注意机械设备的配套，以充分发挥机械设备的效率。隧道机械化施工，有三条主要的作业线，即开挖作业线、锚喷作业线及模筑混凝土衬砌作业线。它们所采用的大型机械设备有：１）开挖作业线：钻孔台车、装药台车，装载机配合自卸汽车（无轨运输），装渣机配合矿车及电瓶车或内燃机车（有轨运输时）。２）锚喷作业线：混凝土喷射机、混凝土喷射机械手、锚喷作业平台、进料运输设备及锚杆注浆设备。３）模筑混凝土衬砌作业线：混凝土拌和站、混凝土输送车及输送泵、防水 第三章洞口施工和隧道开挖·７１·板作业平台、衬砌台车。（３）施工特点１）工序少，便于施工组织和施工管理。２）开挖一次成型，对围岩扰动少，有利于围岩的稳定。３）开挖断面大，可采用深孔爆破以提高爆破效果，加快掘进速度，如大瑶山隧道最深钻孔达５畅１５m，单口月成洞达１５０～２４０m。４）开挖工作面大，有利于采用大型施工机械设备，实现综合机械化作业，从而提高劳动效率，降低劳动强度，降低工程造价。２畅蘑菇型大断面开挖法适用条件：１）Ⅲ～Ⅳ级完整性相对较好的围岩。２）深埋隧道。２３）开挖断面较大的洞室，一般在１００m左右。施工特点：１）工序相对较少，施工速度较快。２）开挖对围岩的扰动较少，有利于围岩维持自身的稳定性，施工安全易于保证。３）拱部与边墙施工一般应错开５０m以上。３畅台阶法台阶法是指正台阶二步开挖法，它是全断面一次开挖法的改进方法，多用于围岩能短期内处于稳定的地层中。目前我国约７０％的隧道采用此法开挖。台阶法根据台阶长度的不同，可划分为长台阶法、短台阶法和超短台阶法三种，在施工中究竟采用哪种台阶法，应根据以下两个条件决定科学出版社：１）对初期支护形成闭合断面的时间要求，围岩越差，要求闭合时间越短；２）对上部断面施工所采用的开挖、支护、出渣等机械设备所需施工场地大小的要求。职教技术出版中心在软弱围岩中以前一条件为主并兼顾后者，以确保施工安全www.abook.cn，在较好围岩中主要考虑如何更好地发挥机械设备的效率，创造更大的经济效益，应以后一条件为主。（１）长台阶法这种方法的上下台阶之间的距离较远，一般上台阶超前５０m以上，或大于５倍洞跨。施工中上下部配属同类机械进行平行作业，当机械不足时也可用同一套机械设备交替作业。当隧道长度较短时，可先将上半断面贯通后，再进行下半 ·８１·梅关隧道工程施工技术断面施工，此时称为半断面法。相对于全断面法来说，长台阶法一次开挖的断面较小，有利于维持开挖面的稳定。（２）短台阶法这种方法的上部台阶长度小于５倍但大于１～１畅５倍洞跨，上下断面多采用平行作业，由于短台阶法可缩短支护闭合时间，改善初期支护的受力条件，有利于控制围岩的变形，故其使用范围较广，多用于Ⅲ、Ⅳ级围岩。短台阶法的缺点是上部台阶出渣时对下部断面干扰较大，不能全部平行作业。另外，在施工中应注意：若量测结果表明初期支护变形显著时，应缩短台阶长度，提高闭合全断面初期支护。（３）超短台阶法这种方法的上台阶仅超前３～５m，只能用交替作业施工，适用于Ⅳ级以下的软弱围岩。超短台阶法的缺点：上下断面相距较近，机械设备集中，作业时间相互干扰大，生产效率低，施工速度慢。４畅台阶分步开挖留核心土法这种方法一般将开挖断面分为环形拱部、上部核心、下部台阶三部分，主要适用于土质较坏地段，将环形拱部断面分为一块或几块开挖。环形开挖尺寸一般为１～１畅５m，不宜过长。台阶分部开挖留核心土法，因上部留有核心土支挡开挖工作面，且施工时能迅速及时地施作拱部初期支护，所以开挖面稳定性好。核心土和下部开挖均是在拱部支护完成的情况下进行的，施工较安全。５畅CD法（中隔墙法）此法一般将断面分为四块，此法适应于断面跨度大、地表沉陷难于控制的软弱松散围岩中的浅埋隧道。对于短隧道，可以先行开通侧壁导坑再开挖后行导坑上、下部，两台阶之间的距离可视围岩情况采用短台阶法或超短台阶法确定。此法曾成功运用于北京地铁复兴门折返线工程。６畅双侧壁导坑法（眼镜法）此法将整个断面分成６块：左导坑上部１、左导坑下部２、右导坑上部４、右导坑下部５、中央部拱顶７、中央部及其他部分９，如图３畅４所示。双侧壁导坑法适用于断面跨度较大、地表沉陷要求严格、围岩条件特别差的浅埋隧道。优点：①该法施工引起的地表沉陷量较小，一般仅为短台阶法的１／２；②施 第三章洞口施工和隧道开挖·９１·工安全易于保证。缺点：①因其有两个侧壁，施工成本较高；②施工速度较慢。双侧壁导坑法曾在北京地铁西单车站等工程中成功运用。７畅CRD工法（中隔墙法）为了增加掌子面的稳定，控制下沉量，可采用增设临时仰拱的措施封闭成环，即CD工法变成CRD工法，具体开挖顺序如图３畅５所示。图３畅４　双侧壁导坑法开挖及图３畅５　CRD工法开挖及支护顺序图支护顺序图１畅左导洞上部开挖；２畅左导坑下部开挖；３畅１畅左侧上部开挖；２畅施做左上初期支护及上隔墙临左右导坑施做支护并尽快闭合；４畅左右导坑上时支护；３畅浇注左侧临时仰拱封闭开挖工作面；４畅部开挖；５畅右导坑下部开挖；６畅右导坑施做初左侧下部开挖；５畅施做下部初期支护及下隔墙临时期支护并尽快闭合；７畅中央拱顶开挖；８畅中央支护；６畅浇注左侧仰拱混凝土；７畅右侧上部开挖；部分是做初期支护；９畅中央其他部分开外；８畅施做右侧上部初期支护；９畅浇注右侧临时仰拱封１０畅浇注仰拱混凝土并闭合成环；１１畅拆除左右闭开挖工作；１０畅右侧下部开挖；１１畅施做右侧下部隔墙临时支护；１２畅施做全周二次衬且混凝土初期支护；１２畅浇注右侧仰拱混凝土；１３畅拆除中隔墙及临时仰拱科学出版社；１４畅施做全周二次衬且混凝土CRD法适用于浅埋软岩的大跨或特大跨隧道，它具有台阶法及侧壁导坑法的优点，与侧壁导坑法相比具有较快的施工速度；同时，该法通过中隔墙的减跨、临时仰拱及时封闭成环组成有力的支护体系职教技术出版中心，能非常有效地控制拱部下部与收敛。www.abook.cnCDR工法仍存在排除地下水与软岩层加固的问题。如果地下水排除困难，施工安全性不易保障，可采用从一个台阶到另一个台阶进行注浆加固的办法。也可在下部台阶设超前排水管，利用真空法抽水，效果很好，CRD工法最适用于上软下硬或半软半硬的地层，一旦下部围岩变硬，马上可以转换为上弧导法施工，半软半硬地层转换成CD法施工，施工方法比较灵活。上述施工方法比较，见表３畅１。 ·０２·梅关隧道工程施工技术表3畅1几种施工方法比较项目全断面法台阶法CD法双侧壁导坑法CRD法工法的安全性不够安全不够安全较安全安全安全施工技术难度低较低较高高高施工机械类型大型大、中型中、下型小型小型施工工序简单较简单较多多多工程造价低较高较高高高掌子面的稳定性差较差较好好好地表沉陷大较大较小小小周边收敛控制差较差较好好好地质条件好，有三条地质条件较地质条件较跨度大、地质条件差、适用范围机械化施工作业线好、技术熟练差、安全要求高安全要求高安全要求高目前在隧道施工中，常常需要借助工程类比或数值分析手段来获得更详细的、定量的、确定性的具体建造方法。在进行具体分析时，考察的指标主要是地表位移、拱顶下沉、侧墙位移、围岩塑性区或松动区、锚杆轴向力、喷层应力、钢架内力及其弯矩等，显然这些指标的权重因具体隧道工程而异。如城市地铁大跨隧道要严格控制地表沉降和防止有害震动，需采用双侧壁导坑法并辅助大管棚超前支护为宜；如越岭大跨隧道一般侧重于施工安全、快速、简便的施工方法，应综合考虑投资与工期的关系，可选择CD法、CRD法或双侧壁导坑法，并根据地质条件适时转换施工方法。3畅2畅2梅关隧道开挖方法综上所述，结合隧道所处地段围岩岩性、水文地质情况、施工安全和施工效率等因素，梅关隧道可选用的施工方法见表３畅２。表3畅2适用于梅关隧道各地质段施工方法隧道地质段洞口段（Ⅴ级围岩段）Ⅳ级围岩段Ⅲ级围岩段Ⅱ级围岩段双侧壁导坑法微台阶法上下台阶法上下台阶法可选用的施工方法微台阶法上下台阶法全断面法全断面法３畅３　洞口浅埋段施工工法三维数值模拟依据地质勘查资料所述，广东端进口段表层土体以碎石土和全风化砂质板岩为主，厚度较大，呈松散结构，岩土的稳定性较差，开挖时极易形成坍塌，因此，在设计上采用双侧壁导坑法施工方案，结合有关的隧道施工经验资料以及借鉴本隧道右线施工中多次塌方的经验和教训及监控量测反馈结果提出了微台阶 第三章洞口施工和隧道开挖·１２·（３层短台阶分步平行开挖，每层台阶长４m）施工方法。