關(guān)寶樹(shù)

(西南交通大學(xué)， 四川 成都 610031)

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漫談礦山法隧道技術(shù)第九講
——隧道開(kāi)挖和支護(hù)的方法

關(guān)寶樹(shù)

(西南交通大學(xué)， 四川 成都 610031)

強(qiáng)調(diào)對(duì)隧道開(kāi)挖和支護(hù)關(guān)系的基本認(rèn)識(shí)：開(kāi)挖和支護(hù)是隧道施工的2大基本工序，開(kāi)挖的基本原則就是把對(duì)周邊圍巖的松弛降低到最小限度，彈性變形和少許塑性變形是容許的，超過(guò)圍巖極限應(yīng)變變形(過(guò)度變形或松弛)的場(chǎng)合需要依靠各種支護(hù)對(duì)策。開(kāi)挖和支護(hù)有先挖后支和先支后挖2種模式，一般采用前者，當(dāng)開(kāi)挖后隧道圍巖不穩(wěn)定時(shí)，采用后者。隨著施工技術(shù)的進(jìn)步、采用大型施工機(jī)械的要求和大斷面隧道的出現(xiàn)，對(duì)隧道開(kāi)挖方法選擇的觀點(diǎn)有了極大變化：1)在選定開(kāi)挖方法時(shí)，要以大斷面開(kāi)挖為指向，圍巖條件不是唯一的決定因素； 2)盡可能不采用施工中含有需要廢棄的和臨時(shí)性作業(yè)的分部開(kāi)挖法； 3)把機(jī)械開(kāi)挖法與分部開(kāi)挖法相結(jié)合，如TBM導(dǎo)坑超前擴(kuò)挖法，在歐洲和日本等國(guó)已經(jīng)成為大斷面隧道施工的基本方法； 4)在同一座隧道，開(kāi)挖方法頻繁變化，既不經(jīng)濟(jì)也不安全，主張?jiān)谌淼乐?除洞口段外)采用同一種開(kāi)挖方法——全地質(zhì)型開(kāi)挖方法，如全斷面法或臺(tái)階法，當(dāng)圍巖條件劇烈變化時(shí)，采用注漿、超前支護(hù)等應(yīng)對(duì)措施。介紹日本、美國(guó)和歐洲等國(guó)規(guī)范、指南推薦的隧道開(kāi)挖方法概況：1)日本從隧道圍巖級(jí)別、洞口段和洞身段等方面分類，給出隧道相應(yīng)的開(kāi)挖方法，基本以全斷面法和臺(tái)階法為主；在斷面比較大、比較長(zhǎng)的隧道，采用TBM導(dǎo)坑超前擴(kuò)挖法。2)美國(guó)把圍巖分為巖質(zhì)圍巖和土質(zhì)圍巖2大類，其推薦的開(kāi)挖方法基本相同，即全斷面法、臺(tái)階法和中隔壁法，僅采用的支護(hù)方法不同。3)歐洲各國(guó)由于圍巖條件總體比較好，多采用全斷面法和臺(tái)階法。歸納選擇開(kāi)挖方法的基本條件：施工條件、圍巖條件、隧道斷面面積、埋深、工期和環(huán)境條件。

隧道； 支護(hù)； 開(kāi)挖方法； 礦山法； 全斷面法； 分部開(kāi)挖法； 臺(tái)階法； 機(jī)械開(kāi)挖法

0 引言

本講從對(duì)隧道開(kāi)挖和支護(hù)2大作業(yè)間關(guān)系的認(rèn)識(shí)出發(fā)，結(jié)合礦山法隧道開(kāi)挖和支護(hù)方法的演變，說(shuō)明隧道施工的基本原則(目標(biāo))和實(shí)現(xiàn)其原則(目標(biāo))的方法。

1 對(duì)隧道開(kāi)挖和支護(hù)關(guān)系的基本認(rèn)識(shí)

隧道施工的2大基本作業(yè)是開(kāi)挖和支護(hù)。因此，必須對(duì)隧道開(kāi)挖和支護(hù)間的相互關(guān)系有一個(gè)明確的認(rèn)識(shí)。

一般來(lái)說(shuō)，隧道開(kāi)挖的基本原則就是把隧道周邊圍巖的松弛降低到最小限度，周邊圍巖不松弛是理想的狀態(tài)，但實(shí)際上是不可能的；因此，只能要求把松弛控制在最小限度。從目前的隧道開(kāi)挖方法看，盾構(gòu)法是使周邊圍巖松弛最小的方法，開(kāi)挖和支護(hù)基本上是同時(shí)進(jìn)行的。全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)及其他機(jī)械開(kāi)挖方法次之，其圍巖松弛主要是由機(jī)械振動(dòng)造成的。相對(duì)來(lái)說(shuō)，礦山法造成的周邊圍巖的松弛可能是最大的。

