隧道开挖方法及其施工技术要点分析

董 宁，辜文凯

(中铁二局第二工程有限公司，四川成都610091)

隧道统称地下通道。按其使用功能不同，可分为交通隧道、水工隧道、矿山隧道、管线布置隧道;按其所处的位置不同，可分为山岭隧道、跨海隧道、越江隧道;按其埋置深度的不同，可分为深埋隧道、浅埋隧道。隧道的断面净空尺寸及几何特征是由其使用功能和所处的特殊地质环境确定的，其施工开挖掘进方法选择的重要依据也是其断面净空尺寸和地质条件。隧道开挖是施工的重要工序，开挖方法的选择不仅决定隧道的施工进度，而且严重影响到施工安全，科学合理的选择隧道开挖方法十分重要。

1 隧道开挖方法分类

隧道开挖掘进方法分机械掘进与钻爆开挖两大类。其中机械掘进有TBM、盾构两种方式，钻爆法开挖分全断面法、台阶法，其中台阶法又分二台阶、三台阶及三台阶预留核心土法，其它主体方法还有CD、CRD法、双侧壁导坑法、中洞法。本文重点讨论钻爆发开挖常用方法的适用条件极其技术控制要点。隧道开挖方法见图1。

图1 隧道开挖方法分类

2 各类钻爆开挖方法的适用条件及其技术要点

2.1 全断面法

2.1.1 全断面法的适用条件

全断面开挖法是指按隧道设计轮廓线将其一次爆破成型，再进行下一步工序施工。其适用条件包括较好的围岩级别和适度的开挖断面。而围岩级别低，其自稳性差，若采用全断面开挖必须先行预加固，对施工进度和效益并无益处;断面面积过大，不但对钻爆设备性能有特殊要求，而且起爆顺序复杂，雷管段位多，超过常用段位需要生产厂家特制，费用较高，一次起爆药量大，对围岩的扰动较大。对水工隧道来讲，松动圈过大，不但对结构的耐久性有影响，而且加大固结灌浆费用。

从施工实践来看，只要满足以下两条件即可考虑采用全断面开挖:①隧道围岩为Ⅰ、Ⅱ级;②设计断面不大于120 m2。另外断面面积小于60 m2的Ⅲ级围岩隧道也可考虑采用全断面开挖。

2.1.2 全断面法的技术要点

(1)地质复核。只要隧道围岩条件许可，工程项目采用全断面开挖比较普遍，但是仅仅根据施工图提供的围岩条件决定开挖方法存在较大的风险，因为全断面开挖对围岩扰动较大，一旦围岩变化而不改变施工方法必然导致事故发生。为此在全断面开挖掘进中有必要开展掌子面地质素描和超前地质预报，掌握隧道围岩实际情况，适时复核围岩级别，一旦出现围岩级别与设计相差较大，需要及时修改开挖方法，减小循环进尺［1］。

(2)钻爆方案设计与优化。全断面开挖的另一技术要点是钻爆设计。钻爆质量的好坏对施工进度影响巨大，而钻爆方案的设计不是一成不变的，爆破参数需要在实施过程中不断优化调整，因此方案的设计和优化是动态的。但是许多项目现场别说动态设计了，连基本的爆破方案也没有，全凭开挖工的施工经验。经验丰富的，爆破质量高;经验欠缺的，不但进尺差、爆碴大块率多，连续补炮，有的连成型都困难，严重影响施工进度，因此爆破设计是全断面开挖的技术要点。钻爆方案设计内容包括:掏槽形式确定，炮孔布置(孔眼参数)、数量、深度、角度，装药量与装药结构，起爆方法与起爆顺序。其中孔眼参数与装药量、装药结构需要在钻爆施工过程中不断修正和优化。

(3)循环进尺与步距规定。循环进尺需要根据围岩级别、断面尺寸、设备配置条件确定，采用全断面开挖，Ⅰ、Ⅱ级围岩进尺不得大于3.5 m，Ⅲ级围岩不得大于2.5 m;仰拱开挖一次开挖长度，Ⅱ级围岩规定为12 m，Ⅲ围岩为6 m;仰拱作业面距开挖掌子面距离规定，采用全断面开挖的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩不大于90 m;距开挖掌子面最近的衬砌端头距离，在无不良地质情况下，Ⅱ、Ⅲ级围岩均不得大于200 m。

