隧道开挖技术实例.docx
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隧道开挖技术实例
隧道开挖技术实例
中水路桥梁忠高速二分部技术、质量、安全交底
工程名称：
梁忠高速公路LZ2合同段
交底项目：
明月山隧道出口左洞洞挖施工
交底日期：
年月日交底编号：
2013-06-R004
一、交底内容
明月山隧道出口左洞洞挖施工方案及质量、安全、环保控制。
隧道洞挖施工方案设计详见设计图纸《SV-1-47第1～6页》，隧道开挖结合其它支护设计图纸要求同时进行，下述内容与设计图纸不符之处，以设计图纸为准，未尽事宜，按照规范执行。
二、工程概况
梁平至忠县高速公路位于重庆市东部，在重庆市规划的“（三环十射三连线”，“二连线”的一段。
是重庆公路网的重要组成路段，对经济建设具有十分重要的意义，工程区内地层岩性为侏罗系和三叠系砂岩、泥岩、灰岩等，土体主要为冲、洪积、残、坡积的一般粘性土和碎石土、卵石土及砾石土。
本标段正线长17.975km，隧道1座（明月山隧道）5519.15m，占全线总长36.86%。
隧道地质条件复杂，施工安全风险高，是全线重点控制性工程。
不良地质有浅埋偏压、滑坡、顺向坡、岩溶、煤矿采空区等高风险源。
2.1隧道围岩情况
根据详勘，隧道区穿越的明月峡背斜地层连续，区内及邻近未见断层通过，整体区域稳定。
经对隧道区分布的不良地质现象及隧道进出口段开挖形成的仰坡、堑坡进行工程处理后，适宜采用隧道通过。
隧道洞身段围岩以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主，具体围岩分级与分布见表2-1、2-2。
表2-1明月山隧道左线围岩级别划分表
起讫
桩号
长度
（m）
围岩
级别
［BQ］
Vp
（km/s）
Kv
Rc
（MPa）
K1
K2
K3
BQ
ZK11+475～ZK11+521
46
Ⅴ
246.49
2.80-2.97
0.62
13.83（页岩）
0.20
0.2
0
286.49
ZK11+521～ZK11+629
108
Ⅳ
261.49
2.80-2.97
0.68
13.83（页岩）
0.20
0.2
0
301.49
ZK11+629～ZK11+787
158
Ⅳ
261.49
2.80-2.97
0.68
13.83（页岩）
0.20
0.2
0
301.49
ZK11+787～ZK11+852
65
Ⅴ
236.59
2.64-2.79
0.58
12.53（页岩）
0.20
0.2
0
272.59
ZK11+852～ZK11+889
37
Ⅳ
290.29
3.33-3.35
0.64
30.13（灰岩）
0.30
0.2
0
340.29
ZK11+889～ZK11+964
75
Ⅴ
210.40
2.78-2.99
0.67
8.84（页岩）
0.20
0.4
0
284.02
ZK11+964～ZK12+073
109
Ⅳ
275.09
2.78-3.04
0.69
17.53（页岩）
0.20
0.2
0
315.09
ZK12+073～ZK12+503
430
Ⅳ
259.02
2.88-3.18
0.69
8.84（页岩）
0.10
0.2
0
289.02
ZK12+503～ZK12+591
88
Ⅲ
335.20
3.16
0.68
38.40（砂岩）
0.2
0.2
0
375.20
ZK12+591～ZK12+609
18
Ⅴ
225.58
2.65
0.59
9.45（页岩）
0.2
0.2
0
265.85
ZK12+609～ZK12+784
175
Ⅳ
277.17
2.87-3.18
0.69
24.89（砂岩）