隧道開(kāi)挖后，圍巖變形是必然發(fā)生的現(xiàn)象。變形是容許的，但不能過(guò)度變形，過(guò)度變形就是上面所說(shuō)的“松弛”。

一般來(lái)說(shuō)，圍巖作為一種特殊材料，與其他材料一樣，也具有相應(yīng)的變形特性。從變形的角度出發(fā)，彈性變形的發(fā)生是必然的，也是容許的；發(fā)生少許塑性變形也是容許的，但不容許發(fā)生超過(guò)圍巖極限應(yīng)變的變形。發(fā)生超過(guò)圍巖極限應(yīng)變變形的場(chǎng)合，就是所謂的“過(guò)度變形”或“松弛”。而控制過(guò)度變形(松弛)的方法就要依靠各種“支護(hù)”對(duì)策。

在工程實(shí)踐中，隧道開(kāi)挖和支護(hù)的關(guān)系有“先挖后支”和“先支后挖”2種模式：“先挖后支”實(shí)質(zhì)上就是在開(kāi)挖對(duì)圍巖造成的松弛在可以接受的范圍內(nèi)，用支護(hù)控制圍巖變形在容許范圍之內(nèi)的方法；“先支后挖”則是用預(yù)支護(hù)先行補(bǔ)強(qiáng)圍巖，控制可能發(fā)生的過(guò)大變形，而用支護(hù)把開(kāi)挖后的變形控制在容許范圍之內(nèi)的方法。一般條件下，大都采用前者，只在開(kāi)挖后圍巖不穩(wěn)定的場(chǎng)合采用后者。

因此，降低礦山法開(kāi)挖對(duì)周邊圍巖造成的松弛，就成為礦山法開(kāi)挖和支護(hù)最重要的原則(目標(biāo))。

2 礦山法隧道開(kāi)挖方法的演變

2.1 礦山法隧道開(kāi)挖方法的基本類型

決定隧道開(kāi)挖方法的最重要的因素是開(kāi)挖面的穩(wěn)定性，即周邊圍巖開(kāi)挖后的動(dòng)態(tài)。如果開(kāi)挖后圍巖不穩(wěn)定，隧道是難以施工的，開(kāi)挖面周邊圍巖的穩(wěn)定性是選定開(kāi)挖方法的前提。因此，開(kāi)挖后，圍巖能夠自穩(wěn)的場(chǎng)合，多采用全斷面法；而不穩(wěn)定的場(chǎng)合則多采用分部開(kāi)挖法。分部開(kāi)挖法分部斷面的大小及數(shù)目取決于圍巖的動(dòng)態(tài)。因此，出現(xiàn)了許多分部開(kāi)挖的方法，如臺(tái)階法、中隔壁法和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等。也就是說(shuō)，對(duì)應(yīng)的方法基本上有2類：一類是把開(kāi)挖斷面分割為小斷面，確保開(kāi)挖面自穩(wěn)的方法；另一類是補(bǔ)強(qiáng)圍巖確保大斷面開(kāi)挖自穩(wěn)的方法。在沒(méi)有有效補(bǔ)強(qiáng)圍巖方法的時(shí)代多采用分割為小斷面的方法。

2.2 隧道開(kāi)挖方法選擇觀點(diǎn)的變化

目前由于隧道施工技術(shù)的進(jìn)步、圍巖補(bǔ)強(qiáng)方法的開(kāi)發(fā)以及采用大型施工機(jī)械快速施工的要求，特別是高速鐵路以及3車道公路隧道的大量修建，出現(xiàn)了開(kāi)挖斷面面積170～220 m2的大斷面隧道，對(duì)開(kāi)挖方法選擇的觀點(diǎn)也有了極大變化。

1)盡可能地選擇大斷面或全斷面開(kāi)挖的方法，這是當(dāng)前隧道施工技術(shù)發(fā)展的主流。過(guò)去一直認(rèn)為全斷面法是在硬巖圍巖中采用的方法，而不適用于軟弱圍巖以及土砂圍巖；但現(xiàn)在由于圍巖補(bǔ)強(qiáng)方法的開(kāi)發(fā)、大型施工機(jī)械的應(yīng)用以及開(kāi)挖斷面及早閉合的要求，在軟弱圍巖中采用全斷面法的情況越來(lái)越多。為了提高隧道的施工效率，特別是確保隧道結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，最好盡可能采用大型機(jī)械施工，以提高施工效率和施工質(zhì)量，確保施工安全，也需要能夠提供較大的施工空間。因此，在選定開(kāi)挖方法時(shí)，也要以大斷面開(kāi)挖為指向。這說(shuō)明在選擇隧道開(kāi)挖方法時(shí)，圍巖條件不是唯一的決定因素，如新意法就是在軟弱圍巖中采用全斷面法開(kāi)挖的一個(gè)明顯例證。

