隧道工程项目开挖设计方案.docx

1、隧道工程项目开挖设计方案隧道工程项目开挖设计方案1 隧道总体设计（1）隧道平面及纵断面设计 隧道轴线是根据隧址区地形、地貌等因素，在符合路线总体走向的前提下，结合了隧址区工程地质与水文地质条件、两端接线及工程造价等因素综合确定；隧道平面为双向四车道分离式隧道；左右线间距的确定主要考虑隧道总体地质条件、左右线隧道相互间施工干扰以及洞口接线工程等因素。 隧道纵断面设计主要考虑路线总体走向、隧道工程及接线工程规模、隧道施工难度、通风照明等机电设施前期投入及后期运营费用。 隧道进出口平、纵面线形指标均满足3s行程的要求。 （2）紧急停车带及横通道设计 根据公路设计规范要求，隧道设置了2处人行横通道，1

2、处车行横通道，左右线隧道各1处紧急停车带。 （见附图）。 3.3.2 洞身结构设计 （1）建筑限界设计 依据现行公路工程技术标准及公路隧道设计规范，结合本项目技术标准及相关要求拟定隧道主洞、紧急停车带、行人横通道及行车横通道建筑限界，如图3-1所示： 图3-1 公路隧道建筑限界图（单位：cm） H建筑限界高度 W行车道宽度 LL左侧向宽度 LR右侧向宽度 C余宽 J检修道宽度 R人行道宽度 h检修道或人行道高度 EL建筑限界左顶角宽度 EL=LL ER建筑限界右顶角宽度 主洞建筑限界宽为10.25m=0.75m(JL)+0.5m(LL)+3.75m2（W）+0.75m(LR)+.0.75m(J

3、R)； 主洞建筑限界高为5m；紧急停车带建筑限界宽为 13.0m=0.75m(JL)+0.5m(LL)+ 3.75m2（W）+2.75(加宽)+0.75m(LR)+0.75(JR)； 紧急停车带建筑限界高为5m； 车行横通道建筑限界宽为 4.5m=0.25m+4.0m+0.25m； 车行横通道建筑限界高为 5m； 人行横通道建筑限界宽为 2.0m； 人行横通道建筑限界高为 2.5m.（2）内轮廓设计 隧道内轮廓设计以建筑限界为基础，综合考虑路面超高、衬砌结构受力特点、通风照明及消防设施布置空间、沟槽尺寸及隧道内装等拟定断面形式及具体参数，内轮廓均采用受理条件好的单心圆形式。隧道采用满足路面超高

4、4%的R=555cm内轮廓。断面尺寸见设计图。 隧道紧急停车带内轮廓依据建筑限界并综合考虑相关因素拟定：停车带内轮廓采用三心圆断面形式，其边墙部曲线与主洞一致以实现顺适过渡，隧道拱顶采用R=749.5cm打半径曲线；停车带内轮廓图详见设计图。 车行横通道及人行横通道，由于路跨度较小且位于较好的围岩内，采用断面利用率高的直边墙+半圆拱方案；拱部圆弧半径分别为2.40m和1.25m，具体布置见设计图。（3）明洞衬砌设计12 隧道明洞段采用明挖法施工，整体模筑衬砌结构；明洞段临时边仰坡采用喷锚防护，喷锚防护采用喷射混泥土+锚杆+钢筋网的复合防护形式，相关衬砌结构参数如下表：表3.3 明洞结构支护参数

5、表明洞及边仰坡6钢筋网（cm）C20喷射混凝土（cm）22砂浆锚杆C25混凝土二次衬砌（cm）SMa型衬砌2020103.5m1.51.5m60（钢筋混凝土）（4）衬砌结构设计1,2 本路段隧道衬砌结构均按照新奥法原理进行设计，隧道采用复合式衬砌，即初期支护采用锚网喷混凝土和钢拱架，在地质条件较差段辅以不同形式的超前支护，二次衬砌为模筑混凝土或钢筋混凝土。衬砌设计支护参数通过工程类比和计算分析综合确定。隧道衬砌设计的主要原则为： 初期支护：对于级围岩由工字钢拱架（或格栅钢架）、系统锚杆、钢筋网及喷射混凝土组成，并辅以不同形式的超前支护，而对于级围岩则由系统锚杆、钢筋网及喷射混凝土组成。对于级洞