３D首先采用FLAC对上述的两种施工工法进行三维数值模拟，对隧道开挖后的围岩位移场、应力场以及塑性区进行分析，分析它们对围岩扰动情况，比较两种开挖方法的优劣。3畅3畅1主洞结构及设计参数本节所研究的计算段里程为GK５７＋７３０～GK５７＋６８０，埋深约为５～１５畅５m。初期支护采用锚喷支护，并采用外径４２mm、壁厚３畅５mm、长３畅５m的热轧无缝钢管超前小导管进行预加固，超前小导管施工时，钢管以１０°～１５°外倾角打入围岩，钢管环向间距４５cm；锚杆采用矱２５mm中空注浆锚杆，长度为４m，间距１００cm（环向）×５０cm（纵向），梅花型布置。钢拱架采用２０b工字钢，纵向间距５０cm，喷射C２０素混凝土，厚度２８cm，二次衬砌采用C２５钢筋混凝土，厚６０cm。3畅3畅2计算模型及计算参数根据隧道现场实际地质情况和计算需要，模型横向（x方向）计算范围两侧宽度各取距隧道中心４０m，竖向（z方向）取５０m，计算深度（y方向）取隧道底面下方３７m，垂直向上方向取至地表；x轴向左为正，z轴向内为正，y轴向上为正。微台阶施工法模型由５２０００个单元和５６７０５个节点组成（图３畅６），双侧壁导坑法施工法模型由５１９２５个单元和５６６０１个节点组成（图３畅７）。边界条件采用位移边界条件和应力边界条件，即模型的左右两侧（x方向）施加x方科学出版社职教技术出版中心www.abook.cn图３畅６　微台阶施工法三维数值模拟计算网格 ·２２·梅关隧道工程施工技术图３畅７　双侧壁导坑施工法三维数值模拟计算网格向的位移约束条件，前后面（z方向）施加z方向的位移约束条件，底面施加y方向的位移约束条件，顶面为自由面。计算中围岩采用Mohr唱Coulomb屈服准则，初期支护和二次衬砌均视为线弹性体。在参考梅关隧道有关地质勘探资料的基础上，得出的数值模拟所采用的计算参数见表３畅３。表3畅3梅关隧道广东端进口段受力计算参数计算参数名称弹性模量黏聚力密度内摩擦角／（°）泊松比μ面积A／m２E／MPa／kPaρ／（kg／m３）亚黏土６畅５２畅１×１０１９１９０００畅４０—全风化岩层６×１０２畅５×１０２４２１０００畅４２—强风化岩层１畅５×１０２１畅５×１０２３０２３０００畅３２—锚杆２畅１×１０５————４畅９１×１０－４超前小导管２畅１×１０５————１畅３８５×１０－３初期支护２畅１×１０４２畅０×１０３４５２５０００畅１６７—二次衬砌２畅９５×１０４２畅０×１０３４５２５０００畅１６７—3畅3畅3计算结果分析１畅围岩位移场分析　　（１）双侧壁导坑法隧道开挖后，洞周位移的变化最能直接反映围岩的稳定性。双侧壁导坑法开挖时关键工序的围岩位移场变化过程如图３畅８所示。左侧导坑开挖支护后隧道围 第三章洞口施工和隧道开挖·３２·科学出版社职教技术出版中心www.abook.cn图３畅８　双侧壁导坑法开挖围岩位移场变化过程（单位：m） ·４２·梅关隧道工程施工技术岩的水平方向（x方向）最大位移出现在洞壁的中上部，最大位移值约为１畅０６cm；竖直方向（y方向）的位移在开挖侧明显要大得多，由于拱顶受到的约束较大，最大沉降值并没有出现在拱顶，而是出现在开挖洞室跨中的位置，约为１畅４０cm；底部向上隆起的最大值约为１畅５９cm。右侧导坑开挖支护后隧道围岩的水平方向（x方向）最大位移出现在左侧洞壁，最大位移值约１畅６２cm，右侧壁的最大位移值约１畅５０cm；竖直方向（y方向）的最大位移出现在左、右侧导坑的中上部位置，最大值约为２畅９８cm；底部向上隆起的最大值增加到约为２畅９６cm。隧道中部上台阶开挖并支护后围岩位移场出现了很大的变化，隧道左侧导坑围岩的水平方向（x方向）最大位移增加到约１畅８１cm，右侧导坑围岩的水平位移最大值约为１畅５０cm；隧道拱顶上方产生了一定程度的松动，结果造成了一个山丘状的主要下沉区域，其沉降值将随着距离隧道拱顶距离的增加而减少，拱顶的最大下沉量增加到３畅５６cm，底板的最大隆起量增加到３畅２６cm。隧道中部中台阶开挖后洞壁的水平方向（x方向）最大位移值增加到约为２畅１８cm；拱顶的最大下沉量增加到４畅１８cm，底板的最大隆起量增加到３畅６３cm。隧道中部下台阶开挖并拆除临时支护后洞壁的水平方向（x方向）最大位移值增加到约２畅２５cm；拱顶的最大下沉量增加到４畅８７cm，底板的最大隆起量增加到３畅８９cm。（２）微台阶法微台阶法开挖时关键工序的围岩位移场变化过程如图３畅９所示。隧道上台阶开挖支护后，拱部两侧围岩水平位移的最大值达到了１畅２０cm，拱顶的最大沉降量为７畅２０cm，底板向上最大隆起值约为２畅４０cm。隧道中台阶开挖支护后，其两侧围岩x方向的最大位移约为１畅５０cm，拱顶的最大沉降由７畅２０cm增加到１０畅００cm，底板向上最大隆起值降约为２畅３２cm。隧道下台阶开挖支护后，其两侧围岩x方向的最大位移变化不大，但拱顶的最大沉降增加到约１１畅４５cm，底部向上隆起值继续下降，降到约为１畅６８cm。２畅围岩应力场分析新奥法指出围岩本身具有“自承”能力，采用正确的设计施工方法，最大限度地发挥这种“自承”能力，其重点在于：尽可能地不要恶化围岩中的应力分布，开挖之后立即施作初期支护，防止岩石的进一步松动，然后再根据具体情况进行第二次支护。围岩的应力场在不同的施工过程中处于不同的状态，因此，准确了解各施工阶段围岩应力场的变化，以便于施工过程中对围岩进行密切监测，调整支护措施，控制变形，保证施工安全，就具有很重要的现实意义。（１）双侧壁导坑法图３畅１０分别列出了双侧壁导坑法开挖时关键工序的围岩竖向和横向应力的 第三章洞口施工和隧道开挖·５２·科学出版社图３畅９　微台阶法开挖围岩位移场变化过程（单位：m）变化过程（图中围岩应力负值表示受压，正值表示受拉）。从图３畅１０中可看到，左侧导坑开挖支护后围岩大部分处于受压状态，职教技术出版中心从竖向应力来看在左侧导坑的拱腰位置产生月牙状高应力区，最大应力值约为－１畅０４MPawww.abook.cn，拱肩位置则产生了０畅２０～０畅９１MPa拉应力；而底板，由于开挖后应力的释放，应力水平较小，最大应力值为－０畅２MPa；从横向应力可以看出，在导坑顶部的尖角处产生了应力集中现象。右侧导坑开挖支护后两侧洞壁和底板上的压应力值范围变化不大，但洞壁上半部的拉应力值有一定的增加，最大值达到了１畅７９MPa；导坑顶部尖角处产生的应力集中现象继续加强。隧道中部上台阶开挖支护后，两侧导坑的拱腰位置竖向最大压应力值增大到－１畅４８MPa，由于初期支护的封闭成环两侧导坑 ·６２·梅关隧道工程施工技术图３畅１０　双侧壁导坑法开挖围岩应力场变化过程（单位：MPa） 第三章洞口施工和隧道开挖·７２·拱肩位置的拉应力有所下降，最大拉应力降到１畅２３MPa；拱顶的水平应力集中现象消失并出现了较大的压应力，这跟中部上台阶开挖和初期支护封闭成环开始承受上部围岩压力的情况相符。隧道中部中台阶开挖后，两侧导坑洞壁的竖向应力的压应力值继续增大拉应力值继续减小，最大压应力达到了－１畅８４MPa，最大拉应力减小到０畅６５MPa；底板小部分区域出现了较小的拉应力，最大值为０畅２５MPa；拱顶的水平压应力值继续增加，最大值增加到－３畅７３MPa。隧道中部下台阶开挖并拆除临时支护后，两侧导坑洞壁的竖向应力的压应力值增大到－２畅２５MPa，拉应力值继续减小，最大拉应力减小到０畅４６MPa，拱顶的水平压应力值继续增加；底板拉应力区有所扩大。（２）微台阶法图３畅１１分别列出了微台阶法开挖时关键工序的围岩竖向和横向应力的变化过程。从图３畅１１可以看出，上台阶开挖及初期支护施作后，围岩应力基本对称分布，洞顶和上台阶底部的竖向围岩应力由于开挖卸载而产生了较大下降，形成低应力区，同时左右拱脚出现高应力区，应力值主要在－０畅３０～－０畅４２MPa；在拱顶位置产生了较大的横向应力，应力值主要在－０畅７５～－１畅０５MPa，并在初期支护的表面出现了较大的拉应力；上台阶表面部分范围出现拉应力。中台阶开挖及初期支护施作后，洞顶低应力区有所扩大，同时左右拱腰处出现了较大范围的高应力区，最大应力值达到了－１畅８８MPa，上台阶及中台阶的表面受拉，但应力值不大；拱顶的横向应力值有大的增加，应力值主要在－２畅００～－３畅２６MPa之间，初期支护表面的拉应力值有较大的减小，应力值主要在０～０畅６４MPa之间；中台阶表面部分位置出现拉应力。