2.1.3 全断面开挖施工的设备配置及进度指标

近年来，由于通风设备性能的改进促进了通风技术的进步，长大隧道施工不再采用无轨运输通风方式，只要围岩条件许可或通过有效支护后能够采用全断面开挖的均采用全断面开挖，为大型设备进洞施工创造条件。随着工程机械技术的不断进步，隧道施工的各个工序均能实现机械化或半机械化作业，特别是全断面开挖施工方法，各个工序已能实现完全机械化作业，其主要设备及效能简介如下。

凿岩钻孔台车:主要用于打炮孔、超前预报探孔、锚杆孔。现场最常用的以进口设备为主，主要型号有阿特拉斯、汤姆洛克两大系列，隧道施工采用阿特拉斯钻孔台车居多，其性能稳定，钻孔效率高，最高速度能达到20～30 m/h。但进口台车价格昂贵，维修费用高，特别在渗漏水较大的隧道，控制电脑出现故障的频率较高，一旦出现故障必然影响到几天的进度，加之目前国内劳动力廉价，许多项目任然以采用手持风动钻机钻孔YT系列的居多。而在安全风险较高的隧道，一般采用凿岩电脑台车施工。

锚杆台车:锚杆台车具有钻孔、安装锚杆、灌浆功能，属于一体机。进口设备还是以阿特拉斯、汤姆洛克系列为主，一般在长大隧道或地质复杂的高风险隧道配置。

混凝土喷射手:长大隧道或地质复杂的高风险隧道，为确保施工进度，均需要配置混凝土喷射手。目前国内常用的混凝土喷射手为麦斯特系列，生产能力可达到25 m2/h。

挖、装、运设备:挖掘机主要用于爆破后找顶、刷帮、挖齐头(清除掌子面危石)，装载机采用正装侧卸式，双线隧道在洞内一般配两台同时作业，出碴运输设备采用大型自卸车，常采用斯太尔或红岩系列，载重25 t以上。

采用全部断面开挖，工序简单，设备配套、爆破技术可行，则月进度在180～240 m。

2.2 台阶法

2.2.1 台阶法开挖的适用条件

(1)台阶法定义。台阶法开挖是将隧道设计断面分成两次或三次开挖，上台阶超前一定距离，超前长度大于50 m或5倍洞径以上叫长台阶开挖;上下台阶并进，台阶长度仅3～5 m，临时支护或衬砌快速闭合，叫微台阶开挖。

(2)台阶法的适用条件。台阶开挖法是隧道施工中采用最广泛的方法。Ⅱ、Ⅲ级围岩适用二台阶法开挖，也可采用全断面开挖，究竟采用哪种开挖方法，不仅仅取决于围岩的级别，还需要考虑开挖断面的大小是否与施工设备匹配，围岩的稳定情况，施工进度要求与施工习惯等因素。断面过大对施工设备要求较高，一次起爆用药量也很大，对围岩的扰动较大，围岩稳定时间短，这种情况一般不采用全断面而采用二台阶开挖。

Ⅳ、Ⅴ级围岩在采用型钢拱架和锚、网喷等有效支护后采用三台阶或微台阶开挖。微台阶开挖法也用在变大跨为小跨的大断面隧道分部开挖施工中。

三台阶和微台阶开挖方法由于受作业空间限制，工序相互干扰大，进度慢，且不适合用大型设备施工，很少有项目采用。

三台阶预留核心土开挖法和三台阶七步开挖法均适合Ⅴ级围岩的土层、沙砾石地层隧道开挖，以人工开挖为主。

2.2.2 台阶法技术要点

(1)台阶长度:台阶长度及步距，确定台阶长度需要考虑围岩地质条件，支护封闭时间，大型设备施工所需空间，相关技术文件及技术指南特别要求。Ⅱ、Ⅲ级围岩隧道以采用长台阶开挖为多，台阶长度多在50 m以上，这样前后工序有足够的空间，不会造成工序干扰。Ⅳ级围岩由于自稳时间短，要求支护快速封闭，常采用短台阶施工，台阶长度在2～5倍洞径，Ⅳ、Ⅴ级围岩也可采用微台阶开挖，台阶长度3～5 m。

(2)支护要求:Ⅳ、Ⅴ级围岩一般都设有型钢或钢筋格栅拱架，拱架分单元段加工，现场螺栓连接安装，上下台阶的拱架安装时必须要求足够的净空，确保上下拱架段安装精度。严禁街头错位而采用钢筋搭接，严禁减少每榀拱架之间的纵连钢筋和拱架锁脚锚杆。喷射混凝土必须将拱架全覆盖。