6、口段围岩软弱、压力较大的段落则根据实际情况设置临时仰拱以控制围岩变形。 超前支护：本路段隧道设计采用的超前支护措施主要有超前打管棚、超前小导管。超前的管棚一般设于两端洞口，防止隧道开挖塌方和仰坡变形，惠水端洞口左右线均采用16m长超前管棚，兴仁端洞口左右线均采用28m 长超前管棚；超前小导管：适用于V级围岩或IV级较差围岩段，主要防止隧道开挖发生塌方。 二次衬砌：一般情况下采用素混凝土，以方便施工，但在浅埋软弱围岩地段则采用钢筋混凝土，以确保隧道结构的安全。二次衬砌施作的合理时间应根据围岩地质情况和施工监测数据确定。设计时结合隧道的地质、地形及所处位置选择合理的衬砌类型，主要衬砌类型的支护参数

7、见下表：表3.4 明洞支护、衬砌参数表衬砌类型 支护参数SVaSVbSVcSIVaSIVbSIVcSIIIa初期支护C20喷混凝土（cm）26242420161610锚杆长度（cm）（中空）L=3.5（中空）L=3.5（中空）L=3.5（中空）L=3.0（中空）L=3.0（中空）L=3.0（中空）L=2.5间距（cm）601206012080120100120100120120100120120超前支护小导管型号424 L=4.0m424 L=4.0m424 L=4.0m424 L=3.5m间距（cm）240402404024040200408钢筋网（cm）2020(双层)2020(双层)20

8、20(双层)2525252525252525钢架型号120b118118114格栅格栅间距（cm）606080100100120预留变形量（cm）121087755二次衬砌拱部（cm）50（钢筋）50（钢筋）45（钢筋）40404035边墙（cm）50（钢筋）50（钢筋）45（钢筋）40404035仰拱（cm）50（钢筋）50（钢筋）45（钢筋）404040（见附图）特殊区段处理 （1）岩溶、溶洞 在厚大的石灰岩、白云岩中进行隧道开挖时会遇到隐伏性岩溶、溶洞。施工中必须重视超前探测，及时采用相应处治措施。对于岩溶水量较小，与外界无水力联系的溶洞，可用排水管将水导入中心水沟。如果岩溶水量较大，无

9、法一时排干，且与外界有水力联系时，尽量不要破坏现有的溶洞水平衡。根据溶洞出现的位置、大小、形态、充填状况等不同，采用不同的结构形式进行处治，注意在衬砌背后设有充足的疏排措施。 （2）出口下穿省道段 隧道出口段下穿即有省道，该段埋深为1214m。设计采用加强衬砌方案，施工时应做好施工组织，避免载重车在拱顶频繁通过；采用合理的施工方案，降低爆破施工对围岩的扰动；加强对地表、围岩、初期支护状态的施工监测，根据地层情况对拱顶围岩进行加固，开挖后尽快完成拱顶施作，与拱墙及早形成封闭式承载体系，及早施作给段二次衬砌后再进行后续施工，避免因施工工艺不当导致地面下沉、开裂和二次产生纵、斜向裂缝及拱脚错位。 3

10、.3.3 隧道防排水设计（1）洞身防排水设计原则 隧道防排水设计以“防、排、堵、截相结合”的原则，达到排水通畅、防水可靠、经济合理、不留后患的目的；在保证隧道放排水效果的前提下，加强防水、堵水措施，尽量减小隧址区地下水的流失、避免对水文地质环境造成重大影响。 （2）洞身排水措施 1） 在初期支护中根据地下水量大小按规定间距设置环向排水管将水引入衬砌两侧墙脚设置的纵向排水花管中，设计是按每10m一道，施工中可根据裂隙水发育情况调整间距； 2）隧道两侧边墙初期支护底部设置110HDPE双壁打孔波纹管作为纵向排水管以引排衬砌后地下水； 3）隧道路面左右两侧设置排水沟，作为隧道的纵向排水沟排出路面；路