下台阶开挖及初期支护施作后，洞顶低应力区变化不大，洞壁两侧高应力区范围继续增大，应力值也继续增加，应力值主要在－１畅５０～－２畅７１MPa之间，底板部分范围受拉，但应力值不大；拱顶的横向应力值继续增加，最大应力值增加到－３畅５３MPa，但初期支护表面的拉应力消失，变成受压状态；拱腰部分范围出现水平方向拉应力科学出版社。３畅塑性区分析在用FLAC３D模拟中采用Mohr唱Coulomb本构关系时，通过式（３畅１）、式s职教技术出版中心（３畅２）判断岩体的屈服，在式（３畅１）中若f＜０，则表示岩体发生剪性屈服，swww.abook.cn若f≥０，则表示岩体未发生剪性屈服。当法向张应力为张应力时，则超出了Mohr唱Coulomb准则的力学有效性范围，此时要求最小主应力不得超过岩体的抗tt拉强度σ，否则将出现张性屈服，其判别式为（３畅２），若f＜０则表示岩体发生t张性屈服，若f≥０，则表示岩体未发生张性屈服。sf＝σ１－σ３N矱＋２cN矱（３畅１）ttf＝σ－σ３（３畅２） ·８２·梅关隧道工程施工技术图３畅１１　微台阶法开挖围岩应力场变化过程（单位：MPa）３D同时，由于FLAC采用全部动力平衡方程求解应力、应变问题，因此其所输出的破坏区分布数据均赋予相对时间概念，分为现在（用n表示）和过去（用p表示）两种。加之上述两类破坏形式，共分为如下五种情况：１）none：表示未破坏。２）shear－n：表示现在剪切破坏。３）shear－p：表示现在弹性状态，但过去剪切破坏。４）tension－n：表示现在张拉破坏。５）tension－p：表示现在弹性状态，但过去张拉破坏。 第三章洞口施工和隧道开挖·９２·如图３畅１２和图３畅１３所示，在隧道开挖过程中，隧道周边浅部围岩中出现了厚度不等的塑性破坏区，比较而言以拱顶部位、墙角、拱腰和底板处的塑性破坏较为严重，这些地方也常常是最大主应力、最小主应力集中区。很显然，双侧壁导坑法施工所产生的塑性区范围要小于微台阶法施工所产生的塑性区，但在双侧壁导坑法施工中其两侧导坑底板处所产生的塑性区较微台阶法施工同一部位所产生的塑性区范围大且发展深度也要深些。图３畅１２　一个开挖步后双侧壁导坑法开挖围岩塑性区科学出版社图３畅１３　一个开挖步后微台阶法开挖围岩塑性区职教技术出版中心3畅3畅4两种施工工法对比分析www.abook.cn由前面计算结果分析可知，对于相同的支护措施，在分别采用两种不同施工工法时，由于开挖和支护顺序不同，使得围岩应力释放的先后次序不同，最终导致围岩位移场、应力场和塑性区的分布情况有所不同。 ·０３·梅关隧道工程施工技术１畅围岩位移场对比分析由于隧道进口段岩体破碎岩土的稳定性较差，为能更好的表现两种施工工法所产生的围岩位移场变化，在数值模拟中分别选取了洞室不同位置处（图３畅１４）具有代表性的工程部位，设置数值模拟观测点，对该部位的位移值进行全过程的追踪记录，获得了各观测部位的位移值的历时变化曲线，如图３畅１５和图３畅１６所示。由于两边观测点为对称分布，现取左侧部分观测点进行分析。图３畅１４　观测点布置图图３畅１５　x向位移随相对时间变化曲线　　（１）x向（向左为正）位移从图３畅１５可以看出，采用两种施工工法分别开挖后，水平位移都向临空面方向移动，且随着开挖的逐步深入位移量值逐渐增大，开挖完毕时，水平位移量值分别为双侧壁导坑法的－１畅３６cm和微台阶法的－０畅８cm。 第三章洞口施工和隧道开挖·１３·图３畅１６　y向位移随相对时间变化曲线左侧拱腰位置处，双侧壁导坑法开挖后所引起的水平位移都向临空面方向移动，且随着开挖的逐步深入位移量值逐渐增大，开挖完毕时，水平位移量值为－１畅６９cm；微台阶法开挖后的水平位移历时变化曲线揭示了一个较为特殊的围岩变形演化过程，即在上台阶开挖并支护完毕后该点水平位移向临空面方向移动，但中台阶开挖支护后的前面部分计算时步该点向临空面方向移动而后面部分计算时步却向开挖面两侧移动，下台阶开挖支护后左该点产生了向临空面方向移动的趋势，但最终又向开挖面围岩内侧方向移动，位移量值为４mm。产生这种现象的原因可能是由于在初始应力场条件下，上台阶和中台阶开挖后的洞室形态产生了明显的“拱”效应，造成拱上部的围岩向拱中心移动，而使左侧拱腰位置处的围岩向两侧移动所致。科学出版社左侧拱肩处，采用两种施工工法分别开挖后，水平位移都向临空面方向移动，且随着开挖的逐步深入位移量值逐渐增大，开挖完毕时，水平位移量值分别为双侧壁导坑法的－１畅７８cm和微台阶法的－１畅１５职教技术出版中心cm。（２）y向（向上为正）位移www.abook.cn从图３畅１６可看出，采用微台阶工法施工，拱顶围岩的竖向位移比采用双侧壁导坑法施工拱顶围岩竖向位移大很多。微台阶工法施工时，上台阶开挖并施作初期支护后所产生的拱顶沉降约占总沉降量的７１％，中台阶和下台阶开挖并施作初期支护后所产生的拱顶沉降约占总沉降量的２９％。双侧壁导坑法施工时，侧导洞开挖、中洞上台阶开挖施工引起的拱顶沉降量较大，中台阶和下台阶开挖施工引起的拱顶沉降量较小。显然，无论是采用微台阶工法还是双侧壁导坑法施 ·２３·梅关隧道工程施工技术工时，上台阶开挖后的支护措施是控制上部围岩变形的关键环节。从两种不同的施工工法来看，随着开挖的不断深入，底板中心隆起位移都不断增大，开挖结束时，采用微台阶工法和双侧壁导坑法施工所产生的底板中心最大隆起值分别为１畅６８cm和１畅５２cm。２畅围岩应力场对比分析将双侧壁导坑法和微台阶法各个施工步所产生的最大竖向和横向应力值列表，见表３畅４。表3畅4两种工法各个施工步所产生的应力值（单位：MPa）应力方法工序竖向应力横向应力SSSSyyyyxxyymaxminmaxmin左侧导坑开挖支护后０畅９１９－１畅０４４０畅６３１－０畅７８３双侧右侧导坑开挖支护后１畅７９１－１畅１２３１畅１３６－０畅９２６壁导中部上台阶开挖支护后１畅２３９－１畅４８３０畅４９４－２畅６４３坑法中部中台阶开挖支护后０畅６５３－１畅８３９０畅３２０－３畅７３４中部下台阶开挖支护后０畅４６８－２畅２５４０畅２０８－４畅１２７上台阶开挖支护后０畅２４７－０畅４２８１畅４０６－１畅０５７微台中台阶开挖支护后０畅３９０－１畅８８６０畅６４８－３畅２６５阶法下台阶开挖支护后０畅４１４－２畅７１４０畅３４１－３畅５３７从表３畅４可以看出，在双侧壁导坑法施工过程中，右侧导坑开挖支护后初期支护上的横向和竖向拉应力达到最大值，其值分别为１畅７９１MPa和１畅１３６MPa，由于初期支护为２０b工字钢拱架和２８cm厚喷射混凝土共同作用体，因此，在此拉应力值下初期支护仍是安全的；中部上台阶开挖拱部支护后，拉应力值有了较大的减小，当中部下台阶开挖完成后横向和竖向拉应力减少到最小值，其值分别为０畅４６８MPa和０畅２０８MPa；压应力值随着隧道的开挖一直呈增大趋势。在微台阶法施工过程中，上台阶开挖支护后初期支护表面产生了最大值为１畅４０６MPa的横向拉应力，随着隧道施工的进展，拉应力逐渐减小；纵观整个开挖过程，无论是拉应力还是压应力一般都小于双侧壁导坑法施工所产生的拉应力和压应力。由前面的分析可知，对于相同的支护措施，两种方案分别开挖时，由于开挖和支护顺序的不同，使得围岩应力释放的先后次序不同，最终导致围岩应力场和位移场以及支护应力场和塑性区分布的不同。下面从数值上进一步分析。围岩位移场：微台阶法方案的拱顶沉降量要远大于双侧壁导坑法方案。由于双侧壁导坑法施工时左右侧导坑的开挖会产生大的临空面，所以双侧壁导坑法所产生的水平位移要略大于微台阶法所产生的水平位移。 第三章洞口施工和隧道开挖·３３·围岩应力场：双侧壁导坑法开挖时产生的拉应力最大，但影响不大。由于双侧壁导坑法方案开挖隧道时因施工步骤多而对围岩的扰动也较大产生的压应力最大。微台阶法方案开挖时因施工步骤少而对围岩的扰动最小，其拉应力和压应力也都小于双侧壁导坑法。塑性区：双侧壁导坑法开挖时产生的塑性区要小于微台阶法开挖时产生的塑性区。综上所述，在相同的支护措施下，双侧壁导坑法方案进行Ⅴ级围岩洞口浅埋段隧道施工时，与微台阶方案相比围岩位移值小，但开挖工序多，对围岩扰动大而且相对的延长了初期支护全断面闭合的时间，围岩的应力场逊于微台阶法，同时增加了临时支护、增加了工序，相应的提高了工程造价，使工程进度相对较慢。