地下建筑工程施工

隧道施工、爆破方法、开挖方法

地下建筑工程

概述：

一．地下建筑工程的分类

按是否过水：过水地下建筑物如引水隧洞、导流隧洞、泄洪隧洞等；

不过水地下建筑如交通隧洞、地下发电厂房等。

二．地下建筑物施工的特点

1．地下建筑物施工不受气象条件影响；

2．对地面的工作和活动很少干扰；

3．对环境保护有利

4．地下建筑物施工中气温一般温和而稳定，抗外界的噪音或震动的能力强；

5．隐蔽性、防护性强；

6．场地狭小，施工工序多，组织不好则彼此干扰大；

7．地质和水文地质条件复杂，围岩安全稳定性要求严格；

8．地下通风、采光、除尘等施工条件差。

第一节 地下建筑工程施工程序

一．平洞施工工作面

一般来说平洞开挖至少有进出口两个工作面。如工期紧迫，可考虑开挖施工支洞或竖井等增加工作面。工作面数目可按下式估算。

L

NV lmax

v T

[T]——平洞施工的限定工期，月；

L——平洞全长；m

N——工作面数；

V——平洞施工综合进度指标，m/月；

lmax——施工支洞（或竖井）的最大长度（或高度），m

v——施工支洞（或竖井）的综合进度指标，m/月。

二．平洞施工的程序

开挖和衬砌是平洞施工的两个主要施工过程。在同一横断面上，应该遵循先开挖后衬砌的顺序。

一般来说，平洞施工程序的选择主要取决于①地质条件的好坏；②断面尺寸大小；③平洞轴线长短；④设备能力⑤其他

1．全断面开挖 如图

全断面开挖是将平洞整个断面一次开挖成洞。全断面控制高度为8～10m，由多钻臂液压凿岩机和全断面隧洞掘进机的工作高度(直径)决定。

适用条件：围岩坚固稳定，f 8~10；有大型开挖衬砌设备，设备能力与断面大小相适应；平洞轴线不过长。 优点：洞内工作面较大；施工组织比较容易安排；有利于提高施工速度。

2．断面分部开挖 如图

分部开挖法是指将全部工作面分为几部分，在时间、空间上分别开挖，最后完成整个断面的进尺开挖。

适用条件：岩质较差、洞径过大的平洞开挖，隧洞高度大于8m、断面积大于130m2较常用。

施工过程：①正台阶法（自上而下）通常顶部第一层最小高度不小于3m，超前掘进的距离2.0～3.5m。可用台阶钻上

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部炮孔无须搭设脚手架。

②反台阶法（自下而上）工作面较宽敞，排水条件好，施工布置较方便，可利用爆破料堆钻上部台阶钻孔，无须搭设或少搭设作业平台，应注意的主要问题是防止上部台阶崩落的石渣堵塞下部已掘进的坑道。适用于岩质较坚硬，完整的地层中开挖隧洞，松软破碎的岩层不用或慎用。

3．导洞扩大法

导洞扩大法是在隧洞断面中先开挖一个导洞，然后再在导洞的基础上扩大至全断面的爆破开挖方法。导洞断面较小，一般10m左右，灵活性比断面分部开挖好，它具有分部开挖的特点外，还可通过导洞的开挖，进一步探明地质情况，利用导洞解决排水问题，导洞挖通后，还可改善洞内通风条件。

