地下洞室开挖施工工艺及技术要求探析

摘要：近年来，随着社会经济的高速发展，土地资源越来越少，人们逐渐认识到地下空间的开发越来越重要。本文着重分析地下洞室开挖施工工艺及技术要求。

关键词：地下洞室；开挖；工艺；技术

中图分类号：C35文献标识码： A

一、开挖工艺措施

1、开挖工艺流程

洞挖工艺流程如下：开挖准备测量放线钻孔装药爆破通风散烟、洒水除尘安全处理出渣、清底必要支护延伸风水电线路锚喷支护跟进施工转入下一循环。

当Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段开挖时，需先进行超前支护，再进行钻爆施工。

2、主要工艺作业措施

（1）开挖准备：洞内风、水、电就绪，施工人员、机具准备就位。（2）测量放线：洞内基本导线施测及施工放样均采用全站仪进行。测量作业由专业人员实施，每个循环钻孔前进行洞室中心线、设计规格线测放，并定期进行洞轴线的全面检查、复测，确保测量控制工序质量。同时，随洞室开挖、支护进度，每隔20m在两侧洞壁及洞顶设一桩号标志。洞内测量控制点埋设牢固，作好保护，防止机械设备破坏。（3）钻孔作业：由熟练的钻工严格按照测量定出的开挖轮廓线和测量布孔进行钻孔作业。各钻工分部位定人定位施钻，实行严格的钻工作业质量经济责任制；每排炮由值班工程师按“平、直、齐”的要求进行检查，做到炮孔的孔底落在爆破规定的同一个断面上；为了减少超挖，周边孔的外偏角控制在设备所能达到的最小角度。光爆孔、预裂孔及掏槽孔的偏差不得大于5cm，其它炮孔孔位偏差不得大于10cm；采用光面爆破是控制隧洞开挖成型的重要手段，光爆的好坏将直接决定开挖质量的优劣，因此合理选用优良的钻孔设备、挑选熟练的钻工、严格控制钻孔精度是保证开挖质量的前提。（4）装药、联线、起爆：开挖周边孔采用光面爆破，药卷直径Ф25mm，选用间隔装药；洞掏槽孔采用柱状连续装药；其它爆破崩落孔采用连续装药；装药前清孔，炮孔经检查合格后，方可进行装药爆破；炮孔的装药、堵塞和引爆线路的联结，由考核合格的炮工严格按批准的钻爆设计进行施作，装药严格遵守爆破安全操作规程；掏槽孔由熟练的炮工负责装药，光爆孔、光爆孔用小药卷捆绑于竹片上间隔装药。高处利用台车安全平台作为登高设备装药，掏槽孔、扩槽孔和其它爆破孔装药要密实，堵塞良好，严格按照爆破设计图（爆破参数实施过程不断调整优化） 进行装药，用非电雷管联结起爆网络，最后由有丰富经验的炮工和值班工程师复核检查，确认无误，撤离人员和设备才能引爆。（5）通风散烟及除尘：开挖施工过程中一直启动通风设备通风，保证在放炮后30min内将有害气体浓度降到允许范围内。爆破结束后，启动喷雾装置降尘消烟，并且配置监测气体浓度的仪器仪表以及报警信号系统。

（6）安全处理：爆破后，用反铲（或人工）清除掌子面及边顶拱上残留的危石及碎块，保证进入人员及设备的安全。岩面破碎洞段在进行安全处理、平渣后，可及时先进行钢支撑、锚杆、喷混凝土等支护，再进行出渣，出渣后进行系统支护；在施工过程中，经常检查和监测已开挖洞段的围岩稳定情况，清撬可能塌落的松动岩块，并可及时发现危情进行相应处理。（7）出渣及清底：根据不同作业面，出渣采用不同的装运设备，出渣后再次进行安全检查及处理或支护施工，并用反铲扒除工作面积渣，为下一循环钻爆作业做好准备。（8）支护：按照开挖施工程序和方案，每遍炮开挖结束后需要及时进行支护跟进。对于Ⅲ类围岩洞段，每层根据开挖揭示的实际围岩情况，可进行必要支护后直接开挖，使系统支护紧随工作面施工，也可稍滞后一定距离进行系统支护施工，这样能够加快开挖施工进度；而对于Ⅳ类围岩洞段开挖前先进行超前锚杆施工，若遇Ⅴ类围岩洞段，上层洞开挖前先进行超前小导管预注浆施工，而后再进行Ⅴ类围岩上层洞开挖；每部分开挖后及时安装钢支撑和初喷一层混凝土，再进行锚杆、挂网、喷混凝土等支护，并在上层洞开挖全部完成后及时将钢支撑连接成整体，而后再进行锚杆（最后开挖部分）等支护施工。Ⅱ层开挖结束后将钢支撑及时下延并及时进行锚杆、挂网、喷混凝土等联合支护施工。