综合比较，在梅关隧道广东端洞口浅埋段隧道施工时，工程中推荐使用微台阶法。３畅４　Ⅴ级围岩洞身段施工工艺3畅4畅1开挖方法Ⅴ级围岩地质，初期洞身施工。采用双侧壁导坑法，侧壁导坑施工中采用钢架、锚杆、超前锚杆、钢筋网、喷射混凝土等临时支护。3畅4畅2施工工序具体的施工顺序如图３畅１７所示。科学出版社职教技术出版中心www.abook.cn图３畅１７　隧道双侧壁导坑法施工顺序图Ⅰ畅左侧导坑开挖；２畅左侧导坑初期支护；Ⅲ畅右侧导坑开挖；４畅右侧导坑初期支护；Ⅴ畅拱部及核心土上台阶开挖；６畅拱部初期支护；Ⅶ畅核心土下台阶开挖；８畅仰拱混凝土灌注及仰拱回填；９畅浇注两侧二次衬砌混凝土基础 ·４３·梅关隧道工程施工技术3畅4畅3初期支护对于Ⅴ级围岩地段由工字钢拱架、径向锚杆、钢筋网及喷射混凝土组成，而对于Ⅲ～Ⅳ级围岩地段则由径向锚杆、钢筋网及喷射混凝土组成。工字钢架具有刚度大，发挥作用快的特点，这一点对于岩体自稳能力差，跨度大的隧道特别重要。每榀工字钢之间用矱２２的钢筋连接，并与径向锚杆及钢筋网焊接为一体，与围岩密贴，形成承载结构。当围岩特别差、周边位移量很大时，初期支护在环向设置伸缩缝。3畅4畅4出渣出渣采用装载机、推土机、挖掘机与自卸汽车配合使用。3畅4畅5施工注意事项１）导坑施工是隧道施工中主要的环节，必须十分重视保护围岩，尽量减少对围岩的扰动。２）隧道左、右两侧导坑宜以３～５m长为一段交替前进开挖，严禁同时开挖，导坑掌子面应用喷射混凝土及时封闭，以保证开挖面的稳定。３）喷射混凝土应紧随开挖掌子面施作。钢拱架的拱脚或底脚不得置于废渣上。４）侧导坑施工中应按监控量测设计要求，埋设洞内观测点，实施监控量测，并及时反馈信息以指导施工和修改设计。３畅５　钻爆设计与施工3畅5畅1简述钻爆施工是控制隧道工期的关键工序，对于保证开挖速度、保证围岩稳定和支护安全有重要意义。梅关隧道地质复杂，在选择爆破方法、运用爆破技术方面做了大量工作，获得了不少经验，摸索并解决了适合梅关隧道各类围岩钻爆方法。１畅地质条件梅关隧道的地形、地质概况已在本书第一章总论中作了详细介绍，在此不再重复。２畅钻爆施工组织与分工根据工程的总规模、工期、开挖方案、钻孔机具性能及循环进尺，确定在东 第三章洞口施工和隧道开挖·５３·西洞口各组织一个作业区，各作业区分别组织了七个流水作业班（组）分段承包施工。各作业班（组）的编成、劳力组织与装备见表３畅５。表3畅5作业班（组）的编成、劳动力组织与装备机械配备劳动力组合序号工序名称数量工班名称人数全站仪等测量工具、激光导１测量画线一套三台测量班４向仪２钻孔（含锚杆安装）风动凿岩机、空压机六部二台钻孔班２６３装药、爆破装药平台车、炮棍等二台爆破班２５按设计通风机、高压水管或水幕降尘４通风、洒水、找顶二套综合班（一）６器竹竿一台PH３０型混凝土喷射三联机一台５喷射混凝土混凝土湿喷机两台喷射混凝土班２７喷射混凝土上料车三台９６６D轮胎式装载机二台６出渣DP２０５C型、DP２０５L型或运输班１０三台DP２２５型自卸车清渣（含风、水、HD８５０G反铲挖机人工操作７１～２台综合班（二）２８电安装）工具３畅钻孔机具的选择根据梅关隧道的地质情况、工期要求和开挖循环进尺，确定选用YT唱２５、７６５５等几种手持风动凿钻机，配以多功能台架钻孔气腿，如FT唱１６０、FT唱１４０，这些机具性能见表３畅６。科学出版社表3畅6钻孔机具性能钻机型号YT唱２５７６５５钻机型号YT唱２５７６５５产地沈阳沈阳凿岩速度／（mm／min）５１７（f＝１０）机身质量／kg２４２３气腿职教技术出版中心www.abook.cnFT唱１６０FT唱１４０空气压力／MPa０畅５０畅５最小高度／mm１６６８１６５０空气消耗量／（m３／min）３畅２２畅６行程／mm１３３８１３２０扭矩／N·m１４畅７９畅８质量／kg１７１５凿岩孔径／mm３４～４２３４～３８水压／MPa０畅２～０畅３０畅２～０畅３凿岩深度／m５５ ·６３·梅关隧道工程施工技术４畅循环流水线组织钻爆作业循环流水线组织如图３畅１８所示。图３畅１８　钻爆作业循环流水作业图５畅爆破器材的选择、加工与装配（１）炸药的选择隧道工程常用炸药有岩石硝铰炸药、防水胶质炸药等。常用的炸药性能见表３畅７。表3畅7常用炸药的主要性能硝铵类炸药乳胶炸药指种类标性能２号岩石标准药卷２号岩石小药卷RJ－２大药卷RJ－２小药卷药卷直径／mm３５２２４０３２药卷长度／mm１６５２７０３３０２００药卷重量／g１５０１０５４９０１９０密度／（g／cm３）０畅９６０畅３４１畅２０１畅２０爆速／（m／s）３０５０２２００４１００３６００猛度／mm≥１２／≥１３～１６≥１２威力／mL≥３２０／≥３４０≥３４０殉爆／cm７３１３９有害气体／（L／kg）＜４３＜４３＜４２＜４２保存期／月６６６６单价比较（依次）最便宜①②③④生产厂家韶关３０９厂南岭化工厂梅关隧道主要选用２号硝铰炸药，这种炸药的优点是感应迟钝，（洞内）生成危害气体少，使用安全、猛度小、成本低、供货容易，缺点是吸湿性强、抗水 第三章洞口施工和隧道开挖·７３·性差，受潮后硬化结块，严重的拒爆或不能充分起爆，在运输和工地存放时主要靠包装纸和石蜡涂料来防潮，在工地还需专门设防湿库。（２）起爆系统的选择为提高爆破效果，保证爆破安全，梅关隧道全部采用非电毫秒雷管起爆系统。这是目前大跨度隧道普遍采用的新的、先进的起爆方法。它的特点是安全度高、防电性能好，在静电感应大，雷雨天隧洞内电器设备多的情况下使用安全可靠，能实现全断面一次起爆或组合成多段位控制起爆秩序。（３）器材介绍、加工与装配非电起爆系统由塑料导爆管、非电毫秒延期雷管或半秒延期雷管、传爆雷管和连接件、击发装置等组成。下面将组成主要元件性能、加工、装配使用方法作一介绍。１）塑料导爆管。塑料导爆管是２０世纪７０年代问世的新型起爆器材，是由高压聚乙烯制成的管线（结构如图３畅１９所示），柔软、无毒。软管外径为３±０畅２mm，内径为１畅５±０畅１mm；内壁涂有一层很薄的特制混合炸药（９１％奥克托金、９％铝粉，外加０畅２５％工艺附加物硬脂酸），药量１６～２０mg／m。当有火帽、激发电等对着管腔激发所产生的冲击波传入管腔时，或当雷管、导爆索紧靠塑料导爆管爆炸（但需连接可靠），使管腔内产生冲击波，管腔内的炸药粉末就会因受冲击波的作用而发生化学反应（也称管壁效应），这种化学反应所产生的能量，沿管线传送冲击波，使冲击波沿管腔迅速而稳定地向末端传播，达到引爆雷管的作用。其传播速度可达１９５０±５０m／s。这种塑料导爆管具有明显优点：它在遇到强大电流如３０kV静电、明火燃烧、重锤冲击时，都不会传爆；它能承受水压，在水深８０m时，传爆毫无影响；它本身不能起爆炸药，故可视为非危险品，便于运输和存放。塑料导爆管是目前比较优良的爆破器材，已得到广泛的应用，效果良好。但不能在有矿尘和瓦斯的地方使用，使用时也不能打结。科学出版社职教技术出版中心www.abook.cn图３畅１９　导爆管结构图１畅塑料壁；２畅涂层炸药２）非电延期雷管。非电毫秒延期雷管与非电半秒延期雷管是解决大断面光面爆破组合各种顺序起爆的主要元件。梅关隧道钻爆施工中，采用了非电毫秒延 ·８３·梅关隧道工程施工技术期雷管与导爆管装配来起爆炸药，其构造如图３畅２０所示。国产非电毫秒及半秒延期雷管，规格与精度标准见表３畅８和表３畅９。图３畅２０　簇连式起爆网络１畅导爆管；２畅药孔内装入的起爆雷管；３畅连接元件接续的传爆管；４畅激发装置表3畅8国产非电毫秒延期雷管精度标准段别延期时间／ms段别延期时间／ms段别延期时间／ms１≤１３８２５０±２５１５８８０±６０２２５±１０９３１０±３０１６１０２０±７０３５０±１０１０３８０±３５１７１２００±１５０＋１５４７５１１４６０±４０１８—－１０５１１０±１５１２５５０±４５１９—６１５０±２０１３６５０±５０２０—＋２０７２００１４７６０±５５——－２５表3畅9国产非电半秒延期雷管精度标准段别延期时间／×０畅５s段别延期时间／×０畅５s段别延期时间／×０畅５s１＜０畅３５２畅０±０畅２０８４畅５±０畅３０２０畅５±０畅１５６２畅５±０畅２０９５畅５±０畅３０３１畅０±０畅１５７３畅５±０畅３０１０６畅５±０畅４０４１畅５±０畅２０　　３）非电传爆雷管及传爆网络制作。