导洞法的分类：按导洞和扩大部分的开挖次序，分为专进法和并进法。

①专进法：导洞贯通后再扩大。

②并进法：导洞掘进一定距离，一般为10～15m，进行扩大部分的开挖。

按照导洞位置不同，有上导洞、下导洞、中导洞、双侧导洞、上下导洞。

①上导洞开挖：又称拱顶掘进，如紧水滩水电站右岸导流隧洞的开挖，程序如图，导洞断面尺寸4×2.4m。适用于地质条件不好、但地下水不严重、机械化程度不高的情况。

优点是：先开挖顶部，安全处理较容易解决，顶部开挖规格易于控制，下部扩大施工方便

缺点是：上部出渣、施工排水不便。

②下导洞开挖：又称拱下掘进，程序如图，适用于地质条件好、洞线较长、断面不大、机械化程度不高的场合。 优点是：洞内施工设施可以一次铺设，出渣道路不必翻修，排水方面

缺点是：顶部扩大时，施工困难，自重爆落，岩石块度不易控制。

③中导洞开挖：程序如图，适用于岩石坚硬，不需临时支撑，洞径大于5m，且具有柱架式钻机的场合。

优点是：利用柱架式钻机，可以一次钻完四周辐射孔眼，扩大钻孔可以和出渣平行作业。

缺点是：导洞和扩大并进时，导洞部分出渣不很方面。

④双导洞：双导洞开挖有双侧导洞和上下导洞。前者适用于岩层松软破碎，地下水较严重，断面较大，需要边开挖边衬砌的情况。后者适用于断面很大，缺少大型开挖设备，地下水严重的情况，其上导洞用来扩大，下导洞用来出渣和排水，上下导洞用斜洞或直井连通。各程序如图。 2

三．大断面洞室的施工程序

贵州省东风水电站的地下厂房断面积达1100m多，跨度达21.6m。大断面洞室开挖原则一般考虑变高洞为低洞，变大跨度为小跨度的原则，采取先拱部后底部，先外缘后核心，由上而下，上下结合，留岩墙岩柱，跳格开挖，跳格衬砌支护等方式施工。其施工方法有下列：

1．先拱后墙分层施工：程序如图，适用于围岩稳定性比较好和有条件采用大型机械的情况。施工时先开挖顶拱，挖好

拱座，待顶拱支护后，再开挖中下部，衬砌边墙和底板。

2．先墙后拱预留核心岩柱：程序如图适用于围岩稳定性比较差情况。施工时先利用导洞开挖两侧边墙，依靠中部岩柱

支撑顶拱；衬砌完边墙后开挖、衬砌顶拱，中部岩体最后挖除。

3．肋拱肋墙法施工：程序如图，适用于围岩稳定性差，以上两种方法都不能解决施工过程中的围岩稳定。施工时先开

挖上下侧壁导洞，沿导洞跳仓开挖并衬砌顶拱称肋墙；然后利用上部侧壁导洞，跳格开挖并衬砌顶拱，称为肋拱；最后再开挖除肋拱肋墙间岩体。 2

四．竖井和斜井的施工程序

斜井指倾角6°～48°的斜洞。

1．竖井

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一般水工建筑物的竖井均有水平通道相连，先开挖这些通道，为竖井施工创造条件。竖井施工有自上而下全断面和导井法。

①全断面法：适用于采用普通钻爆法开挖和断面较大的场合，施工程序较简单，如图

②导井法：导井法施工是在竖井中部先开挖导井，断面一般为4～5m2，然后扩大开挖。扩大开挖的石渣经导井落入井底，由井底水平通道运出洞外。开挖分为导井开挖和扩大开挖。

导井开挖可自上而下和自下而上开挖，前者，常采用普通钻爆法和大钻机钻设如图，后者常用吊罐法见图。

扩大开挖可以自上而下逐层下挖，也可自下而上采用留渣作业。前者，自竖井周边至导井口，应留有坡度，以便出渣，但要控制渣面高于导井井口，见图。后者多用于围岩稳定性较好的小断面竖井，见图。