2)盡可能不采用那些施工中含有需要廢棄的、臨時(shí)性作業(yè)的分部開(kāi)挖法，如雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和中隔壁法等。眾所周知，在隧道施工中，分割掌子面開(kāi)挖，會(huì)增加圍巖松弛的機(jī)會(huì)，這是不希望看到的。此外，在小斷面的隧道施工中，大型施工機(jī)械的使用受到極大限制，施工效率大幅降低；而且每次擴(kuò)大斷面都需要拆除部分已經(jīng)承載的支護(hù)結(jié)構(gòu)，如臨時(shí)仰拱、輔助的錨桿、噴混凝土和鋼架等，在拆除過(guò)程中支護(hù)荷載是交替變化的，極易引發(fā)安全事故。現(xiàn)代隧道施工技術(shù)已經(jīng)可以不采取這樣的對(duì)策進(jìn)行施工。因此，除在超大斷面隧道中有所應(yīng)用外，已基本上被淘汰。 這些觀點(diǎn)的變化，都是立足于盡可能地減少隧道開(kāi)挖對(duì)圍巖松弛的影響的基礎(chǔ)上的。因此，為了減少圍巖的松弛，最好選擇開(kāi)挖分部少、一次開(kāi)挖斷面大且開(kāi)挖斷面閉合距離短的開(kāi)挖方法。

3)把機(jī)械開(kāi)挖與分部開(kāi)挖相結(jié)合的方法。采用TBM或盾構(gòu)掘進(jìn)超前導(dǎo)坑，如遇不良地質(zhì)，可在超前導(dǎo)坑中進(jìn)行預(yù)處理，而后用礦山法進(jìn)行擴(kuò)挖,這在歐洲、日本等國(guó)家已經(jīng)成為大斷面隧道施工的基本方法。

4)作為線狀結(jié)構(gòu)物的隧道，圍巖狀況是隨開(kāi)挖推進(jìn)而變化的。根據(jù)圍巖變化頻繁改變開(kāi)挖方法，既延誤工期，也不安全、不經(jīng)濟(jì)。因此，考慮整座隧道圍巖條件的變化，選定能夠適應(yīng)圍巖變化的開(kāi)挖方法是必要的。也就是說(shuō)，采用全地質(zhì)型的開(kāi)挖方法，在全隧道中(除洞口段外)從頭到尾采用一種開(kāi)挖方法，在圍巖發(fā)生急劇變化時(shí)，采取相應(yīng)的措施(如注漿、超前支護(hù)等)，使之能夠適應(yīng)圍巖條件的變化，而不改變開(kāi)挖方法，是比較理想的策略。例如臺(tái)階法，就屬于此種類型的開(kāi)挖方法：當(dāng)圍巖條件比較好時(shí)，可采用長(zhǎng)臺(tái)階法；隨著圍巖條件變差，可以縮短臺(tái)階的長(zhǎng)度。全斷面法也是如此：圍巖條件良好時(shí)，可以全斷面一次掘進(jìn)；圍巖條件變差時(shí)，可以采用超短臺(tái)階的全斷面法(日本稱之為帶輔助臺(tái)階的全斷面法，屬于全斷面法的一種)，使開(kāi)挖斷面盡早閉合。

因此，從當(dāng)前隧道施工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，全地質(zhì)型的開(kāi)挖方法，如全斷面法、超短臺(tái)階全斷面法以及臺(tái)階法等已成為主流的開(kāi)挖方法。采用大斷面或全斷面開(kāi)挖的場(chǎng)合，圍巖條件變差時(shí)，可不改變開(kāi)挖方法，而采取事先補(bǔ)強(qiáng)圍巖的措施，確保掌子面的穩(wěn)定。

2.3 隧道開(kāi)挖方法的選擇

1)在選擇隧道開(kāi)挖方法時(shí)，全斷面法應(yīng)是首選的方法。因?yàn)槿珨嗝娣ú粌H適用于堅(jiān)硬的圍巖，也適用于軟弱圍巖，是一種全地質(zhì)型的開(kāi)挖方法。但在軟弱圍巖中，采用全斷面法的前提條件是要確保掌子面的穩(wěn)定，須能夠滿足快支、快挖和早閉合的基本條件。例如，意大利提出的以掌子面長(zhǎng)錨桿補(bǔ)強(qiáng)掌子面前方圍巖，然后進(jìn)行全斷面開(kāi)挖的方法。圖1所示的3個(gè)方案的軟弱圍巖隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面，就是根據(jù)圍巖條件和對(duì)掌子面前方圍巖補(bǔ)強(qiáng)的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

當(dāng)然，掌子面前方圍巖補(bǔ)強(qiáng)的方法，可以視圍巖狀況，采用水平旋噴注漿、預(yù)切槽或玻璃纖維長(zhǎng)錨桿加固等方法。這在我國(guó)也有實(shí)例驗(yàn)證。