它由塑料导爆管、卡口塞与８号纸雷管（或塑料雷管）装配而成，传爆雷管使塑料导爆管内药粉被激发产生冲击波，在线路中起传爆作用。将雷管和非电导爆管连接成非电传爆雷管的加工方法：将导爆管截成所需长度，切去一端，插至卡口塞底部，然后将卡口塞插入８号纸雷管（或塑料雷管） 第三章洞口施工和隧道开挖·９３·壳内１０～１２mm，用电工胶布在卡口塞与塑料导爆管及雷管壳处包扎两圈。为利于防水，塑料导爆管应封口备用（当天使用可不封口）。根据设计，也可在工厂订做相应长度的非电传爆雷管。用这种自制的非电传爆雷管，可组合成不同需求的起爆网络，满足使用需要。４）击发装置。当导爆管网络连接完成后，形成用来起爆整个网络的装置，称为击发装置。常用的击发装置有三种：①普通雷管起爆。使用该方法时，必须注意引线（导火索）的燃速。为避免速燃现象的出现，施工现场规定引线长度要大于所需要长度０畅５m，使用前应进行检查，并试燃０畅５～１m，确认无速燃现象后，方可使用。一般规定引线最短不得小于２畅５m。②采用电雷管起爆。这是利用电阻加热少量黑火药引爆的自制装置。这种起爆方法可以解决爆破动态量测仪器与起爆时间的同步问题。必须注意的是，起爆电阻丝雷管的电源线路必须采用专用线路，开关需用箱子锁上，加以严格管制。每次起爆必须待人机安全撤出后才能打开电源箱，接通电源起爆。③击发枪起爆。此起爆装置只要用击发枪与导爆管将雷管连接起来即可。当击发枪火帽打火时，即可起爆，安全可靠，简便，爆速稳定。但为保障起爆操作人员的安全，需连接一段满足安全距离要求的导爆管，费用高，不经济，不像电雷管起爆时导线可多次利用。经反复研究和实践，证明隧道引进使用的非电起爆系统解决了由于洞内杂散电流大、使用电雷管不安全的弊病，并已基本消灭了瞎炮；能满足各种时差的要求，网络容量不受限制，为起爆顺序、光面爆破的瞬时等问题提供了条件。（４）非电起爆网络的装配与连接方法导爆管起爆系统的装配要依照预定的网络形式认真操作科学出版社，以构成简单可靠的起爆网络。目前，塑料导爆管非电起爆系统，有系统和组件两种出厂形式，可由用户选订。系统由工厂将元件装配成完整的系统出厂，用户无需再进行加工，可以直接使用。这种形式，便利用户，但这样增加了作为危险品运输的数量职教技术出版中心。组件出厂，则是将导爆管和其他配套组件单独出厂，由用户装配www.abook.cn。实际使用中，多为用户自行装配加工成导爆管系统，因为这样做较为灵活自如，可组合成串联、并联、串并联（混联）等多种起爆网络，亦较符合工程实际。其装配方法如下：１）导爆管分段：①截取塑料导爆管。先解去成卷导爆管的捆扎线，然后从卷心抽出管头，按需要的长度截断；②将截取的导爆管绕成小卷，并将一端封口（用火柴头火焰加热即可），若截取导爆管一天内不与雷管装配，则需两端封口，以防止水气和杂物进入管内，影响正常传爆。最后与雷管装配或用连通管连接， ·０４·梅关隧道工程施工技术再将需要结合的封口端切去５cm。２）组件装配：按照爆破设计的网络形式，用连接元件将导爆管与传爆雷管、导爆管或导爆延期雷管、导爆管与起爆雷管连接起来，最后与击发装置相连，构成起爆网络。３）网络连接：隧道掘进爆破作业，工作掌子面范围小，药孔多，并且药孔排列不规则，多采用如图３畅２０所示的簇连式起爆网络。簇连式是把每个药孔中引出的导爆管捆扎在传爆雷管上构成的一种网络。若传爆雷管采用８号工程雷管，则捆扎的导爆管根数以不超过４０根为宜。若多于４０根，则需增加簇数。捆扎时，要将导爆管均匀地排布在传爆雷管的周围，用胶布或细绳在雷管的后半部将导爆管捆紧（胶布缠５层以上），被连接的导爆管末端捆扎处应不小于１０cm，而且其端部最好要进行封口（热合或用胶布黏住）。起爆顺序的控制，可以用孔内延期方式，即通过导爆延期雷管或毫秒火雷管来实现。同样地，也要考虑导爆管的固有延期，以便使爆序更加准确无误。在作业面连接摆放网络时，传爆雷管与导爆管需要有一定的安全距离，以防止传爆雷管起爆时，击穿相邻的导爆管而中断传爆。3畅5畅2光面爆破光面爆破２０世纪５０年代发源于瑞典，１９６５年在我国开始推广应用，并取得了良好的经济技术效益。随后３０余年，国内外逐步展开了大量的试验和研究，以求从理论和实践上不断完善。梅关隧道在钻爆施工中，对各类围岩的开挖断面均进行了大量现场试验，取得了不同围岩的合理光爆参数，确保了光面爆破的施工质量。下面对其有关技术问题作简要介绍。１畅光面爆破的定义及特点光面爆破是采取特殊的装药结构，选择合理的周边布孔和准确的穿孔，严格控制装药量，合理安排起爆顺序和起爆方法，进行精确开挖的一种爆破方式。爆破后，岩层较精确地沿周边炮孔的连线断裂下来，使岩面平整光滑，使围岩固有的整体性、稳定性不遭受明显的损害。这种爆破的突出标志是围岩面平整、规则，并留有清晰的半边孔。岩壁上很少产生明显的炮震裂缝，原有的结构裂隙也不因爆破影响而扩展，应力分布较均匀，保持围岩自身的稳定性和承载力。２畅光面爆破的种类及优越性目前能够体现光面优越性的爆破种类很多，如缓冲爆破、周边爆破、轮廓爆破、雕刻爆破和预裂爆破等，叫法很不统一，但常用的有普通光面爆破和预裂光面爆破两类。 第三章洞口施工和隧道开挖·１４·１）普通光面爆破。普通光面爆破是隧道等地下工程广泛采用的一种爆破方式。它主要是通过选择合适的光面爆破参数和采取一系列技术措施，控制炸药的爆破力，从而获得较理想的幅员轮廓。此法的周边孔可以紧跟作业面上其他炮孔之后起爆（称全断面一次光爆），也可预留光面层最后单独进行光面爆破（称预留光面层光爆），只要爆破参数确定得合理，而且施工质量得到保证，均可获得理想的效果。此法一般适用于软岩和中硬岩的浅孔爆破施工。２）预裂光面爆破。预裂光面爆破与普通光面爆破的主要不同之处，是周边孔首先起爆，爆破后各周边孔之间形成贯通的裂缝，与原岩体割开，此后再起爆其他炮孔。因为轮廓线裂隙已形成，其他炮孔起爆时，不会引起围岩岩体的破坏，其爆破效果比较好，一般适用于较为完整的硬岩及中硬岩中的深孔爆破。３）光面爆破的优越性。首先，光面爆破是新奥法施工的重要前提，没有良好的光面爆破，就无法实现围岩与喷锚支护形成共同的整体承载体系，所以说，光面爆破是新奥法施工的三大支柱之一，是新奥法施工的重要环节。因此，光面爆破与喷锚支护配合应用，才能形成一个承载能力强、变形性能良好的承载体。有时甚至是必不可少的先决条件。从近年的理论研究和生产实践的趋向可以看出，由于采用光面爆破，仅用局部锚喷加固，即可取得全断面支护，工程即可投入使用。其次，光面爆破可以避免浮石塌落危险，增加施工安全性。尤其是岩体物理力学性能差，缺乏自承能力，或是因岩体断层、节理裂隙及地下水影响造成的危岩，更宜采用光面爆破施工。再次，由于实施光面爆破而减少超挖量所带来的经济效益也是非常明显的。但光面爆破炮孔较一般爆破要多一些，钻孔的准确性要求高，钻孔作业的单项工序时间一般会增加一些。３畅光面爆破的作用机理由于岩石爆破过程本身的复杂性，光面爆破和预裂爆破的作用机理，国内外尚未取得一致认识，这里试对一些资料介绍的内容综合作以下介绍科学出版社。１）应力波叠加理论。光面爆破是合理利用、有效控制炸药的爆炸作用。炸药的爆轰过程是极为迅速的，它可以在瞬间产生强大的高温高压气体，并以每秒钟数千米速度的冲击波作用于周围的岩体上，在岩体内产生冲击压力的传播职教技术出版中心，引起岩石质点的径向位移。同时爆生气体的急剧膨胀作功，也对周围岩石施加巨大www.abook.cn的压力屈服，可把炸药的爆炸作用分为两种形式：一是冲击作用，爆轰波的冲击作用，属于动力作用，它的大小主要取决于炸药的爆速；二是爆生气体的膨胀作用，它是炸药爆力做功的表现形式，可属静力作用，它的大小取决于炸药的爆热。上述这两种作用是同时存在的，只是气体的膨胀时间要比冲击作用时间长。应力波叠加理论认为：光面爆破中，当两个炮孔同时起用时，各炮孔炸药所引起的压缩应力波，呈圆柱状向四周放射传播至两炮孔中间相遇，形成应力波的叠 ·２４·梅关隧道工程施工技术加。此时，两炮孔的连线方向的压应力引起与其垂直方向的拉应力，若拉应力超过岩石的抗拉强度，将沿两炮孔连线产生裂缝，并向孔壁扩展，形成了光面爆破的开裂面。根据以上理论，光面爆破除了必须合理的确定爆破参数外，还应尽量做到周边孔同时起爆。