二、开挖爆破设计

1、爆破参数设计

根据隧洞洞地质条件及岩性、技术规范要求、开挖方法及以往施工经验，爆破设计按“短进尺、弱爆破、少扰动”的原则进行。按围岩类别和抗震要求严格控制最大一段起爆药量。循环进尺根据不同围岩类别暂定为：洞内Ⅲ类围岩3.0～3.4m，Ⅳ类围岩2.0～2.5m，设计轮廓均采用光面爆破；Ⅴ类围岩1.5～2.0m，炸药选用2#岩石铵梯炸药和乳化炸药，采用非电毫秒雷管起爆。钻爆采用直眼中空掏槽方式，主爆孔孔距拟为80cm、孔径50mm、药卷直径32mm，单位耗药量约为1.2kg/m3；周边光爆孔距拟为70cm、孔径48mm、药卷直径22mm，单位耗药量约为0.6kg/m3，线装药密度300～400g/m。断面开挖钻爆设计见示意图。

2、开挖支护作业循环时间

开挖支护作业循环时间见下表所示。

Ⅲ类围岩开挖作业循环时间表（单位：h）

施工工艺

开挖部位 测量

放线 钻孔 装药

爆破 通风

散烟 安全

处理 出渣 清面 合计

全断面开挖 1 3.0 2.0 1.0 0.5 3.5 1.0 12

注：1、排炮循环进尺2.5～3m，系统锚喷支护与开挖平行作业。

2、根据作业循环时间，并考虑支护影响及时间利用系数等，估计月进尺125m/月。

Ⅳ类围岩开挖作业循环时间表（单位：h）

施工工艺

开挖部位 测量

放线 超前

支护 钻孔 装药

爆破 通风

散烟 安全

处理 出渣 清面 系统支护 合计

上部（Ⅰ）层 0.5 3.0 3.0 1.0 1.0 1.0 2.0 0.5 3.0 15

下部（Ⅱ）层 0.5 \ 2.0 0.5 0.5 1.0 2.0 0.5 4.0 12

注：1、排炮循环进尺1.5～2.0m。

2、根据作业循环时间，并考虑支护影响及时间利用系数等，估计月进尺80m/月。

3、开挖支护作业劳动力组合

每个工作面开挖支护作业劳动力组合见下表所示。

单个工作面开挖支护作业劳动力组合表

工种 技术人员 测量 钻工 电工 炮工 反铲

司机 装载机

司机 汽车

司机 其它 合计

人数 3 3 7 3 5 2 2 15 10 50

三、特殊情况施工

隧道如洞地质条件总体较差，尤其进、出水口Ⅳ类围岩洞段，并且可能会有Ⅴ类围岩地段，而且整条隧洞地下水活动以滴水现象为主，局部渗水。除按照上述施工工艺及方法施工外，还需采取如下处理措施：