0.4
0.2
0
337.17
ZK12+784～ZK12+853
69
Ⅴ
245.85
2.97-2.79
0.67
9.45（页岩）
0.2
0.2
0
285.85
ZK12+853～ZK13+011
158
Ⅳ
299.67
3.22～3.23
0.70
24.89（砂岩）
0.2
0.2
0
339.67
ZK13+011～ZK13+165
154
Ⅴ
211.12
2.85～2.92
0.61
9.45（页岩）
0.2
0.2
0
271.12
ZK13+165～ZK13+495
330
Ⅲ
330.44
2.66～3.27
0.72
33.48（砂岩）
0.2
0.2
0
370.44
ZK13+495～ZK13+532
37
Ⅴ
214.21
0.59
5.57（页岩）
0.2
0.2
0
254.21
ZK13+532～ZK13+656
124
Ⅲ
327.94
0.71
33.48
（砂岩）
0.2
0.2
0
367.94
ZK13+656～ZK13+679
23
Ⅴ
214.21
0.59
5.57（页岩）
0.2
0.2
0
254.21
ZK13+679～ZK14+176
497
Ⅳ
259.79
2.61-3.16
0.61
12.43（页岩）
0.2
0
0
279.79
ZK14+176～ZK14+234
58
Ⅳ
277.79
2.79
0.61
18.43（泥灰岩）
0.2
0
0
297.79
ZK14+234～ZK14+398
155
Ⅴ
177
2.72
0.54
4.0（盐溶角砾岩）
0.2
0.4
0
237.0
ZK14+398～ZK14+666
277
Ⅲ
320
0.65
36.10（灰岩）
0.2
0.2
0
360
ZK14+666～ZK14+961
295
Ⅴ
207.44
2.40～2.44
0.54
7.48（膏岩）
0.2
0.2
0
247.44
ZK14+961～ZK15+233
272
Ⅲ
305.8
3.04～3.23
0.59
36.10（灰岩）
0.2
0.2
0
345.8
ZK15+233～ZK15+403
170
Ⅳ
305.8
3.04～3.23
0.59
36.10（灰岩）
0.2
0.2
0
345.8
ZK15+403～ZK15+493
90
Ⅴ
194.5
2.68
0.53
4.0（盐溶角砾岩）
0.4
0.2
0
234.5
ZK15+493～ZK15+866
373
Ⅲ
340.0
0.65
36.10（灰岩）
0.2
0.2
0
360
ZK15+866～ZK15+946
80
Ⅴ
154.5
2.68
0.53
4.0（盐溶角砾岩）
0.4
0.4
0
234.50
ZK15+946～ZK16+033
87
Ⅳ
252.79
3.31-3.40
0.59
18.43（泥灰岩）
0.2
0.2
0
292.79
ZK16+033～ZK16+293
260
Ⅳ
252.29
2.83
0.62
12.43（页岩）
0.1
0.2
0
282.29
ZK16+293～ZK16+313
20
Ⅴ
214.21
0.59
5.57（页岩）
0.2
0.2
0
254.21
ZK16+313～ZK16+385
72
Ⅲ
327.94
0.71
33.48（砂岩）
0.2
0.2
0
367.94
ZK16+385～ZK16+411
26
Ⅴ
214.21
0.59
5.57（页岩）
0.2
0.2
0
254.21
ZK16+411～ZK16+572
161
Ⅲ
310.44
2.96～3.25
0.72
33.48（砂岩）
0.2
0.4
0
370.44
ZK16+572～ZK16+658
86
Ⅴ