(3)爆破技术要求:对采用台阶法施工的硬岩隧道，需要进行爆破作业。为了尽可能地减少爆破对已完成的上台阶支护体系的影响，下台阶必须采用控制爆破。

(4)三台阶预留核心土开挖法和三台阶七步开挖的技术要点:超前小导管支护，环形开挖，预留核心土防掌子面失稳。预留核心土的长度控制在4 m左右，中台阶或下台阶左右开挖时，应错开2～3 m，落底后应立即组织仰拱施工，临时支护及时封闭。

2.2.3 台阶法开挖施工的设备配置及进度指标

(1)二台阶法开挖施工其台阶高度能满足大型机械设备作业要求，设备配置与全断面开挖相同，施工进度在100～150 m。

(2)在采用三台阶法或微台阶施工时，由于第一台阶高度受限，第一台阶钻孔、装碴、喷混凝土无法采用大型设备全部完成，需要配置小型设备同时人工配合作业，这样就难以发挥大型设备的优势。因此采用三台阶开挖方法施工，可以配置大型设备，但同时需要小型设备与之配合，小型设备主要是上台阶的钻爆设备、出碴设备、喷混凝土设备。微台阶开挖除钻爆设备外，可配置与全断面开挖相同的设备。三台阶或微台阶开挖月施工进度指标在60～80 m。

(3)三台阶预留核心土法或三台阶七步开挖法，除开挖和翻碴采用小型设备加人工辅助施工外，装运、喷、锚均可采用与全断面相同的大型设，月进度在60 m左右。

2.3 中隔壁法(CD法)

2.3.1 中隔壁法的定义

中隔壁法即为分部台阶法，将隧道开挖面分为左右两部分，先在隧道一侧自上而下分层开挖，完成初期支护，当喷射混凝土达到设计强度的70%后，按同样的方法开挖另一侧。中隔壁法的核心就是在开挖另一侧时保留中间的型钢拱架加网喷混凝土支护，这样即形成中隔壁，同侧采用台阶法开挖时视支护内力及变形情况增设仰拱，因此支护不一定闭合。

2.3.2 中隔壁法的适用条件

中隔壁法适用于部分Ⅳ级围岩和全部Ⅴ围岩，大型填充型断层段，残、坡积层隧道洞口段，浅埋大跨隧道，地表建筑复杂、沉降要求极高隧道。呈块状但裂隙填充物少的硬质Ⅳ级围岩，不适合采用中隔壁法，这类围岩一般采用弱爆破效果差，采用常规爆破则破坏临时支护，中隔壁无法失去作用，反而形成施工安全隐患。

2.3.3 中隔壁法的技术要点

(1)爆破技术要点:采用CD法施工的Ⅳ级围岩，确需要爆破开挖的，必须遵循“弱爆破、短进尺”原则，对一次起爆药量进行严格控制。

(2)支护技术要点:①先行侧的中隔壁钢支撑应加工成外鼓弧形，弧度的大小随净空高度而定，不宜过大。单元长度的划分应方便人工安装，不宜太重，连接形式一般都考虑栓接，必须在胎架上加工单元并组装试拼连接件，连接板栓孔不得用氧乙炔枪随意切割，防止栓、孔间隙过大导致节点刚度减小。安装间距必须符合设计要求，拱脚不的悬空，纵连钢筋和锁脚锚杆严禁偷工减料，喷射混凝土必须覆盖型钢拱架。②超前小导管必须按设计布置，严禁不按设计要求注浆。注浆施工必须有工程技术人员现场值班，做好注浆记录，发现进浆量、压力出现异常需要及时分析原因，必须安装反流止浆塞。③台阶开挖过程中，若发现支护内力较大，洞周变形速率快，可增加临时钢支撑。

(3)监测技术要点:①必须编制监测专项方案。监测内容包括支护内力，特别是在第二部分开挖过程中的中隔壁的内力变化情况，拱顶沉降及地面沉降，洞室收敛。必须有明确的预警值，设计没有给定预警值时，可根据施工规范及技术指南设置。②必须设置专业的监测队伍。③必须按施工规范和或技术指南规定的监测频率开展工作，及时分析数据，反馈信息。