另外，日本采用的帶有輔助臺(tái)階的全斷面法，實(shí)質(zhì)上是我們所謂的超短臺(tái)階法。

(a) 旋噴注漿(粉細(xì)砂和砂質(zhì)土)

(b) 掌子面錨桿(黏性土和粉質(zhì)黏土)

(c) 預(yù)切槽+掌子面錨桿(黏土)

Fig. 1 Advance reinforcement of surrounding rock ahead of excavation face (ADECO-RS approach)

2)從我們當(dāng)前的施工實(shí)際情況來(lái)看，采用最多的方法是臺(tái)階法。臺(tái)階法實(shí)質(zhì)上也是一種全地質(zhì)型的開(kāi)挖方法，隨著圍巖條件的變化，臺(tái)階長(zhǎng)度和分割斷面的數(shù)目、大小都可變化。因此，其開(kāi)挖方法是多種多樣的。

3)在大斷面和超大斷面的淺埋隧道中，也不排除采用單側(cè)壁導(dǎo)坑法(中隔壁法)和雙側(cè)壁導(dǎo)坑法(眼鏡法)。

3 國(guó)外一些規(guī)范、指南推薦的隧道開(kāi)挖方法

目前一些國(guó)家在各自的規(guī)范、指南和手冊(cè)中推薦的開(kāi)挖方法概述如下。

3.1 日本隧道開(kāi)挖方法

3.1.1 日本隧道規(guī)范、指南推薦的開(kāi)挖方法

隨著施工技術(shù)的進(jìn)步以及各種通用施工機(jī)械和專用施工機(jī)械的開(kāi)發(fā)，日本在隧道施工中，開(kāi)挖方法也有了重要發(fā)展。規(guī)范、指南在給出支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的同時(shí)給定了建議的開(kāi)挖方法。例如在1996年發(fā)布的《新奧法設(shè)計(jì)施工指南》[1]中列出了圍巖級(jí)別與開(kāi)挖方法的標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1，此表適用于雙車道公路隧道及新干線鐵路隧道。配合標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，施工方法也應(yīng)逐步標(biāo)準(zhǔn)化，這也是當(dāng)前設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

在2014年發(fā)布的《公路隧道設(shè)計(jì)要領(lǐng)》[2]中，考慮到洞身段和洞口段的不同，進(jìn)一步把支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)表分為洞身段和洞口段2部分，并根據(jù)凈空跨度的不同，給定了相應(yīng)的開(kāi)挖方法。洞身段的開(kāi)挖方法見(jiàn)表2和表3。

表1 圍巖級(jí)別與開(kāi)挖方法的標(biāo)準(zhǔn)

Table 1 Specification for surrounding rock classification and tunnel excavation methods

圍巖劃分圍巖種類圍巖級(jí)別隧道開(kāi)挖方法一般圍巖ⅤN全斷面法ⅣN全斷面法ⅢN全斷面法ⅡN全斷面法或臺(tái)階法ⅠN全斷面法或臺(tái)階法特殊圍巖ⅠS短臺(tái)階法ⅠL短臺(tái)階法(弧形開(kāi)挖)特S、特L另行研究

注：圍巖級(jí)別中的腳標(biāo)N、L、S分別表示一般圍巖、未固結(jié)圍巖和塑性化圍巖。

表2 凈空跨度8.5～12.5 m的雙車道隧道的開(kāi)挖方法

Table 2 Excavation methods for 8.5-12.5 m clear span two-lane tunnel

圍巖級(jí)別支護(hù)模式一次掘進(jìn)長(zhǎng)度/m變形富余量/cm開(kāi)挖方法BB2.00C1C11.50C2C2a1.20C2b1.20D1D1a1.00D1b1.00D2D21.0以下10 微臺(tái)階法或上半斷面臺(tái)階法

而洞口段的施工方法，基本上不考慮圍巖級(jí)別，一律按DⅢ級(jí)處理，多采用臺(tái)階法。埋深小的場(chǎng)合，可考慮采用側(cè)壁導(dǎo)坑超前方法。其支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表4。

表3 凈空跨度12.5～14.0 m的雙車道隧道的開(kāi)挖方法

Table 3 Excavation methods for 12.5-14.0 m clear span two-lane tunnel

圍巖級(jí)別支護(hù)模式一次掘進(jìn)長(zhǎng)度/m變形富余量/cm開(kāi)挖方法BB2.00C1C11.50C2C21.20D1D11.00D2D21.0以下10 微臺(tái)階法、上半斷面臺(tái)階法和中隔壁法等