225.85
2.87～3.16
0.67
9.45（页岩）
0.2
0.4
0
285.85
ZK16+658～ZK16+849
191
Ⅳ
297.17
2.87-3.18
0.69
24.89（砂岩）
0.2
0.2
0
337.17
ZK16+849～ZK16+924
75
Ⅴ
224.02
2.81-2.94
0.67
8.84（页岩）
0.2
0.4
0
284.02
ZK16+924～ZK16+968
44
Ⅴ
209.02
2.76-2.89
0.61
8.84（页岩）
0.2
0.4
0
269.02
2.2不良地质现象
根据详勘，隧址区主要不良地质为岩溶、煤层、瓦斯、采空区以及膏岩腐蚀性。
1、岩溶
三叠系下统嘉陵江组（T1j）、中统雷口坡组（T2l）以可溶性的薄～中厚层状灰岩、盐溶角砾岩及白云岩为主，分布于明月峡背斜轴部形成的岩溶槽谷段。
明月峡背斜向北东侧倾伏，可溶性碳酸盐岩类地层逐渐从地表消失趋向隐伏；区内分布的可溶性碳酸盐岩类由北东至南西由窄变宽的特点，出露宽度与背斜发育的槽谷宽度基本一致。
碳酸盐可溶岩类的出露及分布与地质构造展布方向一致，其出露的宽窄与背斜枢纽的起伏及槽谷的切割深度相关。
根据初勘物探、详勘物探和钻孔，围岩破碎带或岩溶发育区见表2-3。
表2-2地表物探剖面测量成果一览表
里程（m）
高程（m）
深度（m）
异常性质
备注
K15+240～K15+420
460～一410
200～250
岩体破碎带
位于隧道下方
ZK15+160～ZK15+280
250～300
350～400
岩体破碎带
位于隧道下方
ZK15+170～ZK15+255
560～580
40～60
岩溶发育区域
隧道穿越岩溶发育区域底部
ZK15+680～ZK15+720m
400～380
245～265
岩溶发育区域
（充水或泥）
位于隧道下方
ZK14+380～ZK14+420
578～448
200～340
岩体破碎带
隧道穿越破碎带
ZK14+550～ZK14+590
426～448
221～247
岩溶发育区域
位于隧道下方
ZK15+220～ZK15+430
588～486
56～158
岩体破碎带
隧道穿越破碎带
ZK15+370～ZK15+430
585～541
56～100
岩溶发育区域
隧道穿越岩溶发育区域
ZK15+980～ZK16+120
568～478
20～110
岩溶发育区域
隧道穿越岩溶发育区域
隧道在穿越明月峡背斜（ZK14+216～ZK16+100，K14+225～K16+100）可溶岩段，受T1j4岩溶角砾岩和背斜核部构造的影响，岩溶发育，可能产生冒顶和突水、突泥，应加强超前预测预报地质工作，预防产生岩溶突水，采取以堵为主的防治方案。
尤其是：
隧道在ZK15+170～ZK15+255、K15+171～K15+256，段分布的岩溶发育区分布高程560～580m，位于隧道的顶部，距隧道洞顶距离1.20～6.80m，对隧道有较大的影响，进行隧道开挖易产生冒顶及突水突泥。
隧道在ZK15+220～ZK15+430、K15+221～K15+431段，位于斜轴部位，岩体受到的下压上拉，顶部形成张性裂隙，岩体破碎，裂隙发育，见宽度0.1～0.15m的溶蚀裂隙，有黄色粘土充填，隧道穿越轴部破碎带，进行隧道开挖易产生冒顶及突水突泥。
隧道在ZK15+980～ZK16+120，K15+981～K16+121段钻孔均揭露存在的溶洞，内有粘土、碎石土充填，揭露的溶洞距离隧道设计路面标高以下8.31～18.29m，对隧道的路面有较大的影响，易产生岩溶水的涌突。
2、煤层
煤炭主要分布于明月峡背斜两翼的侏罗系上统珍珠冲组、三叠系上统须家河组一、三、五段地层中，其中对隧道开挖有存在影响的煤层见表2-4。