1、不良地质地段开挖支护施工

通过Ⅳ、Ⅴ类围岩的地质不良地段时，施工中贯彻“稳扎稳打，步步为营，稳中求快”的指导思想，采取“预锚固、预灌浆、短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤量测”的原则施工，开挖循环进尺不得大于2.0m。支护采用新奥法施工，爆破后迅速进行钢支撑安装、锚喷支护，锚杆采用凿岩台车钻孔，人工安插锚杆；喷混凝土使用喷混凝土车或喷射机采用湿喷工艺施工。对于Ⅳ类围岩洞段开挖前先进行顶拱超前锚杆施工，若遇Ⅴ类围岩洞段，上半洞开挖前先进行顶拱超前小导管预注浆施工。进口段进洞开挖前将进行联合支护（尤其锁口支护）完成后再进行开挖。

2、渗水施工

对于地下水主要采取排、引、堵、截等方式进行处理。开挖后对于渗水部位及时钻设排水孔，将渗水引出，以利进行喷混凝土作业，在系统支护完成后，按设计要求钻设系统排水孔。对渗水点的钻孔在孔口安装埋设导管排水，导水效果不好的含水层设排水盲沟，对淋水处设截水圈排水，再进行喷混凝土作业。顶拱部位的排水设施开挖期沿开挖周边引至侧墙底部，排水设施出露在喷混凝土表面，衬砌混凝土时将所有排水孔直接采用预埋PVC管引出。

3、超前勘探施工

为确保开挖后洞室安全稳定，开挖遇不良地质段时，必须谨慎施工。为查清未开挖岩体的地质情况，及时选定开挖时的断面尺寸和支护措施等，可根据监理、设计和业主单位要求进行勘探孔或勘探洞施工。若采用超前勘探孔时，最小长度宜为15m，最长宜为30m，孔径不小于76mm，超前勘探孔或勘探洞的位置、方向、长度和数量等与监理人共同商定报批后组织施工，施工时详细勘察围岩状况、记录钻进情况并钻取岩芯等，及时搜集整理超前勘探资料并报送监理人，最后按监理人指示要求进行开挖支护施工。

依据围岩监测资料和超前勘探资料等，可随时分析洞室围岩的稳定性，及时进行相应支护施工，对有可能发生塌方的危险情况，能及时采取紧急措施快速支护，尽最大可能避免塌方现象的发生。

4、塌方的预防与处理

（1）塌方前征兆：塌方前的征兆主要表现在几个方面：1）监测设施所反映的围岩变形速度或数值超过允许范围；2）喷混凝土产生纵横向的裂纹或龟裂；3）隧洞顶拱、侧墙发现掉块或支撑间隙不断漏出碎石等；4）支撑变形或折断；5）岩石的层理、节理缝、裂隙等变大或张开；6）隧洞渗水、滴水突然加剧或变浑。（2）预防措施：防止塌方是确保隧洞开挖质量和安全的特等大事，开挖支护施工必须以预防塌方为核心，必须认真高度对待。一定要严格执行设计标准、设计施工规范、设计图纸等，根据地质变化情况因地制宜地确定开挖支护施工方案。开挖前“早预报、早超前”支护，开挖后“早支撑、早锚喷、强支护”，做到“宁早勿迟、宁强勿弱，勤检查、勤监测”，发现围岩变化异常，立即采取有效措施及时处理。（3）塌方处理：开挖过程中，一旦出现冒顶塌方情况，要立即停止施工，疏散施工人员，并上报监理人，分析情况，及时制定处理方案。根据我单位多年洞挖施工经验，塌方处理首先对塌方相邻段加强支护，以控制塌方的发展和蔓延，而后对塌方体采用超前管棚等方法支护、注浆、灌浆，再进行临时锚喷支护，而后进行钢拱架加挂网喷混凝土支护，最后依据设计要求及时进行钢筋混凝土衬砌。施工过程中要不间断的进行监测，发现异常立即停止施工，重新研究支护方案。所有支护方案必须先进行研究、设计，严格按照设计施工。待支护完成确保围岩稳定后，方可继续施工。最后依据设计要求进行钢筋混凝土衬砌后，顶部进行回填灌浆再进行固结灌浆，以确保永久稳定。