11、面下设置中心排水沟排出地下水； 4）隧道纵向根据开挖后地下水情况设置110HDPE横向引水管将墙背纵向排水管中的水引排至隧道中心水沟内，横向引水管设置间距数量按10m一道计算。 5）纵向排水花管、中心排水沟及路面两侧边沟间隔适当距离设置检查井，方便维修及利用高压水冲洗疏通。 （3）洞身防水措施 1）隧道拱部及边墙满铺1.2mm厚EVA防水卷材+350/m2无纺布组成复合防水层；明洞及洞门段采用350g/m2无纺布+1.2mm厚EVA防水卷材+350/m2无纺布复合防水层。 2） 二次衬砌采用抗渗混凝土浇筑，保证二次衬砌抗渗等级不低于S8. 3） 隧道施工缝采用带注浆管的膨胀止水条、沉降缝采用橡

12、胶止水带。在衬砌结构变化处设沉降缝。 （4）洞口排水设计 为防止过多的地表水汇集至洞门顶部，在洞口边仰坡坡顶外5m设置洞外截水沟，将其以外的水流截排至天然水沟或路面边沟内；进洞方向为降坡的隧道洞口，在洞口路基段水沟底设置1.0反坡，以防止洞外路基段汇水流入隧道内。3.4 隧道开挖方案的分析及优化选择 3.4.1 常用的隧道开挖方法3,4 隧道开挖方法主要是根据隧道的地质条件决定的，同时也必须考虑机械设备情况、材料情况、技术水平、隧道长度、断面积大小、工期要求及经济效益等因素；在做法上要加强管理，能做到均衡生产，符合快速、优质、安全、节约的原则。 隧道工程不同于其他工程的显著特点之一，就是在有限

13、空间内，必须使有效设备和人员，协调而高效的发挥作用，才能在单位时间内取得良好的效果，它涉及的因素很多，如施工机具及其配套综合能力、机具设备是否与所采用的施工方案相适应、施工方案是否与所处地质环境和支护手段协调、领先工序与后续工序的配合、组织指挥和管理水平，这些都是影响施工进度各项指标完成的因素。现列出几种常用的隧道开挖方法，以进行优化比选。（1）台阶法台阶法是指在不同的时间内，把隧道断面分成两部分进行开挖。如图3-2所示。图3-2 台阶法开挖顺序1上半部开挖 2.下半部中央开挖 3.边墙开挖 这一施工法分为正、反台阶两种方法施工。根据台阶长度的不同可以划分为长台阶法、短台阶法和超短台阶法三种，

14、应根据要求选用合理的开挖方法。台阶法使用与浅埋或特浅埋隧道、大跨度隧道、围岩软弱、岩石破碎、构造复杂及围岩自稳能力差的隧道等。（2）分步开挖留核心土法 这种方法将断面分成环形拱部、上部核心土和下部台阶三个部分，施工顺序如图3-3所示。该方法主要适用于土质围岩及软弱围岩，主要优点：由于上部留有核心土支挡着开挖面， 图3-3 分部开挖预留核心土法 1.上弧形导坑开挖 2.中部核心土开挖 3.下部开挖 而且能迅速及时地施作拱部初期支护，所以开挖工作面稳定性较好，核心土和下部开挖都是在拱部初期支护下进行的，施工安全行好（3）中墙隔法（CD法）该方法施工顺序如图3-4所示。图3-4 CD法开挖顺序图1.

15、先行导坑上部开挖 2. 先行导坑中部开挖 3. 先行导坑下部开挖 4.后行导坑上部开挖 5. 后行导坑中部开挖 6. 后行导坑下部开挖对于隧道，可以先开通侧壁导坑开挖后行导坑上、中、下三部分，隔各台阶间的距离可根据围岩情况采用短台阶法或超短台阶法。当围岩级别较好时，每侧导坑均可只设上、下台阶。此法适用于断面跨度大、地表沉陷难以控制的软弱松散围岩中的浅埋隧道。（4）双侧壁导坑法（眼镜法）该方法施工顺序如图3-5所示。图3-5 双侧壁导坑法开挖顺序1.左导坑上部开挖 2.左导坑下部开挖 3.右导坑上部开挖4.右导坑下部开挖 5.中央部拱顶开挖 6.中央下半部开挖 此法虽然开挖断面分块较多，对围岩的