隧道穿越区分布的煤层虽然多，但煤层的分布不均，煤层名称也不统一，煤层厚度变化较大，具极不稳定的特点。
各煤层受构造的影响，背斜两翼倾角变化较大，北西翼煤层倾角较平缓（25～30°）；南东翼煤层倾角陡，一般为63～73°，局部达80°以上。
表2-3隧道穿越煤层情况一览表
煤层名称
分布里程桩号
所在
地层
煤层描述
与隧道关系及影响
K21
ZK12+591～ZK12+609K12+593～K12+611
T1z
K21煤层分为两层煤；煤层厚0.35～0.78m,分为两层，其间夹1.20m的矸石层。
隧道穿越，影响较大
K7
ZK13+011～ZK13+165
K13+025～K13+161
T3xj5
K7煤层厚0.25～0.27m
隧道穿越，影响较大
K5、K6
ZK13+495～ZK13+532
K13+493～K13+534
T3xj3
K5、K6煤层厚0.30～0.41m，煤层倾角30°
隧道穿越，影响较大
K1
ZK13+656～ZK13+679
K13+657～K13+680
ZK16+293～ZK16+313
K16+297～K16+312
T3xj1
K1煤层（俗称臭炭）为全区可采煤层。
煤层结构简单，不含夹矸。
煤层厚度较稳定，煤层厚0.30—0.45m。
隧道穿越，影响较大
K10、K15
ZK16+385～ZK16+411
K16+387～K16+410
T3xj3
K10煤层（俗称三连子）煤层结构简单，不含夹矸。
煤层厚度不稳定，煤层厚0.08～0.45m。
K15煤层（俗称二连子）煤层结构简单，不含夹矸。
煤层厚度不稳定，煤层厚0.10～0.51m。
隧道穿越，影响较大
K20
ZK16+572～ZK16+658
K16+576～K16+657
T3xj5
K20煤层（俗称头连子）煤层结构结简单，不含夹矸。
煤层厚度不稳定，煤层厚0.15—0.35m。
局部煤层薄化不可采，不可采区走向长1465km，薄化区内煤一般小于0.20m而无开采利用价值。
可采区内煤层一般厚0.30m。
隧道穿越，影响较大
3、煤层采空区
隧道区范围内分布规模较大且对隧道有较大影响的煤矿主要有重庆市邵新煤化有限公司邵新煤矿、梁平县铜桥煤矿、沙子沟煤矿及分布凌乱的煤窑。
煤层采空区与隧道关系见表2-5。
表2-5采空区与隧道关系及影响一栏表
采空区
名称
分布位置
开采情况
线路设计标高（m）
煤矿开采方式
相对关系及影响
邵新煤矿采空区
ZK12+591～ZK12+609
K12+593～K12+611
K5煤层：
标高+565m以上部分已采空；现开采+395～+565m；计划两年后开采+235m～+395m煤。
K21煤层：
标高+395m～+520m段已采空；现开采+235m～+395m煤，计划两年后开采+235～0m煤。
546～558
平硐+明斜井开拓，暗斜井布置方式，采用走向长壁开采，全部陷落法管理顶板
穿越采空区，影响较大
ZK13+011～ZK13+165
K13+025～K13+161
ZK13+495～ZK13+532
K13+493～K12+534
K13+656～ZK13+679
K13+657～K13+680
铜桥煤矿采空区
ZK13+011～ZK13+165
K13+025～K13+161
开采矿界标高为592～535m，南北长2925m，以开采上山煤为主，该煤矿上部已基本采空
550～558
矿井采用前进式、走向长臂式采煤法，采用手镐落煤，无永久保安煤柱，采用自然顶部塌落回填的回采方式
穿越采空区，影响较大
ZK13+495～ZK13+532
K13+493～K13+534
K13+656～ZK13+679
K13+657～K13+680
沙子沟煤矿采空区