２）不偶合爆破理论。不偶合爆破是通过不偶合装药实现的。不偶合装药是指装药直径小于炮孔直径的装药。常用不偶合系数（炮孔直径与装药直径的比值）表示装药状况。当一个不偶合装药孔爆炸时，如邻近有一个药孔，则爆炸气体将向两炮孔连线方向产生较大的应力集中，并在一定的时间内作用于这个方向的孔壁上，于是最先从孔壁上产生横向裂缝，而爆炸气体进一步使横向裂缝扩展，形成平整的炸裂面。上述理论的关键在于实施不偶合装药，其意义在于使药卷与孔壁之间留有一定的间隙，使冲击波波头压力降低，因而可以消除或缩小孔壁周围的岩石粉碎圈。综合两种理论所述，当周边孔药包爆炸时，光面层的岩石是在压缩应力波及爆炸气体静压力的共同作用下造成岩石的破坏，而围岩的破坏被减小到最低限度。为了达到光面爆破的目的，除了合理选择光爆参数外，采用低猛度炸药、不偶合装药、导向空孔和堵塞炮泥等，对冲击波及爆炸气体的作用尽可能作全面、综合探测分析，掌握其规律，是发展光面爆破理论所必不可少的。４畅光面爆破的技术要点经过梅关隧道的实践，对实现光面爆破有以下几点体会。（１）合理布置周边孔周边孔是指开挖断面上沿断面外缘轮廓线的一圈炮孔。周边孔的凿岩参数包括炮孔直径、炮孔间距、光面层厚度、炮孔密集系数、炮孔深度、炮孔角度等。其中，周边孔间距、光面层厚度以及表示二者关系的炮孔密集系数，是实现光面爆破的重要参数。周边孔间距是指在开挖断面外缘轮廓线上相邻两个炮孔之间的距离，它是直接控制开挖面轮廓的平整程度和成型质量的主要因素。其大小的确定与岩石情况、炸药种类、炮孔直径与开挖断面大小有关。梅关隧道开挖试验阶段初选数据的情况是：炮孔直径为矱＝４０mm，采用２号岩石炸药，按围岩软硬程度，周边孔间距取值E＝４５～６０mm。一般情况下，坚硬而破碎的围岩宜取小值；弱软而完整性较好的围岩宜取大值；开挖断面小的宜取小值，开挖断面大的可适当增大。但应注意，装药量也必须相应调整。试验表明，要获取较高质量的断面轮廓，可以采用在两个周边孔之间增加导向空孔的办法。 第三章洞口施工和隧道开挖·３４·（２）光面层厚度的选定光面层厚度是指周边炮孔要爆落的那一层岩石的厚度，即周边炮孔的最小抵抗线，它是直接影响光爆效果的一个重要因素。光面层厚度过大，岩石对爆破的抗力就大，如不增加装药量，光爆层就爆不下来。如增加装药量，光面层虽能爆落，但同时也破坏了围岩。光面层厚度过小，由于周边孔之间连线裂缝尚未贯通，而造成炮孔各自呈爆破漏斗，致使两炮孔间留有三角形岩埂。通常应根据以下情况加以调整。１）拱顶各部位光面层厚度，应随跨度的大小作调整。跨度大时相应增大，反之，跨度小时相应减小。２）应根据岩石性质及地质构造加以调整。岩石坚韧，光面层应减小，岩石松软、破碎，光面层厚度应加大。施工过程中，常会出现光面层过小或过大的情况，如厚度过大，应在厚处加打炮孔，而不能往周边孔中过量装药。３）边墙及底部的光面层厚度应比拱顶光面层厚度适当减小。（３）周边孔密集系数周边孔间距E与光面层厚度（最小抵抗线）W的比值m，称为周边孔密集系数（m＝E／W），它是表示周边孔间距与最小抵抗线两者关系的一个参数。一般情况下，m值取０畅８～１畅０比较合适。在现场试验中，取E＝４５～６０mm，光面层厚度一般在W＝５０～７５cm时，可以获得较理想的光爆效果。应当指出，m值是一个相对比值，是随着B和W的大小而变化的。当岩石性质、地质构造或开挖跨度等条件发生变化，应该调整m值时，可以调整E或W，也可两项都调整，以控制E与W有一个适当的比例关系。施工中经常遇到较特殊的情况，如岩石破碎。节理发育时，爆破裂缝和发展方向不易控制好，要获取平整的轮廓面，主要应缩小周边孔间距，稍加大光面层厚度，此时m值可能会缩小到０畅５；岩石科学出版社较完整，开挖跨度较大，这时不必偏小炮孔间距，而增大光面层厚度，使m值小于或等于０畅８（m＜０畅８），即可控制爆破裂缝的方向，获得平整职教技术出版中心的轮廓面；对于岩石坚韧，跨度偏小时，炮孔间图３畅２１　www.abook.cn周边孔参数边孔间距距E和光面层厚度W都应适当减小，m值可增加W畅光面层厚度（最小抵抗线）；E畅周边孔间距到１０，周边孔参数如图３畅２１所示。（４）周边孔的深度与角度从光面爆破的实际效果可以看到，炮孔越深，轮廓面的纵向平整度越好。但由于受到凿岩设备和爆破器材性能及周边孔平行度误差的限制。另外，确定孔深时，还应考虑开挖作业的循环、其他施工工序的施工能力及技术水平等，在实施 ·４４·梅关隧道工程施工技术浅孔爆破时，控制深度一般在２畅０～３畅０m。有条件时，尽可能实现深坑爆破，提高光面爆破效果和施工进度。周边孔原则上应布置在设计轮廓线上，由于受凿岩机操作的限制，被迫向外或向上甩出一定角度，甩出角度的大小，可根据炮孔深度加以调整，使孔底落在设计轮廓线外１０cm左右，甩出的角度一般为３°～５°，使纵向实际轮廓呈缓接的阶梯状。（５）采用低猛度、低爆速炸药和实现不偶合装药为了消除或减小围岩的破坏，采用低猛度、低爆速、低密度与传爆性能良好的炸药，对于实施光面爆破是十分必要的。近年来，炸药生产厂家按光面爆破的要求，生产出适合周边孔使用的小直径药卷和抗水性能好的炸药。如２号岩石小药卷（矱２２），１号抗水小药卷（矱２５）等，基本可以满足稳定传爆和装药集中度小的要求。同时其爆速猛度、密度也有较大的改善，在使用中基本达到炮孔利用率和周边孔半孔率的质量要求。采用小直径药卷不仅可以减少装药集中度，使炸药沿炮孔均匀分布，更重要的是实现不偶合装药的必要条件。如此，应达到以下要求：一是药卷直径应大于所用炸药的临界直径（若小于这一数值，炸药不能完全传爆与爆轰），实际应用的装药长度应不小于传爆长度。二是必须满足不偶合装药系数的要求，一般炮孔直径d１与药卷直径d２之比应在１畅４～２畅１范围内。三是应考虑到装药集中度刚好克服岩石抗力。（６）实现周边孔同时起爆模拟试验和爆破施工均证明，周边孔同时起爆，可获得较好的光爆效果，而且起爆的时差越小越好。使用非电塑料导爆管。基本可以解决这一难题。但使用时必须注意，周边孔要使用同一段别、同厂同批次、同一长度导爆管的雷管，以达到同时起爆的目的。（７）创造良好的爆破临空面创造良好的临空面是实施光面爆破的重要技术条件之一，所以在制定开挖爆破方案时，一般应考虑到为周边孔的同时起爆创造良好的临空面。这就要合理安排开挖程序和合理的起爆顺序，尤其是全断面一次爆破时，尤为重要。（８）控制质点振动速度控制质点排动速度，尤其对破碎带，一次齐爆装药量的控制，在大跨度、双断面掘进的条件下，不能不引起注意。在梅关隧道施工过程中，在这种特定地质条件下，无论是调整不偶合系数还是调整孔密集系数，都能达到能量均布，合理给出单位用药量的目的。尤其在一个断面上实施两次单独爆破时，应根据最小抵抗线的变化（要正确选定最小抵抗线），现场进行药量调整，使设计药量与实际情况相符。否则，将达不到设计要 第三章洞口施工和隧道开挖·５４·求的爆破效果。５畅实践中对爆破参数的选择和处理在梅关隧道的开挖施工中，通过多次试验筛选，对不同级别围岩，主要掌握和解决了全断面开挖和半断面开挖的合理布孔，起爆顺序设计以及合理的装药量和装药结构的调整，达到了光面爆破的质量要求，Ⅲ级以上围岩的半孔率基本在９０％以上，超挖现象较少，在围岩软弱破碎带爆破后基本达到了围岩稳定、岩面规则、平整的要求，为初期支护、二次衬砌创造了良好的条件。６畅进行光面爆破应注意的几个问题１）在光爆参数调整时，由于临空面条件及围岩的夹制作用，边墙的周边孔间距和光爆层厚度应小于拱顶参数值，方可获得较好的边墙光爆效果。另外，还可采用拱顶光面爆破，而边墙采用预裂爆破的方法。２）预裂爆破参数的确定除起爆顺序与光面爆破相反外，周边孔间距应小于光面爆破参数，装药集中度应大于光爆所取参数的１０％～２０％。３）推广应用隧道断面自动量测仪，提高断面量测精度，以保证断面岩面平整准确，改变传统量测标定误差偏大的问题。４）严格打好周边孔，其技术要求是：炮孔位置准确，掌握钻孔方向，打出“平、直、齐”的炮孔，尽量采用钻孔台车，提高钻孔质量。３畅６　梅关隧道的超欠挖控制在隧道钻爆施工中，开挖断面的控制、超欠挖的控制是一大难题，下面介绍梅关隧道解决这一问题的一些做法和体会。