影响大型地下洞室开挖的一些关键因素及其机理探析

李密林

（中国电力投资集团公司云南国际电力投资有限公司 云南 昆明 650228）

0 引言

尽管国内在大型地下洞室的开挖方面积累了丰富的施工经验，而且也作了一定的理论和试验研究，但是对于大型地下洞室施工程序的选择和开挖方法的确定仍处于一种经验和半经验的状态。在使用了现代化施工机械的情况下，对于大型地下洞室的开挖缺乏比较全面的研究。

1 断面尺寸及体形特征

在围岩稳定性较好的情况下，洞室断面形式及大小对洞室开挖方法的影响是显著的，当施工机械和技术装备一定时，对于断面尺寸比较小的隧洞，可以采用全断面掘进，但对于跨度和高度比较大的洞室，则有可能只能采用分部开挖法。 《水利水电地下开挖工程施工技术规范》中根据隧洞及洞室断面大小将其分为四类：

（1）小断面：面积小于20m2或跨度小于4.5m；

（2）中断面：面积为20-50m2或跨度为4.5-7.5m；

（3）大断面：面积为50-120m2或跨度为7.5-12m；

（4）特大断面：面积大于120m2或跨度大于12m。

实际施工中，因根据洞室的形状特征及断面尺寸采用合适的开挖方法。

在使用现代化的施工设备以后，大断面隧洞开挖较多的使用了全断面方法，全断面开挖的最大断面达到了12×7.5m2，而对特大断面洞室， 台阶法成为优先考虑的方案， 台阶法开挖的最大断面为21.2×25.4m2。 针对围岩地质条件比较好的隧洞，由表中对比可以得出如下结论：

（1）相对于同等大小的城门洞形隧洞，圆形隧洞基本上都没有采取全断面开挖，较多的使用了台阶分层开挖，而且在上半部分采用了导洞超前的方法，这样不仅有利于上部后续的支护作业，而且使隧洞一次开挖后的底面是平面，较好的解决了隧洞必须作为施工通道的问题；

（2）在使用三臂凿岩台车的情况下，对城门洞形隧洞，高度和跨度成为考虑施工方法的一个重要依据：高度和跨度均小于10m 的隧洞，优先考虑使用全断面法；高度和跨度相当，且均在10-15m 之间的隧洞，可以采用中下导洞超前全断面开挖法；高跨比大于1，且高度在10-15m 之间的隧洞，使用台阶法比较适合；高度大于15m 的特大断面隧洞，则必须使用台阶法开挖，且上层开挖要考虑导洞超前；另外，高跨比比较小，即矮宽型的隧洞，可以使用中导洞超前、两侧扩挖的方法（侧台阶法），这点对于台阶法分层后的上层仍然适用。 使用台阶法开挖的洞室下层基本上都采用竖直孔梯段爆破， 不仅加快了开挖速度，而且使爆破效率提高，降低了工程成本。

对于属于超大断面的地下厂房，一般采用台阶法分层开挖，施工中首先确定合理的分层方案，然后大体上遵循自上而下的顺序逐级开挖。厂房上部顶拱的开挖利用凿岩台车钻孔，周边光面爆破，因为厂房跨度大，所以施工中采用导洞（中导洞或者两侧导洞）超前的方式；厂房中部开挖则利用液压钻或潜孔钻钻大孔径竖直孔， 梯段爆破开挖，这样可以大大提高爆破效率，同时为了减轻爆破震动对岩锚梁及边墙的影响，一般会采取边墙预裂或者预留保护层等措施；厂房下部则主要利用引水隧洞和尾水洞作为施工通道， 开挖仍以台阶爆破为主，但由于厂房下部机坑结构复杂，所以可能会采用不同的钻爆方式。

另外，洞室的长度也是洞室开挖时必须考虑的一个因素，当洞室较短时，使用综合开挖方法（水平孔加竖直孔）是不经济的。在小湾、三板溪地下厂房的母线洞开挖中，虽然采用了台阶法开挖，但是台阶下部仍然使用凿岩台车钻孔，节省了机械转场时间，使整个开挖过程变得简单。

2 围岩稳定因素

想达到快速掘进的目的， 洞室开挖中首先必须保证围岩的稳定，如果施工中由于开挖体整体或局部失稳，发生塌方、掉顶等事故，不仅威胁到工程和人员设备的安全，而且会增加工程成本，耽误工期，影响整个工程的进度。 大型地下洞室断面尺寸大，而且相互之间空间关系复杂，在施工中必须充分考虑到影响围岩稳定的各方面因素。 在施工机械设备和技术水平一定的条件下，保证洞室围岩稳定成为选定合理的施工方法和施工程序的一个重要依据。

3 施工机械

3.1 施工机械对总体施工方案的影响

地下洞室开挖过程中所使用的施工机械对总体方案的影响巨大，有时甚至是决定性的。 现代化施工机械，特别是大型凿岩钻孔机械的使用，大大提高了地下工程的开挖速度，并且使原先存在的交通和通风难题相对变得简单。

3.2 施工机械性能对开挖程序的影响

现代化施工机械的使用可以加快施工进度，简化施工程序，但是各种施工机械性能上的差异也会对施工程序造成一定的影响，特别是在大型地下洞室分层开挖的过程中，必须兼顾钻孔机械的外形尺寸和作业范围，以期选定合理的开挖断面，充分发挥现有施工机械的作用。

4 爆破震动因素

在地下工程钻爆法开挖的过程中， 爆破引起的震动可能会对围岩及相邻洞室产生影响，并且在一些特殊的部位，出于保护某些重要部位或设施的需要，爆破震动可能会成为阻碍快速掘进的主要因素。

工程中普遍以质点震动速度作为爆破震动控制的依据，《爆破安全规程》中对各类隧洞的安全震动速度规定如下：（1）水工隧洞10cm/s；（2）交通隧洞15.0cm/s；（3）矿山巷道：围岩不稳定有良好支护10.0cm/s；围岩中等有良好支护20.0cm/s；围岩稳定无支护30.0cm/s。

关于质点震动速度与装药量及爆心距的关系，目前在国内比较通用的是前苏联的M.A 萨道夫斯基公式V=K（Q13R ）α，式中V 为质点震动速度，cm/s；Q 为单响药量（齐发爆破时为总装药量，时为最大一段装药量），kg；R 为质点到爆源中心的距离，又称爆心距，m；K、α 为与爆破方法、地质、地形条件有关的待定系数，又称K 为场地系数，Q 为衰减指数。

5 其他因素

地下洞室开挖还受到施工辅助工程、施工进度等其他一些因素的影响。 例如，在一些长大隧洞的施工中，一般会采用导洞领先，两侧扩挖跟进的开挖方法，但是当独头掘进长度较大时，隧洞中通风状况将会变得糟糕，而且由于大断面随洞开挖工程量大，钻孔、爆破、运输等造成隧洞内的空气污染程度较高， 在这种情况下可以加快开挖导洞，在导洞贯通后再扩挖，这样可以实现纵向式通风，改善隧洞通风条件。另外，地下洞室开挖还受到施工通道的制约，这方面的影响既包含本身可利用的施工通道条件，也包括为相邻洞室施工提供通道的考虑。

6 结束语

总之，对大型洞室施工方法，特别是在目前地下洞室开挖广泛使用了现代化施工机械的情况下，对洞室开挖方法和开挖程序作比较系统的研究，将具有很实际的工程意义。

［1］于景辰.地下厂房开挖的若干问题[J].东北水利水电，1999，5:15-17.

［2］陈万业，董兰凤.地下洞室施工理论与技术进展[J].西北水电，2002，2:47-50.