從表1—4建議的施工方法來(lái)看，基本上是以全斷面法和臺(tái)階法為主，只是在凈空跨度為12.5～14.0 m(相當(dāng)于3車道隧道)的情況，才建議考慮采用其他方法。也就是說(shuō)，在相當(dāng)于我國(guó)的2車道公路隧道和雙線鐵路隧道的場(chǎng)合，在各級(jí)圍巖中，基本上都建議采用全斷面法和臺(tái)階法。這也說(shuō)明隧道采用礦山法施工時(shí)，由于施工技術(shù)的發(fā)展，特別是施工機(jī)械的進(jìn)步以及快速施工的要求等，逐步向大斷面開(kāi)挖的方法發(fā)展。我國(guó)的經(jīng)驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn)。

3.1.2 日本隧道開(kāi)挖方法選擇實(shí)例

日本新建的東名高速公路(御殿場(chǎng)—三日間，長(zhǎng)162 km)是一條典型的山區(qū)高速公路，共有隧道36座，上下行總長(zhǎng)約為83 km，約占線路全長(zhǎng)的26%，其開(kāi)挖斷面面積接近200 m2。其中，以采用長(zhǎng)臺(tái)階法最多，在大部分圍巖條件下都采用此法。在地基承載力不足的洞口段則采用側(cè)壁導(dǎo)坑超前方法，掌子面不穩(wěn)定的圍巖條件，則采用中隔壁法。

表4 洞口段的支護(hù)構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)

注：①噴混凝土強(qiáng)度為36 MPa； ②必要時(shí)錨桿可安設(shè)在上半斷面的側(cè)壁附近，以長(zhǎng)度4 m、承載力170 kN為標(biāo)準(zhǔn)； ③必要時(shí)設(shè)置小導(dǎo)管。其材質(zhì)和方法由現(xiàn)場(chǎng)條件決定，設(shè)置范圍從拱頂向左右各60°，打設(shè)角度為10～30°。采用小導(dǎo)管的場(chǎng)合，考慮計(jì)算評(píng)價(jià)有困難，根據(jù)其應(yīng)用情況，考慮不確定因素，承載力以170 kN為標(biāo)準(zhǔn)； ④襯砌，一般在洞口段考慮混凝土的干燥收縮等采用單筋(SD345)補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)造。主筋直徑取19 mm以上(鋼筋中線之間的距離約20 cm)。同時(shí)，原則上考慮設(shè)置仰拱； ⑤*原則上采用拱部厚度，可根據(jù)具體情況決定； ⑥仰拱噴混凝土?xí)r，噴混凝土厚度也包括在內(nèi)。

在比較短的隧道，能夠確保掌子面自穩(wěn)的比較良好的圍巖條件，采用長(zhǎng)臺(tái)階法；掌子面穩(wěn)定性有問(wèn)題的圍巖條件，基本上采用中導(dǎo)坑超前擴(kuò)挖法。在比較長(zhǎng)的隧道采用TBM導(dǎo)坑超前擴(kuò)挖法。此方法是在大斷面隧道的斷面內(nèi)先用TBM貫通導(dǎo)坑，以達(dá)到掌握地質(zhì)情況、穩(wěn)定掌子面(排水、用錨索錨桿事前補(bǔ)強(qiáng))、提高施工效率(增加一次掘進(jìn)長(zhǎng)度及掏槽效果)和利用導(dǎo)坑通風(fēng)等多種目的，進(jìn)而有效率地、安全地進(jìn)行隧道擴(kuò)挖。圖2是TBM導(dǎo)坑超前擴(kuò)挖法示意圖。

基于上述研究結(jié)果，在新建東名高速公路的36座隧道采用的開(kāi)挖方法中，TBM導(dǎo)坑超前擴(kuò)挖法約占總長(zhǎng)度的50%，臺(tái)階法約占33%，中隔壁法和中導(dǎo)坑超前擴(kuò)挖法各占6%左右。

這種方法在土耳其最近建成的Bosporus海峽隧道中也得到了應(yīng)用。我國(guó)在鐵路、公路隧道中也開(kāi)始研究和采用類似的方法。

3.2 美國(guó)隧道開(kāi)挖方法

3.2.1 美國(guó)隧道手冊(cè)推薦的開(kāi)挖方法

美國(guó)在2010年版的《公路隧道設(shè)計(jì)施工手冊(cè)》[3]中基本上把圍巖分為巖質(zhì)圍巖和土質(zhì)圍巖2大類。其推薦的開(kāi)挖方法可歸納為3類，即全斷面法、臺(tái)階法及中隔壁法。巖質(zhì)圍巖和土質(zhì)圍巖隧道的開(kāi)挖方法見(jiàn)表5和表6。

從表5和表6可以看出，不管是巖質(zhì)圍巖還是土質(zhì)圍巖，視圍巖具體情況，開(kāi)挖方法基本相同，僅是采用的支護(hù)方法(預(yù)支護(hù)、掌子面后方支護(hù))不同。