科学出版社3畅6畅1超欠挖的概念和允许值隧道超欠挖在一些专业著作中被定义为以设计隧道开挖轮廓为基准线职教技术出版中心，将实际开挖获得的轮廓线与基准线比较，基准线以外部分称为超挖www.abook.cn，基准线以内部分称为欠挖。而在枟公路隧道施工技术规范枠中对超欠挖有如下规定：当岩层完整，岩石抗压强度大于３０MPa，并确认不影响衬砌结构稳定和强度时，允许岩２２石个别突出部分（每１m内不大于０畅１m）欠挖，但其隆起量不得大于５cm，拱、墙脚以上１m内断面严禁欠挖。不同围岩地质条件下的允许超挖值规定见表３畅１０。 ·６４·梅关隧道工程施工技术表3畅10允许超挖值（单位：cm）围岩条件类型中硬岩、软岩硬岩（一般相当破碎松散岩石及土质（相当于Ⅴ～Ⅵ（相当于Ⅲ～Ⅴ级开挖部位于Ⅰ级围岩）级围岩），一般不需爆破开挖围岩）拱部平均１０，最大２０最大２５，平均１５平均１０，最大１５边墙、仰拱隧道平均１０平均１０平均１０注：１）硬岩是指岩石抗压极限强度Rb＞６０MPa，中硬岩Rb＝３０～６０MPa，软岩Rb＜３０MPa；２）平均线性超挖值：超挖面积A／爆破设计开挖断面周长B（不包括隧底），即A／B；３）最大超挖值指最大超挖处至设计开挖轮廓切线的垂直距离；４）上表所列数值不包括测量贯通误差、施工误差，如采用预留支撑沉落量时，不应再计超挖值。从施工现场实际情况看，隧道超挖是以含允许超挖值的设计隧道开挖轮廓线为基准，经将实际开挖获得的轮廓线与此基准线相比较，基准线以外的部分称为超挖，以内的称为欠挖，如图３畅２２所示。3畅6畅2造成超欠挖的因素从梅关隧道实践看，超欠挖主要受以下几个因素控制：钻孔技术、爆破技术、图３畅２２　超欠挖示意图测量画线精度、地质条件等。梅关隧道在开挖过程中，曾对不同围岩地段做了一些对比实验，下面分别介绍。１畅围岩地质条件和节理发育程度对超欠挖的影响梅关隧道岩体受地质构造影响严重，围岩节理发育，同一开挖断面石质不均匀，上下左右软硬不一，围岩完整程度变化较大，Ⅲ级围岩岩层间夹以灰岩，软弱结构层面较多，产状极不规则，裂隙水较发育，开挖后稳定性差。施工前期对此情况认识不足，仍以一般情况进行爆破，结果爆破效果不佳，拱部出现较大的超挖（最大超挖厚达１m左右），在节理呈水平的部位，超挖更加严重。边墙角也由于节理较发育，产状近似直立而形成较大面积片状超挖。２畅钻爆技术对超欠挖的影响梅关隧道围岩变化错综复杂，围岩类型交替出现，给钻爆设计增加一些困难，主要表现：１）同一掌子面围岩级别不同而差异较大的情况下，爆破方式选择及爆破参数难以确定。２）同一截面上药量的不均衡分配及相应的装药方式较难。 第三章洞口施工和隧道开挖·７４·３）纵向短距离内围岩性质变化较大而引起参数调整困难。因此每一循环爆破后，对掌子面所暴露的岩体如不能及时准确判断，修改爆破参数，则下一循环的爆破就会出现严重的超欠挖现象。下面介绍爆破技术对超欠挖的影响情况。（１）钻孔精度的影响在钻爆施工中，周边炮孔的外插角、钻孔定位和钻孔深度的精度等，对控制超欠挖影响是很大的。为了探讨钻孔技术对隧道超欠挖的影响，猫山隧道施工中曾分别在１号洞和２号洞K７＋０１０段选择两段围岩相同地段，配备同一操作工班的操作人员，做了两组采用不同控制装置来控制周边炮孔外插角精度的现场对比实验：第一组按熟练技术工人以经验控制外插角，第二组按导向仪来控制炮眼外插角，两组均强调顺帮打孔并按画好的轮廓线钻孔，两组共做了８个开挖循环，周边炮孔深度均为２５m，以此来了解不同控制装置对隧道超欠挖的影响，最后抽查统计结果列于表３畅１１，该结论对于梅关隧道很有借鉴意义。表3畅11钻孔技术对隧道超欠挖的影响外插角均值外插角标准差负外插角率平均线性项目欠挖率／％／（°）／（°）／％超挖／cm理论控制目的３畅６——７～１５０第一组６畅０２５畅３９１２畅２４２３畅８１８畅６第二组４畅５５２畅８９６畅１９１４畅５４畅５二组比一组减小／％２４畅４４６畅４４９畅４３９畅１７６由上表的结果显示：１）当不采用导向仪控制时，外插角试验均值６畅０２°与控制目标值３畅６°相差较大，因此引起的超欠挖值也大大超过了规定值。２）当采用导向仪来控制炮孔的外插角时，外插角均值与目标控制值相差较科学出版社小，引起的超欠挖值也在规定的范围之内。３）采用导向仪来控制比没有导向仪控制时，周边孔外插角均值减小了２４畅４％，隧道的平均超挖率减小了３９畅１％，隧道欠挖率减小了职教技术出版中心７６％。可见提高钻孔精度对控制隧道超欠挖是非常有效的。www.abook.cn（２）爆破方式的影响施工实践证明：采用光面爆破开挖的超挖量远比用普通爆破法要小得多。当然在实际施工中，并不是所有采用光面爆破法的超挖量控制都达到规范要求，这要根据施工方式、围岩情况、施工设备等实际情况而定。比如梅关隧道在有些地段石质好坏不均匀，施工时按一般情况进行爆破，结果爆破效果不佳。针对这一情况现场重新进行钻爆设计并加强对现场的调控，采取在同一掌子面上同时进行 ·８４·梅关隧道工程施工技术光面、预裂二种爆破方式及开挖断面不均衡分配药量、隔孔装药等有效控制措施，基本上克服了地质差所带来的困难，取得了较好的效果。但在施工时，隧道内的地质、爆破参数不可能判断的那么准确，效果不很理想，这需要在实践中进一步研究提高。（３）单位耗药量的影响一般的钻爆参数设计，大都是用经验公式和工程类比的方法来确定爆破参数，而围岩是个复杂多变的地质体，每一循环的围岩类型不尽相同，理论上又没有一个与该变化着的地质体相符的较完整较可靠的公式来确定钻爆参数，因此在施工时，参照同类围岩有关资料统计数据，结合梅关隧道现场的钻孔设备、爆破３器材及围岩级别等各方因素，最后确定单位耗药量的范围０畅７８～１畅０９kg／m。实际现场按此耗药量来施工，爆破效果较为理想。由于洞内纵线断面围岩类型变化频繁，一线施工人员不易掌握，不能及时改变钻爆参数，超挖现象还是频频发生。鉴于此，在对中硬岩以上围岩进行爆破施工时，梅关隧道借鉴其他隧道施工经验，即在其他爆破参数不变的情况下，只改变单位耗药量，以控制超欠挖，经验公式为h＝１４畅４q－３畅２６式中，h———线性超挖量；q———单位耗药量。式中单位耗药量q与隧道平均线性超挖h呈线性正相关关系，且单位耗药量３q每增加１kg／m，平均线性超挖量将增大约１４畅４cm，故根据隧道规范规定超挖控制目标７cm＜h＜１５cm，利用上式得出：单位耗药量q的范围为０畅７８～３１畅０９kg／m，说明此时的装药量产生的爆破能量适中，可以较好的控制隧道的超欠挖。在其后的中硬岩施工中，隧道内的光爆效果也较好，超欠挖相对控制较好。（４）炮孔布置的影响一般隧道爆破，炮孔按拱形布置，拱形对外力有抵抗力，要使它破碎耗用炸药量多，产生的振动速度大。梅关隧道爆破时采用线形布置炮孔线形起爆，这种形式临空面好，可提高炸药爆炸能量利用率，用炸药量少，爆破振动速度小；炮孔排列整齐便于钻孔，可提高钻孔效率；易于采用光面爆破控制开挖轮廓；便于调整孔网参数，控制岩石块度，提高装载效率。（５）周边孔线装药密度与周边孔布置的影响周边炮孔的装药量与周边炮孔长度之比值称为周边炮孔线装药密度。光面爆破中周边孔线装药密度是决定光面爆破的关键，周边孔线装药密度如果太小，炸药爆破能量小，不能使相邻的周边孔有效地形成贯通的裂缝，爆破能量主要集中 第三章洞口施工和隧道开挖·９４·作用于孔壁周围的较小区域，对孔壁岩体产生破坏作用，该部位即产生超挖现象。线装药密度如果过大，炸药爆破能量较大，容易使孔壁的岩体破碎并增加岩体的破碎作用，在爆破后发生松落掉块，容易产生较大的超挖。因此，选择适当周边孔线装药密度是至关重要的。合适的选择会使周边孔容易形成贯通的裂缝不会过多的破坏孔壁岩体，同时造成的超挖量也较小。（６）起爆系统、爆破器材及装药结构的影响合理的起爆时差可以避免爆破振动波的叠加，减小振动对围岩的扰动，从而减少超欠挖。梅关隧道通过试验和实践，采用毫秒与等差雷管组合爆破能减小振动，因此可以较大程度地减少超欠挖。光面爆破中，从扩槽孔开始，每段之间的秒差２００ms，能满足前一段雷管起爆后，引起围岩的振动速度降低到最小所需的时间，防止前段的振动波与后段的振动波相互叠加。梅关隧道施工实践证明，隧道大断面爆破时，与等差毫秒雷管配套使用，可获得较理想的效果。根据施工具体情况、雷管适当地进行调段使用。至于各段的搭配情况可视爆破设计情况和要求而定。为了控制超欠挖，控制爆破振动速度，必须选择合适的炸药和雷管。