(4)变形控制技术要点:①各部是采用二台阶还是三台阶开挖应根据地质条件，所用的机械设备，断面的大小确定，台阶步距控制在3～5 m。②不论采用爆破辅助开挖还是采用人工或机械开挖，循环进尺不得大于1.5 m钢拱架间距。③左右两侧掘进距离控制在15～20 m。滞后部分开挖落底后必须尽快安装仰拱型钢拱架，在最短时间内将临时支护封闭。④中隔壁的拆除长度必须通过模拟分析在监测数据指导下进行，同时要考虑防水板铺装、钢筋安装、衬砌三道工序能平行作业，若分析结果不能满足三道工序平行作业要求，则只能将其中两道工序断续作业。

2.3.4 中隔壁法开挖施工的设备配置及进度指标

采用中隔壁方法开挖施工，由于作业空间有限，无法采用大型机械设备，常采用小型设备加人工辅助施工。需要爆破作业的钻孔采用YT28风钻，不需要爆破的采用风镐开挖，也可采用DS系列小型挖掘机开挖。出碴采用人力推车或小型翻斗车。喷混凝土一般采用TK系列湿喷机。采用中隔壁法开挖施工月进度指标在60 m左右。

2.4 交叉中隔壁法(CRD法)

2.4.1 交叉中隔壁法的定义

交叉中隔壁法与中隔壁法相似，是在中隔壁法的基础上改进发展的开挖工法，其核心技术是将隧道左右分部、上下分层循序开挖。上部按台阶法左右循序掘进，再交叉先左后右开挖下台阶，每开挖一部既单独将支护闭合成环，即左右交换，步步成环开挖技术，这也是交叉中隔壁法(CRD法)与中隔壁法(CD法)的本质区别。

2.4.2 交叉中隔壁法的适用条件

交叉中隔壁法适用于浅埋、大跨、软弱围岩隧道，对控制变形和地面沉降要求很高的城市地铁暗挖隧道具有较强优势［2］，适合围岩级别为部分Ⅳ级、Ⅴ级。

2.4.3 交叉中隔壁法的技术要点

(1)分部分层原则:应根据围岩条件、特性、断面大小划分，既要考虑围岩变形时空效应，又要考虑支护受力要均匀，同时能充分发挥人、机效率，最常见的是左右分两部，上下分三层。

(2)支护技术要点:①先行开挖的临时钢支撑都必须加工成具有一定弧度的钢支撑单元，其加工与安装技术要点与中隔壁法相同;②要根据围岩变形时空效应控制各部开挖速度，尽快施作仰拱，及时封闭成环;③及时对掌子面进行喷射混凝土封闭，防止掌子面失稳;④其它支护技术要点与中隔壁法相同。

(3)监测技术要点:中隔壁临时型钢支撑承受较大压力，特别是滞后部分开挖后压力变化明显;拱肩承受较大的拉力。对临时支护内力的监测是交叉监测技术要点与中隔壁法相同。

(4)变形控制技术要点:①支护封闭成环时间的早晚，对洞周变形有明显影响，封闭越晚变形越大;②合理确定循环进尺和施工步距，开挖循环进尺过大，会导致地表沉降和支护内力出现瞬时峰值。台阶过长会出现变形累计，台阶过短对掌子面稳定不利。台阶的长短与隧道围岩岩土特性有关，同时根据监控量测数据适时调整。从一些工程时间来看，同层间循环步距一般控制在3～5 m，左右两侧步距一般控制在10～15 m;③初期支护背后松动层应及时进行回填注浆。虽然采用CRD法施工的隧道在开挖之前都进行来了超前预注浆，但在开挖和支护施工过程中，围岩受到了一定程度的扰动，导致围岩与支护不能联合受力，因此应及时进行低压回填注浆。注浆时间滞后支护作业1个循环;④严格控制首部开挖引起的拱顶沉降。对有关工程项目的监测数据统计发现，首部开挖引起的拱顶下沉站到施工过程中拱顶下沉总量的30%～40%。因此对要控制施工过程中的总下沉量，控制首部拱顶下沉量是关键步骤;⑤型钢支撑必须具有足够的刚度，特别是单元节点刚度必须按等强度设计，其次必须要保证型钢支撑的安装质量，安装轴线顺畅，不得减少节点螺栓、锁脚锚杆、型钢支撑间连接钢筋、临时垫板;⑥渗漏水必须及时抽排疏干，局部不得积水;⑦在二衬施工前严禁随意拆除中隔壁和临时仰拱，施工二衬时拆除中隔壁和临时仰拱的长度必须通过数值分析后结合监控量测信息确定，必要时应适当减小一次衬砌模注长度。