第二节 钻孔爆破法开挖

一．钻孔爆破设计

钻爆设计主要任务是：1.确定开挖断面的炮孔布置（深度、位置、方向）。2.确定炮孔装药量、装要结构及堵孔方式。

3.确定炮孔起爆方法和起爆顺序。

1．炮孔类型及布置

开挖断面上的炮孔按作用可分成：掏槽孔、崩落孔、周边孔。

①掏槽孔主要作用是增加爆破的临空面，一般布置在开挖断面的中部，常见的布置有楔形掏槽、锥形掏槽、垂直掏槽等，见下表。

掏槽孔布置：比其他孔略深15～20cm，装药量应比崩落孔多20％左右。还可在掏槽孔中心布置2～4个直径75～100mm不装药的空心孔，深度同正规的掏槽孔。

②崩落孔的主要作用是爆落岩体，大致均匀地分布在掏槽孔外围。通常与开挖断面垂直，孔底应落在同一平面上。 ③周边孔主要作用是控制开挖轮廓，布置在开挖断面的四周。

二．单位耗药量与装药量

1．每排炮进尺装填炸药量计算

Q=qLSμ

q为单位耗药量kg/m

L为实际钻孔深度，m

S为开挖断面面积，m2

μ为炮孔利用率。指爆破后实际深度与实际钻孔深度比

2．炮孔装药量

掏槽孔炸药量：qcut=(1.15～1.25)Q/N

qcut为掏槽孔平均每孔装药量，Kg/孔

Q为每排炮孔进尺的炸药量

N为开挖断面上总钻孔数

周边孔炸药量：qp=(0.5～0.9)aWLpq

qp为周边孔平均每孔装药量，Kg/孔

a为周边孔孔距，m

W为周边孔最小抵抗线，m

Lp为周边孔的孔深，m

q为单位耗药量，kg/m3 3

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崩落孔装药量：qn Q qcutNcut qpNN Ncut Npp qfNff N

qn为崩落孔炸药用量，kg/孔

Ncut为掏槽孔数，

Np为周边孔数

Nf为底板孔数

qf为底板孔装药量，kg/孔qf 1.1~1.2

第三节 衬砌施工

一．平洞衬砌的顺序和分缝分块

1．平洞衬砌的顺序

纵向常分段进行浇筑，分段长度一般范围为4～18m，视平洞断面大小、围岩约束特性和施工浇筑能力而定。分段浇筑顺序有：①跳仓浇筑②分段流水浇筑③分段留空档浇筑。见图

横断面的分缝位置在结构转折点设施工缝或内力较小部位设施工缝，见图。

横断面分块一般分为底拱、边拱和顶拱，浇筑顺序正常情况是先顶拱，后边拱和顶拱，其中边拱和顶拱也可连续浇筑。地质条件较差时，顺序可先浇筑顶拱，后边拱和底拱。有时也有先浇好边拱和合顶拱，最后浇底拱。

第四节 喷锚支护

喷锚支护是喷混凝土支护、锚杆支护、喷混凝土锚杆支护、喷混凝土锚杆钢筋网支护和喷混凝土锚杆钢拱架支护等支护型式的统称。适用于不同地层、不同断面大小、不同用途的地下洞室。

喷锚支护是可在洞室开挖后，紧随开挖面适时喷上一层混凝土（3～5cm），必要时加设锚杆以稳定岩体，作临时支撑，以后再加喷混凝土至设计厚度。喷锚支护可用作临时支护也可用作永久性支护结构。

一．喷锚支护原理

喷锚支护的原理是把岩体视为粘性、弹性、塑性等物理性质的连续介质，同时利用岩体中开挖洞室后产生变形的时间效应的动态特性，适时支护，支护结构与围岩紧密粘结成整体，以期能对围岩变形起抑制作用，又可与围岩同步受力变形来加固和保护岩体，发挥围岩的自乘能力，增加围岩地稳定性。

1．基本概念：适时支护就是指支护的时机合适。过早了，支护结构要承担围岩向洞室临空面变形而产生的变形压力，不经济；过迟了，围岩因过度松弛而使其强度大幅下降，甚至导致洞室破坏，不安全。