表5 巖質(zhì)圍巖隧道的開(kāi)挖方法

3.2.2 美國(guó)手冊(cè)對(duì)新奧法的評(píng)價(jià)

美國(guó)陸軍1997年發(fā)布的巖石中的隧道和豎井手冊(cè)對(duì)新奧法的評(píng)價(jià)及美國(guó)目前采用的礦山法技術(shù)做了描述[4]。在中歐普遍應(yīng)用的新奧法，一直沒(méi)有在美國(guó)流行的原因如下：

1)圍巖條件。在大多數(shù)情況下，美國(guó)的圍巖條件比歐洲普遍采用新奧法的圍巖條件要好些。近年來(lái)，在美國(guó)已經(jīng)很少有機(jī)會(huì)采用新奧法。

2)典型承包的做法在美國(guó)難以管理。

3)美國(guó)一直強(qiáng)調(diào)隧道應(yīng)快速、高度機(jī)械化掘進(jìn)，采用保守的圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)相對(duì)于圍巖條件的變化不敏感。新奧法不是一種快速修建隧道的方法。

4)美國(guó)的大多數(shù)承包商和業(yè)主沒(méi)有經(jīng)歷過(guò)采用新奧法的實(shí)踐。

但這并不意味著新奧法不能考慮在美國(guó)使用。當(dāng)短隧道或洞室(例如地鐵站)位于惡劣圍巖條件下，需要快速及時(shí)支護(hù)時(shí)，很可能適合采用這種方法。然而，更多的時(shí)候，新奧法的監(jiān)控可以省略或退居第2位，只適用于少數(shù)已知難度的地區(qū)。這種類型的施工稱為順序開(kāi)挖和支護(hù)法更準(zhǔn)確。

表6 土質(zhì)圍巖隧道的開(kāi)挖方法

3.2.3 順序開(kāi)挖和支護(hù)法要點(diǎn)

1)順序開(kāi)挖和支護(hù)法可以將部分或大部分新奧法的內(nèi)容包括在內(nèi)，但儀器和監(jiān)控被省略或成為不重要的角色。相反，一個(gè)統(tǒng)一、安全、快速的開(kāi)挖和支護(hù)程序被用于整個(gè)隧道。

2)根據(jù)地質(zhì)和巖土的數(shù)據(jù)，隧道縱面可分為3～4個(gè)不同圍巖級(jí)別地段，劃分不同的圍巖支護(hù)地段。

3)開(kāi)挖和初期支護(hù)方案按每一地段進(jìn)行設(shè)計(jì)。開(kāi)挖可以選擇全斷面法、臺(tái)階法或中隔壁法。初期支護(hù)說(shuō)明應(yīng)包括支護(hù)施作前容許圍巖暴露的最大時(shí)間和長(zhǎng)度。

4)制定圍巖分級(jí)方法，按照選定的開(kāi)挖和支護(hù)模式進(jìn)行作業(yè)，有時(shí)可采用Q系統(tǒng)分級(jí)方法的簡(jiǎn)化版進(jìn)行設(shè)計(jì)。

5)每個(gè)圍巖支護(hù)方案都是單獨(dú)定價(jià)的，根據(jù)隧道采用各方案的長(zhǎng)度，按計(jì)劃中確定的定價(jià)支付。

6)在施工中，如圍巖被劃分為特殊圍巖，承包商根據(jù)計(jì)劃中的單價(jià)支付?？赡軙?huì)發(fā)生價(jià)格調(diào)整，調(diào)整額度取決于觀察到的不同圍巖級(jí)別的實(shí)際長(zhǎng)度。

3.3 歐洲隧道開(kāi)挖方法

3.3.1 新奧法隧道開(kāi)挖方法

歐洲各國(guó)在隧道施工中，采用比較多的方法有挪威法、新奧法和新意法等，由于圍巖條件總體上比較好，多采用全斷面法和臺(tái)階法。表5是Einstein歸納的新奧法隧道開(kāi)挖方法概況[5]。

表7 新奧法不同圍巖級(jí)別的隧道開(kāi)挖方法(Einstein 1980)

表7(續(xù))

表7(續(xù))

表7(續(xù))

3.3.2 新奧法隧道開(kāi)挖標(biāo)準(zhǔn)程序

奧地利標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了新奧法的標(biāo)準(zhǔn)程序，見(jiàn)圖3。

4 選擇開(kāi)挖方法的基本條件

現(xiàn)今選擇開(kāi)挖方法的思路，與傳統(tǒng)的觀念有所不同。選擇開(kāi)挖方法的條件基本上可以歸納為以下幾種。

1)施工條件。實(shí)踐證實(shí),施工條件是決定施工方法的最基本因素，它包括一個(gè)施工隊(duì)伍所具備的施工能力(機(jī)械化施工水平)、素質(zhì)(施工作業(yè)的專業(yè)化)以及管理水平(管理體制和精細(xì)化管理的程度等)。目前，我國(guó)隧道施工隊(duì)伍的素質(zhì)和施工裝備水平有高有低，參差不齊。因此，在選擇施工方法時(shí)，不能不考慮施工條件因素的影響。也就是說(shuō)，開(kāi)挖方法的選擇要適應(yīng)國(guó)情的現(xiàn)狀。