2.4.4 交叉中隔壁法开挖施工的设备配置与进度指标

交叉中隔壁法开挖施工设备与中隔壁法配置基本相同，月进度指标在40～60 m。

2.5 双侧壁导坑法

2.5.1 双侧壁导坑法的定义与适用条件

双侧壁导坑开挖法是先开挖隧道两侧导坑，及时完成支护后再视围岩岩土特性、断面大小按二或三台阶开挖剩余部分的施工方法，其核心技术任然是变大跨为小跨的分部正台阶施工方法。双侧壁导坑开挖法主要适用于浅埋大跨Ⅴ、Ⅵ级围岩的开挖，在开挖两侧导坑时，若有必要还可施作边墙二衬，这样可以节约部分临时支护措施。

2.5.2 双侧壁导坑法的技术要点

(1)导坑断面特性与大小:导坑形状应近似椭圆形，宽度为隧道开挖断面宽度1/3，高度为宽度的2倍左右。

(2)开挖与支护技术要点:两侧壁导坑可独立同步采用短台阶开挖，中部应滞后侧壁10～15 m采用正台阶开挖，各部在开挖循环过程中必须及时施作支护，尽早将支护封闭成环。拱部型钢支撑与侧壁型钢支撑的连接是施工难点，同时也是受力关键部位，因此在侧壁导坑钢支撑施工时两侧必须准确定位，确保全断面钢支撑能在同一垂直面内，降低拱部钢支撑的安装难度，避免钢支撑发生扭曲。支护的其它技术要点与交叉中隔壁法相同。

(3)变形控制技术要点:双侧壁导坑开挖变形控制技术要点主要还是支护施工质量控制和开挖步距控制。支护施工质量控制与交叉中隔壁开挖方法相同，开挖步距也是影响变形的重要因素。导坑和中部开挖台阶一般控制在3～5 m，掌子面未经加固稳定时间较短时，台阶长度可取大值。侧壁导坑超前中部开挖步距一般控制在10～15 m，步距过大，型钢支撑迟迟不能封闭，导致变形累积，过小会影响工序正常施工。中部开挖落底后及时施工临时支护，二衬滞后中部不得大于30 m，并视监测数据情况及时调整。

2.5.3 双侧壁导坑法的技术要点

双侧壁导坑法开挖施工设备与中隔壁法配置基本相同，月进度指标在40～60 m。

2.6 中洞法

2.6.1 中洞法适用条件

中洞法主要适用于连拱隧道开挖，在浅埋大断面软弱围岩隧道也可采用中洞法开挖，但与CRD法相比较，其支护受力不明确，工序更复杂，除连拱隧道外很少有工程采用。

2.6.2 中洞法技术要点

(1)导洞位置与断面尺寸要点:中导洞的位置位于连拱隧道中墙位置，断面形式为马蹄形，高度应比中墙高1～1.5 m，导洞中线两侧宽度比中墙断面宽2 m，若考虑开挖与中墙混凝土施工同步平行作业，可适当加宽。

(2)中洞两侧剩余部分视情况采用台阶法或侧壁导坑法开挖，其技术控制要点与前述方法相同。

3 结束语

近年来，隧道施工出现了较多的责任事故，究其事故的原因，诚然有许多管理方面的不足，但因施工方法选择不当导致的事故也时有发生，为此对施工方法的选择及技术控制要点有必要进行梳理和总结。由于隧道工程地质复杂，加上设计阶段的地质勘探工作不够细致，设计者根据地质资料依瓢画壶，会导致施工图设计给定的地质情况与实际情况有较大出入，当围岩级别已发生较大变化而施工方法没有适时调整，势必导致事故发生。因此隧道施工不仅仅只针对施工图提供的各洞段围岩条件制定与之相适应的施工方法，而且应将超前地质预报，地质复核工作纳入施工工序［3］，提前做好施工方法的转换和工序衔接。

［1］叶英.隧道施工超前地质预报［M］.人民交通出版社，2011

［2］王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论［M］.合肥:安徽教育出版社，2004

［3］TB 10304－2009铁路隧道工程施工安全技术规程［S］