2．喷锚支护与现浇混凝土衬砌地区别：理论上现浇混凝土衬砌认为洞室的衬砌完全承担洞壁松塌岩体。且认为围岩地

松塌是不可避免。经济上现浇混凝土衬砌刚性较大、混凝土厚，经济效果劣于喷锚支护。施工上，现浇混凝土衬砌工程量大，施工速度较喷锚支护慢。

二．锚杆支护

锚杆布置和锚杆参数选择可根据围岩特性和洞室跨度，通过试验确定。

锚杆的布置有局部锚杆和系统锚杆。

1．局部锚杆：主要用来加固围岩，防止掉块。锚杆参数按悬吊理论计算，认为不稳定岩体的重量应全部由锚杆承担。即：nQN d

42Rg Vg

n——锚杆根数；

d——锚杆的计算直径，cm

Rg——锚杆的设计抗拉强度，N/cm2；

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γ——危岩容重kg/m；

V——危岩的体积，m3

g ——重力加速度m/s2

锚杆总长L：L=L1+L2+L3

L1为锚杆锚入稳定岩体的深度L1≥dRg

4 3 τ为砂浆与锚杆的粘结强度N/cm 2

L2为锚杆穿过危岩的长度。L3为锚杆外露长，一般取5～15cm。

三．喷混凝土施工

喷混凝土是将水泥、砂、石等集料，按一定配合比拌和后，装入喷射机中，用压缩空气将混合料压送喷头处，与水混合后高速喷到作业面上，快速凝固成薄层支护结构。

1．喷混凝土的作用：喷混凝土与围岩表面有一定的粘结力；

能充填围岩的缝隙，提高围岩的自身强度；

能封闭围岩防止分化，缓和应力集中。

2．喷混凝土的施工：干喷、湿喷

干喷时将水泥、砂、石和速凝剂加微量水干拌后用压缩空气输送到喷嘴处，再与适量水混合，喷射到岩石表面。便于调节加水量，控制水灰比，但喷射时粉尘较大。

湿喷时将集料和水拌均以后送到喷嘴处，再添加液体速凝剂，并用压缩空气补给能量进行喷射。改善了干喷法粉尘较大的缺点。

3．喷混凝土有关的施工参数

①风压：指正常作业喷射机工作室内的风压。其估算公式如下：P1=0.01L P2=1+0.013L

P1为加料前空载压力10Pa

P2为加料后工作压力105Pa

L为输料管水平长度，m

②水压：喷头处的水压必须大于该处风压（1.0～1.5）×10Pa

③喷射距离和喷射方向：喷射距离1.0m左右对于提高喷射质量、减少集料回弹都比较理想。喷角90°±10° ④喷射区段和喷射顺序：喷射作业分区进行，区段长度一般4～6m。喷射通常先墙后拱，自下而上，先凹后凸。 ⑤喷射分层和间歇时间：当混凝土设计厚度大于10cm，一般应分层进行。一次喷射厚度，边墙控制6～10cm，顶拱

3～6cm，局部超挖处可稍厚2～3cm，掺速凝剂可厚些。

分层喷射后，后一层应在前一层终凝后进行，但间隔时间不超过1～2h。

⑥养护：喷完后2～4h开始洒水养护，养护时间不少于14d。

4．喷混凝土地材料

①水泥：普通硅酸盐水泥，标号不低于425号，早强增长快，干硬收缩小，保水性能好。

②砂子：坚硬洁净的中、粗砂，平均粒径0.35～0.5cm。含水率4％～6％为宜。

③石料：石料粒径为5～20mm，其中大于15mm的粒径宜控制在20％以下，以减少回弹，保证输料管路的畅通。 ④水：与一般混凝土对水的要求相同

⑤速凝剂：初凝时间不大于5min，终凝时间不大于10min

⑥其他：水泥与砂石的比重为1：4～1：4.5；砂率45％～55％；水灰比0.4～0.5；掺速凝剂量2％～4％ 55

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