四、 洞挖施工质量保证措施

（1）隧洞开挖前，会同监理人进行测量放样成果检查，确保测量导线、点位置准确，并对洞口边坡的安全处理进行检查和验收；（2）开挖施工前，由工程管理部门编制详细的施工组织措施和作业指导书，层层组织技术交底和质量交底，使全体施工人员尤其是关键岗位上的施工人员，明确了解施工组织设计意图和各自工作工艺质量要求；（3）隧洞开挖过程中，会同监理人定期检测隧洞中心线的定线误差，确保开挖贯通误差符合相关规范的规定。洞挖要保护好测量控制点和一切监测设施，防止被爆破、机械等破坏，并定期复核、检查，保证施测或监测精度；（4）洞挖钻爆施工必须进行爆破设计和爆破试验，在取得最佳爆破参数后进行爆破作业。并且施工中要依据地质情况的变化及时改变钻孔和爆破技术，修正爆破参数，以获得良好的开挖面；（5）在开挖面钻孔爆破前，由技术部门提出开挖爆破设计，在钻爆过程中由专职工程师负责控制。严格按照批准的爆破设计布孔、装药、联网、起爆；（6）周边孔开挖钻孔定人、定区域，并设专人检查周边孔的钻孔质量，做好施工记录，保证开挖轮廓线的开挖质量，最大限度地减少超挖；（7）钻孔孔位依据测量定出的中线、腰线及开挖轮廓线确定，钻孔由熟练的技工严格按批准的爆破设计图操作。炮孔的装药、堵塞和引爆线路的联结，由经考核合格的炮工负责，并严格按爆破图的规定进行，炮孔经检查合格后方可装药爆破，以确保钻孔爆破质量；（8）开挖过程中要做好地质素描、断面尺寸、超欠挖等记录。欠挖立即处理，其它记录经过分析研究，将作为指导施工的重要资料；（9）爆破时严格控制单段起爆药量，防止已完喷混凝土面受到爆破震动破坏；（10）施工过程中，由技术部门组织进行振动测试，用弹性波检测爆破前后对围岩的破坏情况，以指导爆破施工，控制装药量；

（11）开挖时，要密切注意围岩的地质条件变化，地下水的渗漏情况等，并根据爆破评价、调整爆破参数、施工工序、支护型式等，以确保开挖施工达到准确、迅速，满足工程质量和安全要求；（12）开挖完毕后，对顶壁开挖面的安全清理质量进行严格检查，会同监理人对开挖断面的规格和开挖质量进行检查、校测和验收，确保洞身开挖质量。

五、 洞挖安全控制措施

（1）爆破材料的运输、储存、销毁、使用，严格按国家、行业、地方的法律法规、规程规范以及业主的有关要求执行；（2）炮孔的装药、堵塞、联网以及点火起爆，必须由经考核合格、持证上岗的爆破员按爆破图、操作规程规定进行施工，其他人杜绝操作施工；（3）洞挖爆破作业执行放炮联系通知单制度。放炮联系通知单经双方签字方为有效。接到通知单的单位，要按放炮时间做好避炮准备工作，防止因爆破震动坠石、飞石或冲击波造成伤害事故。爆破作业时，自爆破器材运进作业现场开始，即通知有关单位施工人员撤离，并在安全地点设警戒员。禁止非爆破人员和施工机械进入作业现场。起爆前必须将剩余的爆破器材撤出现场，退回炸药库；（4）爆破排烟结束后，由爆破员与施工员共同进入爆破现场检查引爆情况，如有瞎炮，必须按规定来处理。然后由清撬人员进行安全清撬，待将活石、浮石、危石等不安全因素排除后方可进行出渣；（5）出渣的施工机械和运输车辆，机械状况必须良好，灯光齐全，嗽叭声音响亮，制动有效，方向灵敏，并听从洞内指挥人员的指挥；（6）洞室开挖过程中遇不良地质条件时，严格按不良地质条件下开挖措施和设计图纸进行，特殊情况要经研究、讨论，确定方案后立即实施，确保安全。

结束语

对地下洞室开挖施工工艺及技术要求进行分析及采取应对措施，保质保量保安全的进行地下空间的建设，免除地下工程建设中的安全隐患和经济损失，对地下空间的开发和建筑经济的发展具有举足轻重的作用。