(a) 鉆孔、裝藥、爆破 (b) 出碴 (c) 鋼架、金屬網(wǎng)、噴混凝土 (d) 系統(tǒng)錨桿

(e) 臺(tái)階開(kāi)挖 (f) 仰拱開(kāi)挖 (g) 施作仰拱 (h) 最終襯砌

2)圍巖條件。圍巖條件也就是地質(zhì)條件，實(shí)質(zhì)上是指開(kāi)挖后圍巖的穩(wěn)定狀態(tài)，包括圍巖級(jí)別、地下水及不良地質(zhì)現(xiàn)象等。過(guò)去圍巖級(jí)別是對(duì)圍巖工程性質(zhì)的綜合判定，對(duì)施工方法的選擇起著重要的甚至決定性的作用。從施工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)看，地質(zhì)條件雖然是重要的，但基本施工方法的變化卻不顯著，全地質(zhì)型的施工方法和施工機(jī)械不斷地被開(kāi)發(fā)出來(lái)，例如全斷面法和超短臺(tái)階法的結(jié)合以及全地質(zhì)型掘進(jìn)機(jī)和自由斷面掘進(jìn)機(jī)等的開(kāi)發(fā)都說(shuō)明了這一點(diǎn)。雖然地質(zhì)條件千變?nèi)f化，但施工方法的變化不大?？傮w上看，施工方法不外2大類：一類是全斷面開(kāi)挖法，另一類是分部開(kāi)挖法。全斷面法只有一種，就是一次全斷面開(kāi)挖。從隧道及早閉合的要求看，超短臺(tái)階法(日本稱之為輔助臺(tái)階全斷面法)已經(jīng)列入全斷面法之中，因?yàn)樯舷聰嗝媸峭瑫r(shí)爆破施工的。分部開(kāi)挖法變化比較大，但從發(fā)展趨勢(shì)看，也逐步向減少分部數(shù)目的方向演變，實(shí)質(zhì)上是向大斷面開(kāi)挖的方向演變，演變的結(jié)果是分為2部開(kāi)挖的臺(tái)階法(不包括仰拱部分的開(kāi)挖，實(shí)際上也有把仰拱部分包括在內(nèi)的情況)成為主流的開(kāi)挖方法。因此，可以說(shuō)圍巖條件已經(jīng)不是左右施工方法選擇的必要條件了。

3)隧道斷面面積。隧道的尺寸和形狀對(duì)施工方法的選擇也有一定的影響。目前隧道有向大斷面方向發(fā)展的趨勢(shì)，如公路隧道已開(kāi)始修建3車道甚至4車道的大斷面，水電工程中的大斷面洞室更是屢見(jiàn)不鮮。日本新建成的東名高速公路的隧道斷面積已達(dá)200 m2，我國(guó)高速鐵路隧道的開(kāi)挖斷面面積也達(dá)到了170 m2。在這種情況下，施工方法必須適應(yīng)其發(fā)展。例如在單線、雙線的鐵路隧道和2車道公路隧道中，越來(lái)越多地采用了全斷面法及臺(tái)階法；而在更大斷面的隧道工程中，采用各種方法先修小斷面的導(dǎo)坑，再擴(kuò)大形成全斷面的施工方法極為盛行,但采用大斷面施工方法的趨勢(shì)已經(jīng)明顯。

4)埋深。隧道埋深與圍巖的初始應(yīng)力場(chǎng)及多種因素有關(guān)，通常將埋深分為淺埋和深埋2類，有時(shí)又將淺埋分為超淺埋和淺埋2類。在同樣的地質(zhì)條件下，由于埋深不同，開(kāi)挖方法也將有很大差異。為了控制地表下沉，在軟弱圍巖大斷面淺埋隧道中，國(guó)外更多的是采用機(jī)械開(kāi)挖小斷面超前導(dǎo)坑，而后擴(kuò)挖成全斷面的方法。

5)工期。作為設(shè)計(jì)條件之一的工期，會(huì)在一定程度上影響開(kāi)挖方法的選擇。因?yàn)楣て跊Q定了在均衡生產(chǎn)的條件下，對(duì)開(kāi)挖、運(yùn)輸?shù)染C合生產(chǎn)能力的基本要求，即施工均衡速度、機(jī)械化水平和管理模式的要求。

6)環(huán)境條件。當(dāng)隧道施工對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生不良影響時(shí)，環(huán)境條件也應(yīng)成為選擇隧道施工方法的重要因素之一，在城市條件下，甚至?xí)蔀檫x擇施工方法的決定性因素，這些影響包括爆破振動(dòng)、地表下沉、噪聲和地下水條件的變化等。