ZK16+385～ZK16+411
K16+387～K16+410
煤矿早年已封闭，其＋535m的沿脉运输巷与隧道交叉；+495m巷道位于设计路面标高以下30～34m
532～526
以开采上山煤为主
穿越采空区，影响较大
ZK16+572～ZK16+658
K16+576～K16+565
备注
煤层采空区地下空间分布复杂，搜集资料有限，施工中存在诸多不确定性，施工过程中应着重加强超前地质预报
隧道范围分布的采空区对隧道的主要影响为穿越煤层采空区段时岩体的完整性差，采空区内的集水及有毒有害气体对隧道施工的影响。
4、石膏
根据详勘，石膏主要分布于背斜轴部分布的三叠系下统嘉陵江组四段的地层中，具体分布范围：
左线ZK14+666～ZK14+961，右线K14+682～K14+983。
石膏为弱透水层，在隧道中不存在干湿和冻融交替作用，判定为Ⅱ类环境，石膏对砼具有强腐蚀（对应腐蚀作用等级为D级），对钢筋混凝土结构中钢筋有微腐蚀性，对钢结构有微腐蚀。
隧道施工中穿越石膏层建议对隧道衬砌层采用抗硫酸盐水泥，并需作抗溶出型腐蚀处理措施。
熟石膏水化重结晶过程产生体积增大，具中～强膨胀性，对隧道的衬砌具有较大的危害。
2.3隧道断面参数
隧道设计拱高7.05m，上半圆半径为5.45m的三心圆曲边墙结构，其净空面积（含仰拱）64.28m2，周长（含仰拱）31.17m。
根据不同围岩衬砌厚度不同，开挖断面尺寸不相同，其中Ⅲ级围岩开挖全断面面积为82.93㎡，Ⅳ级围岩开挖全断面面积为95.983㎡，Ⅴ级围岩开挖全断面面积为99.7㎡，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩对应开挖断面尺寸详见图2.3-1、2.3-2、2.3-3：
图2.3-1Ⅲ级围岩开挖断面轮廓图2.3-2Ⅳ级围岩开挖断面轮廓
图2.3-3Ⅴ级围岩开挖断面轮廓
2.4周边环境
隧道进口处于山林沟谷之中，经现场调查，周围200m范围内无任何建筑物、高压线、国防光缆、天然气管道，不任何需要保护物。
隧道出口200m范围内只有右前方有一砖房，距离隧道口约160m，明挖段爆破时需要采取防护措施，其余200m范围内房屋均已拆除，洞口附近无高压线、国防光缆、天然气管道等需要保护对象。
三、施工设计方案
3.1工作面布置
每个掘进工作面在施工时各工序之间，在施工条件许可的情况下，本着加快施工进度，减少施工干扰，确保施工安全和按计划进度施工的原则进行工作面的布置。
1）划分若干个作业面，能满足工程总进度的要求；
2）隧道在掘进期间，应随时根据地质条件采取合理的施工方法，对于全断面、上下台阶法及导坑法掘进要充分利用工作面空间进行作业点的合理布置；
3）每个掘进工作面根据不同的施工方法，各工序之间或同一工序在满足施工安全的前提下可划分成多个作业点进行平行作业；
4）确保各工作面的施工安全。
3.2爆破施工方法概述
根据本标段沿线地形、地质情况，以及所处的地理位置和周边环境，结合具体情况考虑，隧洞地质条件较差，结合设计建议开挖方案，明月山隧道Ⅲ级围岩采用全断面或上下台阶法开挖，Ⅳ级和Ⅴ级围岩根据实际地质情况，洞身埋深段先行洞采用环形导坑法，后续洞采用单侧壁导坑法施工，洞口浅埋段先行洞和后续洞均采用单侧壁导坑法。
隧道开挖采用松动爆破和光面弱爆破技术，分多个断面立体交叉施工；同时边开挖边支护，确保安全无事故。
对于地质条件较差的地段或区域以机械施工为主，局部用风镐破除，难度较大的，小范围采用控制松动爆破法施工。
洞口采用管棚法辅助进洞。
根据围岩类别及开挖部位不同，采用不同的炸药单耗，对于软岩采取松动爆破技术，炸药单耗控制在0.35～1.3kg/m3之间，爆破施工中根据实施爆破效果进行调整。