16、扰动次数增加，且初期支护全断面的时间长，但每个分块都是在开挖后立即各自封闭的，所以在施工期间变形几乎不发展。其特点在于施工安全，但进度慢，造价高，适用于断面跨度大、地表沉陷要求严格、围岩条件特别差的浅埋隧道。（5）交叉中隔墙法（CRD法）施工顺序如图3-6所示。图3-6 CRD法开挖顺序1.左侧上部开挖 2.左侧下部开挖 3.右侧上部开挖 4.右侧下部开挖此法适用于浅埋软岩的大跨度或特的跨度隧道，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，本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，能非常有效地控制拱部下沉与收敛。 3.4.2 隧道开挖方案的优化

17、比选表3.5 施工方法比较项目台阶法(或留核心土法)CD法双侧壁导坑法CRD法工法的安全行施工技术难度施工机械类型施工工序工程造价掌子面的稳定地表沉降周边收敛控制适用范围i不够安全较低大、中型较简单较高较差较大较差地质条件较好、技术熟练较安全较高中、小型较多较高较好较小较好地质条件较差、安全要求较高安全高小型多高好小好跨度大、安全要求高安全高小型多高好小好地质条件差、安全要求高 从施工复杂程度来看，台阶法和预留核心土法施工较少，施工过程简单，因而隧道掘进速度较快；CD法由于需要架立并拆除钢支撑，所以工序较多，施工过程较复杂，隧道掘进速度较慢，并且影响二次衬砌的施工进度；CRD法与CD法的区别在

18、于要用临时仰拱封闭断面，CRD法和双侧壁导坑法施工工序更为繁杂，隧道掘进速度更慢。 故此，选择台阶法作为本次隧道开挖方案设计的主要开挖方法，特殊地质条件区域采用相应的其他开挖方法。第四章 隧道台阶法开挖施工 台阶法的主要特点是几乎是用于所有地层，而且可以根据实际地质条件和施工机械的效率来确定开挖台阶的长短，其灵活性比较强；再者，该方法对施工的技术难度不高，施工工序较简单，施工进度较快4.1隧道开挖施工流程由于林场隧道出口段软弱围岩埋深较浅，地质条件差，渗水大，如何能安全、快速、优质地通过该段软弱围岩施工是关键。根据多年来的施工实践经验，采用了三台阶七步流水作业法施工。其主要施工特点是：多台阶、

19、短进尺、强支护，以尽量减小对周边围岩的扰动，且台阶之间可平行穿插作业、互不干扰。这样既安全确保工程施工进度，具体如图4-1所示5。图4-1 三台阶七步流水作业法1.大管棚（小导管）超前支护；2.上台阶开挖；3.、扩大拱脚、初期支护；4.中台阶左、右马口开挖；5.、扩大拱脚马口初期支护；6.中部核心土开挖；7.、下台阶马口初期；8.下台阶中部核心土开挖；9.施作仰拱、支护、回填；10.施作防水层、二次衬砌；11.沟槽路面施工 （1）台阶分配 隧道软弱围岩施工，多台阶施工，台阶分配是关键。隧道作业空间是固定的，科学合理的工作面分配将对施工的可操作性、工作效率、施工安全、工程进度起着决定性作用。根据

20、隧道的几何尺寸、机械工作空间，从拱顶开挖轮廓线向下3.44m为上台阶，从上台阶底至起拱线为中台阶，剩余为下台阶，如图4-2所示。图4-2 台阶分配示意图（2）台阶开挖 台阶拱部左、右侧均以人工风镐开挖为主，必要时辅以弱爆破并保留环状核心土的施工方法，以减少对周边围岩的扰动，保证施工作业人员的安全与施工方便。 上台阶出渣。软弱围岩采用台阶法施工出渣，受台阶高度的限制，上台阶出渣必须采用PC-200型挖掘机将渣扒至中台阶再用转载机装碴。扒碴难点是拱脚，为此，拱脚的高度应尽量扩大挖掘机斗子的作业范围，减少人工清渣的工作量，以提高工作效率，缩短循环作业时间。一般从拱脚开挖轮廓线向隧道中引60cm，这样