根据爆破理论，炸药爆轰速度直接影响质点振动速度，要降低质点振动速度，应选用低爆速炸药。为了获得好的爆破效果，又不宜用低爆速炸药。因此，根据当地供应情况，选用了中等爆速的岩石硝铁炸药和乳化炸药，其药卷直径分别为２０、２２、２５mm。实践证明，它们可以满足梅关隧道掘进爆破需要。毫秒雷管是决定段装药量的关键。对于隧道爆破来说，根据资料统计，段与段间隔２５ms。振动波就不会产生叠加，可以满足要求。但是从爆破效果来说，为了使前一段爆破的岩石离开原位，为下一段爆破创造临空面，段与段间隔最小应为５０ms。但施工时当地只有普通１５段毫秒雷管，加上我国目前还不能生产多段位高段差（１００ms以上）的等差毫秒雷管，所以决定采用２５段等差５０ms的雷管。在周边孔控制爆破中，为减少炸药爆炸对围岩的直接破坏作用科学出版社，应特别注重装药质量，因为它直接影响爆破效果和超挖量。尤其是周边孔间隔装药质量更为重要。为了慎重起见，装药前，用竹片将设计药卷按间隔距离绑扎成药串，各段钻孔装药量严格控制。另外装药还强调采用三低一高职教技术出版中心（即低密度、低爆速、低猛度和高爆力）的炸药，并特别强调采用不偶合装药结构。炮孔装药后www.abook.cn，必须认真填堵炮泥，炮泥堵塞和其质量的好坏直接影响到炸药用量及隧道超欠挖的控制，对保护平岩稳定性具有重要的意义。（７）炮孔精度对隧道超欠挖的影响测孔画线确定炮孔位置的精度直接影响隧道爆破开挖效果，特别是周边孔的放线定点精度，更直接影响超挖值。施工中在控制其他炮孔的钻孔精度的同时，应特别注意对周边孔钻孔精度的控制。周边孔钻孔沿隧道设计断面轮廓线上的间 ·０５·梅关隧道工程施工技术距误差不得大于５cm，周边孔外斜率不得大于５cm／m，孔底不超出开挖断面轮廓线１０cm，最大不超过１５cm，内圈孔至周边孔的排距误差不得大于５cm，炮孔深度超过２５m时，内圈炮孔与周边孔采用相同的斜率。影响炮孔的画线精度主要有两方面：一是掌子面的凸凹不平和倾斜，这种误差一般可控制在５cm以内，对隧道超欠挖影响较小；二是人为放大开挖轮廓线。隧道施工中历年来形成一种“宁超勿欠”的观点，一般隧道的开挖轮廓线都被人为地放大５～１０cm，而因此引起的超挖量一般占隧道总超欠挖量的４０％～５０％，对隧道超欠挖影响很大。隧道中线或标高产生偏差，属于施工测量误差，其后果将使开挖轮廓线偏移，造成较大的超欠挖。一般在开挖壁面基本平整的情况下，如果实际的开挖量一侧超挖、一侧欠挖，很可能就是中线左右偏差造成的；如果上部超挖、下部欠挖，则可能是隧道的水平线上下偏差造成的。（８）开挖机械因素的影响梅关隧道采用的钻孔机械是风动凿岩机，结构简单、使用安全、不怕反复起动，使用较为广泛。但是需要人工操作的风动凿岩机对炮孔角度及深度极难掌握，特别是在周边和底板两角隅处，不能够完全遵循枟公路隧道设计规范枠（JTGD７—２００４）要求。对这些特殊部位进行缩小孔距和加密炮孔处理，造成周边孔密集系数不恰当，极易出现表面凹凸不平的超欠挖现象。（９）施工管理水平对隧道超欠挖的影响现场管理包括钻爆作业过程中的人员组织、作业安排、技术交底、作业技术指导、质量检查、信息反馈以及执行施工纪律、制度和技术措施等。实践证明，在钻爆作业中建立比较科学完善的质量监督和保证体系，对爆破设计、钻爆作业实施全面监督管理，对有关人员进行技术培训；建立质量管理责任制，实行质量奖惩制度，并以预先制订的各项作业方法和作业质量标准为基准，经常检查各项作业质量；建立及时准确的信息反馈系统，保证超欠挖的信息及时反馈给现场施工负责人，及时修正有关设计和施工步骤，一般是能将超欠挖量控制在目标值以内的。3畅6畅3梅关隧道超欠挖的控制措施１）根据不同的围岩级别选择合理的钻爆参数。２）提高画线及孔精度。发达国家已将便携式断面仪广泛应用于隧道开挖、围岩断面、喷射混凝土和其他各类衬砌限界、洞室的横断面测量，而梅关隧道掘进轮廓线放样仍以传统的人工测量为主。①断面放样：在每次全断面爆破前，需测定周边孔的位置，其他炮孔根据炮孔设计图，由周边孔的位置来确定放样轮廓线。主要测量仪器有经纬仪、水平仪以及垂球等。 第三章洞口施工和隧道开挖·１５·②画孔位：经纬仪架设在洞内，测量后视点完成后，转至开挖掌子面外，找准隧道中线，用水平仪定出该断面处高程，以确定周边孔的第一炮孔，从第一炮孔用垂球吊至地面，确定一横坐标点，用长杆定出纵坐标点（即拱部轮廓线周边孔位置），将定出的纵坐标点用红油漆标示。断面画孔位完成后，为确保测量的精度，应在已画的孔位内抽查几个，保证炮孔位置的准确性。３）提高装药质量和炮孔口堵塞质量。装药质量直接影响爆破效果和超挖量，尤其是周边孔间隔装药质量更为重要。梅关隧道爆破装药前先用竹片、导爆索和雷管按设计装药量和间隔距离绑扎成药串，将周边孔的装药尽量呈线形分布（将炸药装在一长条的塑料带内，保证装药成线形）。炮孔装药后，必须认真堵塞炮泥，装药炮孔如果不堵塞，炸药就仅有冲击波能量和一部分爆炸气体作了功，而有较多的能量被浪费。梅关隧道施工时特别注意炮孔的堵塞，并且堵塞长度不应小于３０cm，如图３畅２３所示。图３畅２３　炮孔装药及堵塞示意图４）坚持断面检测及信息反馈。在开挖放炮后，断面超欠挖情况、爆破效果等都必须及时了解、掌握，以便制定下一循环的改进措施。超欠挖的多少体现隧道开挖的质量好坏，因此要控制超欠挖，首先要控制开挖质量。对开挖质量进行评定实质上包括两方面内容：一是检测开挖断面的规整度，二是超欠挖控制。对于规整度一般采用目测的方法进行评定；对于超欠挖则需通过对大量实测开挖断科学出版社面数据的计算分析才能做出正确的评价，其实质就是要正确地测出隧道开挖的实际轮廓线，并将它与设计轮廓线纳入同一坐标系中比较，从而十分清楚地从数量上获悉超挖和欠挖的部位，据此及时指导下一步的施工。超欠挖测定因施工的实际情况不同而不同，职教技术出版中心目前国内对隧道超欠挖的测定方法有表３畅１２中所示几种。www.abook.cn梅关隧道在开挖施工时，根据现场实际情况，选择两种检测超欠挖的量测方法：以台车内模为参照物测量开挖断面（用于Ⅲ级及以上围岩）；用坐标法测量开挖断面（用于软弱的Ⅳ、Ⅴ级围岩）。 ·２５·梅关隧道工程施工技术表3畅12隧道超欠挖的测定方法测量方法及采用的测定仪器测定法概要比较施工量（１）求开挖出渣量的方法将开挖量换算成渣量并与实际渣量相比较的方法（２）求衬砌混凝土的方法将包含背面注浆在内的实际衬砌量与设计量比较利用激光射线在开挖面上定出基点，并由该点实测开挖（３）使用激光束的方法直接量测开挖断面面断面积的方法利用投影机将基点或隧道基本形状投影在开挖面上，然（４）使用投影机的方法后据此实测开挖断面面积在隧道内设置摄影站，采用三维近景摄影方法获取立体（５）三维近景摄影法像，在室内利用立体测图仪进行定向和测绘，得出实际开挖轮廓线三维接触观测法利用激光打点仪找准开挖壁面各变化点，用经纬仪测出（６）直角坐标法各点的水平和竖直角，利用立体几何的原理计算各测点距坐标系的纵横坐标，按比例画出断面图形3畅6畅4梅关隧道超欠挖的处理（１）超挖的处理梅关隧道在隧道开挖过程中，对隧道超欠挖部位进行统计分析，从结果来看，超挖部位主要集中在软弱围岩破碎带、拱顶部位、节理较发育的侧墙部位。１）拱部较大超挖时的处理。由于地下水作用，往往在软弱围岩地段爆破后，在距离掌子面斜上方的一块三角区域的松岩也会跟着掉下来。对于这种有水平节理的破碎围岩地段，爆破后如不及时对超挖部位进行处理，破碎围岩会随着地下水不断渗漏、风化等因素，形成更大的超挖。为此，在初喷后，着重进行如下处理。初喷混凝土后，尽快安设格栅钢架（对超挖较大的部位挂钢筋网），在钢格栅上吊装模板进行模喷或用部分混凝土浇注，超挖内部无法填实的部位，预先预埋压浆管，待浇筑的混凝土达到强度后，从外向内压浆。２）边墙超挖部位用浆砌片石砌筑，保证浆砌片石与围岩密贴，空隙部位用水泥浆灌注。（２）欠挖的处理以往的隧道施工都受“宁超勿欠”的思想指导，周边孔的轮廓线人为地向外扩大１０cm，所以欠挖的部位不是很多。而现在隧道施工在讲究安全经济的前提下，“宁超勿欠”的思想已被否定，隧道施工中欠挖部分也呈上升趋势。原因自然也是多方面的，处理欠挖也只有重新钻孔放炮，以确保开挖的轮廓线达到设计及规范要求，保证衬砌断面的厚度和不侵入限界。