特别是在隧道施工过程中，须根据掘进过程中岩石的类型、走向、地质结构、地下水、施工进度等各种因素来制定具体的施工方案，针对同一条隧道不是固定不变的。
当掘进过程中遇到地质构造或其它特殊的地质结构时，根据具体情况将及时制定相应的施工方法，编制详细合理的施工方案。
3.3施工工艺流程
隧道爆破施工主要施工工艺流程如下：
施工准备（校核中腰线、标定眼位）→钻孔→装药联线→警戒爆破→通风排尘→清理危岩活石→临时支护→清碴（下一个工序）。
本工程在爆破施工过程中，钻眼、爆破是施工的重点工序，它直接影响施工质量和安全；施工中影响安全的重要因素是爆破和支护。
针对以上各个工序，在施工中应采取相应的管理和技术措施，精心组织施工，确保整个隧道工程的施工质量、安全和工期达到预期目标。
四、爆破设计与施工
4.1简述
本工程在爆破施工过程中，其关键过程主要是与爆破作业有关的技术方案设计和相应的各作业工序。
主要包括：
爆破设计和与之相关的爆破安全、施工作业以及爆破后的临时支护。
在本方案的设计中主要是关于与爆破相关的技术参数和施工设计。
在开始爆破施工初期，先针对相应的岩性和结构，用爆破设计方案中对应的爆破方式进行爆破试验，使得待爆破的岩石得到松动，且岩壁不受或少受破坏；试验时，对爆破效果进行分析，在此基础上调整设计参数，完善设计方案，及时进行总结。
4.2爆破技术参数设计概述
隧道爆破的效果和质量在很大程度上决定于钻眼爆破参数的选择。
除掏槽方式及其参数外，主要的钻眼爆破参数还有：
单位炸药消耗量、炮眼深度、炮眼直径、装药直径、炮眼数目等。
合理地选择这些爆破参数时，不仅要考虑掘进的条件（岩石地质和断面条件等），而且还要考虑到这些参数的相互关系及对爆破效果和质量的影响（如炮眼利用率、岩石破碎块度等）。
4.2.1单位炸药消耗量
单位炸药消耗量不仅影响岩石破碎块度、岩块飞散距离和爆堆形状，而且影响炮眼利用率、断面轮廓质量及围岩的稳定性等。
合理确定单位炸药消耗量决定于多种因素，其中主要包括：
炸药性质（密度、爆力、猛度、可塑性）、岩石性质、断面、装药直径和炮眼直径、炮眼深度等。
因此，要精确计算单位炸药消耗量q是很困难的。
本工程设计中所选取的单位炸药消耗量参见后面第相关章节的爆破设计部分，以供施工初期参考。
随着以后隧道中不同岩性的爆破试验和经验总结，其所得出的q值还需在实践中作些调整。
4.2.2炮眼直径
炮眼直径大小直接影响钻眼效率、全断面炮眼数目、炸药的单耗、爆破岩石的块度与岩壁的平整度。
在隧道内掘进施工中主要考虑断面大小、炸药性能和钻眼速度来确定炮眼直径；在明挖段的爆破开挖还要考虑周边建筑物的安全问题。
炮眼直径的大小和药卷直径，决定了爆破参数中的不耦合系数k=炮孔直径D/装药直径d；要使炸药在孔内爆炸而孔壁不产生“压碎”破坏，必须选择合理不耦合系数，一般不耦合系数＝1.1～3.0。
以Ф32mm药卷为例，不耦合系数取1.3，则爆孔直径为：
D=1.5×32=48mm。
明月山隧道洞身开挖采取YT-28风钻，配φ42mm的钻头，进行隧道断面内的各爆破炮孔、临时支护锚杆孔、一般系统锚杆孔。
遇到特殊地质段，需要使用特殊药卷的，将根据不同的爆破药卷直径所需的钻眼直径选择钻头大小。
4.2.3炮眼深度
从钻眼爆破综合工作的角度说，炮眼深度在各爆破参数中居重要地位。
因为，它不仅影响每一个掘进循环中各工序的工作量、完成的时间和掘进速度，而且影响爆破效果和材料消耗。
在本工程中，将针对不同围岩类型、开挖方法、爆破环境来调整炮眼深度，其炮眼深度范围在1.2m～3.5m之间选取。
在具体的爆破施工中，将根据岩性和前几次的爆破效果，在后面设计
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