21、仅20cm左右的拱脚碴需人工清理，两人5min即可完成。 下台阶采用挖掘机拉槽开挖。转载机配合汽车运输台阶法的主要特点是几乎是用于所有地层，而且可以根据实际地质条件和施工机械的效率来确定开挖台阶的长短，其灵活性比较强；再者，该方法对施工的技术难度不高，施工工序较简单，施工进度较快由于林场隧道出口段软弱围岩埋深较浅，地质条件差，渗水大，如何能安全、快速、优质地通过该段软弱围岩施工是关键。根据多年来的施工实践经验，采用了三台阶七步流水作业法施工。其主要施工特点是：多台阶、短进尺、强支护，以尽量减小对周边围岩的扰动，且台阶之间可平行穿插作业、互不干扰。这样既安全确保工程施工进度，具体如图4-1所示。

22、 中台阶和下台阶采用挖掘机拉槽开挖，转载机配合汽车运输，两侧各留1.5m边墙人工风镐交错开挖。左、右边墙马口交叉施工，两边不得同时开挖，错开最小间距3m，马口开挖时，必须注意岩层倾斜和稳定情况，防止顺层坍塌。如图4-3所示。图4-3 风镐开挖施工顺序图（见附图）4.2施工质量监控6隧道施工中掌子面开挖成形后，必须立即喷射不小于5cm厚的混凝土及时封闭围岩，紧跟监控量测，监控量测应在开挖后24小时没进行。否则，工作人员不得进入掌子面作业。 围岩监控范围包括：（1） 地质监控：施工单位应配备专业地质工程师针对掌子面开挖地质情况观察、记录和描述，并绘制工程地质纵断面图，与设计地质类型进行对比，以正确

23、判断围岩类别。（2） 安全监控：施工单位应配备专业安全员对施工以开挖洞室进行安全检查，观察初期支护、二次衬砌有无发生裂缝、掉皮、钢拱变形、渗漏水等现象，确保初期支护工程质量。（3） 拱顶下沉、周边位移量测：只有通过对围岩进行监控量测，才能正确的掌握围岩与支护之间的收敛动态，力学动态及稳定程度，客观的评价围岩的稳定性，进一步了解围岩的弹塑性区域，裂隙发育程度等， 从而达到调整初期支护参数及指导设计和施工的目的，完成信息设计。初期支护参数的调整，应根据监控资料会同设计、监理、施工人员共同研究确定，合理变更设计与施工方法，保障施工安全。4.3隧道开挖及支护的动态数值模拟 4.3.1 开挖方式7 根据

24、不同的工程地质条件，需要有针对性地采用不同的开挖方式，以确保开挖后的隧道围岩能够保持稳定，不致变形过大甚至坍塌。所以隧道洞口及洞内开挖采用机械开挖+爆破开挖的方式，针对各级围岩拟定相应的开挖及施工方式，详细叙述如下：（1）隧道洞口及明洞段采用明挖法施工，主要采用机械开完方式，对于局部围岩较好区段可采用爆破开挖。（2）隧道洞内主要采用爆破开挖；对于土方地段、围岩较差区段等可以采用机械开挖区段，应采用机械开挖以避免爆破震动对围岩造成破坏。（3）隧道内主洞V级围岩及I隧道施工中掌子面开挖成形后，必须立即喷射不小于5cm厚的混凝土及时封闭围岩，紧跟监控量测，监控量测应在开挖后24小时没进行。否则，工作

25、人员不得进入掌子面作业。 围岩监控范围包括：（1）地质监控： 施工单位应配备专业地质工程师针对掌子面开挖地质情况观察、记录和描述，并绘制工程地质纵断面图，与设计地质类型进行对比，以正确判断围岩类别。（2）安全监控： 施工单位应配备专业安全员对施工以开挖洞室进行安全检查，观察初期支护、二次衬砌有无发生裂缝、掉皮、钢拱变形、渗漏水等现象，确保初期支护工程质量。（3）拱顶下沉、周边位移量测： 只有通过对围岩进行监控量测，才能正确的掌握围岩与支护之间的收敛动态，力学动态及稳定程度，客观的评价围岩的稳定性，进一步了解围岩的弹塑性区域，裂隙发育程度等， 从而达到调整初期支护参数及指导设计和施工的目的，完成