在長(zhǎng)期的工程實(shí)踐中，不管是哪種方法，都必須正確地堅(jiān)持隧道施工的基本原則。這些原則是在長(zhǎng)期的施工實(shí)踐中積累起來(lái)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的結(jié)晶，并且是得到理論研究所證實(shí)的。

5 結(jié)語(yǔ)

為了把隧道開(kāi)挖對(duì)周邊圍巖的松弛降低到最小限度，從目前隧道開(kāi)挖和支護(hù)方法的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，采取的基本方法可歸納如下。

1)盡可能地采用全斷面一次開(kāi)挖或少分部的大斷面開(kāi)挖和支護(hù)方法；

2)在比較良好的圍巖條件下，采用能夠控制爆破對(duì)周邊圍巖的振動(dòng)損傷的開(kāi)挖和支護(hù)方法；

3)在不良圍巖條件下，采用先補(bǔ)強(qiáng)圍巖，開(kāi)挖斷面及早閉合的開(kāi)挖和支護(hù)方法；

4)采用機(jī)械法先行、礦山法擴(kuò)挖的綜合開(kāi)挖和支護(hù)方法。

[1] 日本鉄道建設(shè)公団. NATM設(shè)計(jì)施工指針[S]. 東京：鉄公サービス, 1996. (Japan Railway Construction Public Corporation. Guide for NATM design and construction[S]. Tokyo: Railway Public Service Press,1996.(in Japanese))

[2] 東、中、西日本高速道路株式會(huì)社. 公路隧道設(shè)計(jì)要領(lǐng)(第三集)：隧道[M].[S.l.]: 東、中、西日本高速道路株式會(huì)社，2014.(East/Central/West Nippon Expressing Company Linnited.Design key points of highway tunnel(The 3rd Symppsium): Tunnel[M].[S.l.]: East/Central/West Nippon Expressing Company Limited,2014.(in Japanese))

[3] AASHTO. Technical manual for design and construction of road tunnels: Civil element[S]. Florida: U.S.Department of Transportation,2010.

[4] Department of The Army, U.S. Army Corps of Engineers. Tunnels and shafts in rock[M]. California: University Press of the Pacific,2005.

[5] 谷本親伯. NATM-1[M].東京：森北出版株式會(huì)社，1983.(Tanimoto C. NATM-1[M]. Tokyo: Morikita Shuppan Co., 1984.(in Japanese))

Tunneling by Mining Method: Lecture Ⅸ:Methods for Tunnel Excavation and Support

GUAN Baoshu

(SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

The basic understanding of relationship between tunnel excavation and tunnel support is emphasized in terms of follow aspects: 1) Tunnel excavation and support are 2 basic processes of tunnel construction. 2) Minimizing the loosening of surrounding rock is the basic principle for tunnel excavation. 3) Small elastic deformation and plastic deformation are acceptable. 4) Supporting should be carried out when surrounding rock strain deformation is larger than limitation. 5) Supporting first and then excavation scheme should be adopted in unstable surrounding rocks; and excavation first and then support scheme can be adopted in stable surrounding rocks. With the development of tunnel construction technologies, the selection of tunnel excavation method has been changed a lot. The changes include: 1) Large cross-section excavation method is a guide for excavation method selection; and do not just considering the conditions of surrounding rocks. 2) Partial excavation method should not be used as much as possible. 3) Combined excavation method of machinery excavation method and partial excavation method, such as TBM pilot enlarging method, is a normal method in European countries and Japan. 4) The frequent change of excavation method is not feasible economically and safely. The suggested tunnel excavation methods in related criterions in Japan, America and European countries are introduced as follows: 1) In Japan, the tunnel excavation method is determined by surrounding rock classification, tunnel portal and tunnel trunk; full face excavation method and bench method are used mostly; TBM pilot advance enlarging method is used in large cross-section and long tunnel. 2) In America, surrounding rock is divided into rocky surrounding rock and soil surrounding rock； the suggested tunnel excavation methods are full face excavation method, bench method and CD method. 3) Full face excavation method and bench method are the main tunnel excavation methods in European countries due to their good surrounding rock conditions. The fundamental conditions of tunnel excavation method selection, i.e. construction condition, surrounding rock properties, tunnel sectional area, depth of tunnel, construction schedule and surrounding environment, are summarized.

tunnel; support; excavation method; mining method; full face excavation method; partial excavation method; bench method; machinery excavation method

2015-08-10

關(guān)寶樹(shù)(1932—)，男，遼寧人，西南交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，從事隧道及地下工程教學(xué)和科研50余年，隧道與地下工程資深專家。E-mail: guanbaoshu@126.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.07.001

U 45

A

1672-741X(2016)07-0771-11