26、信息设计。初期支护参数的调整，应根据监控资料会同设计、监理、施工人员共同研究确定，合理变更设计与施工方法，保障施工安全。根据不同的工程地质条件，需要有针对性地采用不同的开挖方式，以确保开后的隧道围岩能够保持稳定，不致变形过大甚至坍塌。所以隧道洞口及洞内开挖采用机械开挖+爆破开挖的方式，针对各级围岩拟定相应的开挖及施工方式，详细叙述如下：（1） 隧道洞口及明洞段采用明挖法施工，主要采用机械开完方式，对于局部围岩较好区段可采用爆破开挖。（2） 隧道洞内主要采用爆破开挖；对于土方地段、围岩较差区段等可以采用机械开挖区段，应采用机械开挖以避免爆破震动对围岩造成破坏。（3） 隧道内主洞V级围岩及I级围岩

27、较差区段采用留核心土法环形开挖。（4） 隧道内主洞IV、III级围岩区段、紧急停车带V级围岩较差区段采用留核心土法环形开挖。（5） 隧道内主洞IV、III级围岩区段、紧急停车带III级围岩区段采用台阶法开挖。（6） 隧道内主洞III、II级围岩区段，紧急停车带II级围岩区段采用台阶法或全断面法开挖。 4.3.2 开挖方案8,9,10,11 (A)、V类围岩地段施工 、V类围岩施工采用留核心土超短台阶开挖法施工，先支护后开挖，机械配合人工进行开挖，个别地方石方开挖采用放小炮松动，机械出碴。施工时严格遵守软弱围岩不良地段“早预报、管超前、严注浆、弱爆破、短进尺、强支护、勤量测、快封闭、紧衬砌”的原

28、则，认真做到稳扎稳打，步步为营。关键工艺要求：（1）超前小导管施工要注意保持环与环间的设计搭接长度。（2）主要采用机械配合人工开挖，局部辅以弱爆破，“震松法”施工，尽量减少对地层的扰动，爆破要密打眼，少装药。（3）拱部环形开挖后应立即完成该部分的钢支撑安装和锚喷支护。 （4）仰拱及填充层在初期支护完成后尽快施做，先于二衬进行施工，采用搭设防干扰平台技术进行混凝土全断面灌注。必要时，钢支撑脚部设锁脚砂浆锚杆，以保证稳定和安全。（5）、V类围岩左右侧每循环开挖长度控制在2.0m左右，初期支护紧跟掌子面，及时施做仰拱，使整个断面尽快形成封闭环。（6）二次衬砌根据围岩量测监控的信息情况，适时施做，以保

29、证初期支护和施工安全的关键措施。一般二次衬砌距初期支护23倍洞径处开始浇注。（7）施工时认真做好洞内排水工作，保证排水畅通，防止基底软化。两侧临时排水沟要保证顺畅，合理位置设集水井，配备抽水机抽水。（B ）类围岩地段施工类围岩地段采用正台阶施工方案，台阶长1520m，先支护后开挖，微震光面爆破，装载机和自卸车出碴。 关键工艺要求：（1）先拱部22（25）超前先锚后灌式砂浆锚杆施工，然后上台阶开挖采用简易台架人工风枪钻眼，楔形复式减震掏槽，微震光面爆破开挖，循环进尺1.01.5m。（2）拱部初期支护施工顺序为初喷、挂钢筋网、复喷20#砼至设计厚度。（3）下部开挖后及时进行锚喷初期支护，灌注仰拱混

30、凝土，片石砼仰拱回填，分左、右半幅进行调平层施工。（4）铺设环向排水软管及隧道专用复合防水卷材，初期支护基本稳定后施做整体模筑二次衬砌，二衬段与台阶距离不大于30m。2、爆破设计类围岩正台阶法开挖，上半断面采用微震光面爆破，下部台阶采用一次性爆破施工。施工过程中，根据爆破效果及时修改爆破参数。（1）炸药及雷管选型选用爆速低的炸药，采用25mm和32mm两种乳化炸药药卷。为更好地实现微差爆破采用非电毫秒雷管。（2）非电微差起爆网络设计 爆破震动与同段齐爆的炸药用量有极其密切的关系，采用非电微差起爆技术，不但可以有效控制单段雷管的起爆药量，又能有效地控制每段雷管的起爆时间，使爆破震动波形不形成叠加，既能保证岩石破碎达到理想的效果，又能消除爆破震动的有害效应。在掏槽眼、掘进眼、底板眼或周边眼中，起爆药量较大的段别的雷管，间隔时差设计为200ms，即