1.2 隧洞开挖方法

隧洞及地下洞室的开挖历史悠久，早在公元前2180年至前2160年，古人在幼发拉底河下修建的了一条长约900m的砖衬砌人行通道，是迄今已知的最早用于交通的隧道，采用的施工方法是在旱季将河流改道后用明挖法建成。公元前36年，在那不勒斯和普佐里之间开凿的婆西里勃道路隧道，长约1500m，宽8m，高9m，是在凝灰岩中凿成的一条长隧道。中国最早用于交通的隧道是古褒斜道上的石门隧道，建成于东汉永平九年（公元66年）。古隧道为省去衬砌，多建于较坚硬的岩石中。隧道在施工时先将岩壁烧热，随即浇以冷水，使岩石先发生膨胀后突然收缩而开裂，以利开凿。在中世纪，隧道主要是用于采矿和军事。17世纪和18世纪，随着运输事业的发展和技术的进步，尤其是工程炸药的应用，交通隧道也发展起来。19世纪铁路建筑的发展，促使隧道工程迅速发展，修建的隧道数量也很多。20世纪以来，汽车运输量不断增加，公路路线标准相应提高，公路隧道也逐渐增多。

就隧洞开挖掘进的历史而言，主要的开挖技术方法共经历了四代，在第一代隧洞开挖中完全依赖于人工，人工劳动强度大、施工效率极低；在第二代的隧洞开挖中，引入了工程炸药，采用人工手持风钻钻孔后装药爆破，提高了隧洞开挖效率，但同样存在人工钻孔效率不高、劳动强度大的缺点；在第三代的开挖中，引入了多臂台车代替人工钻孔，大大提高了钻孔的效率；在第四代的隧洞开挖中，引入了全断面隧洞TBM，实现了隧洞开挖的机械化、自动化，相比前三代开挖方法，开挖效率、工作环境等有了巨大的提高。

目前，根据隧洞的工程目的和所处的地质条件，形成了多种不同的开挖方法，如图1.1所示。对于岩质隧洞来说，如公路、铁路的山岭隧道以及水利、水电工程的引水、输水隧洞，常用的开挖方法主要有两种，即钻爆法和TBM（掘进机）法。

1.2.1 钻爆法

1.2.1.1 工序

钻爆法（drilling and blast method），即通过钻孔、装药、爆破开挖岩体的方法［10-12］。钻爆法开挖作业程序包括测量、钻孔、装药、爆破、通风、出渣、支护（锚杆、立钢拱架、挂网、喷混凝土）等工序。

（1）钻孔。先设计炮孔方案，然后按设计的炮孔位置、方向和深度严格钻孔。隧洞全断面开挖时，采用钻孔台车人工手持风钻配合多臂钻孔台车，钻孔直径为4～5cm，钻孔深度根据循环开挖进尺确定，为2.0～4.0m。炮孔分为掏槽孔（开辟临空面）、掘进孔（保证进尺）和周边孔（控制轮廓）。

（2）装药。在掘进孔、掏槽孔和周边孔内装填炸药。一般装填硝胺炸药，有时也用胶质炸药。炸药装填率约为炮孔长度的60%～80%，周边孔的装药量要少些。为缩短装药时间，可把硝胺炸药制成长的管状药卷,以便填入炮孔，也可利用特制的装药机械把细粒状药粉射入炮孔中。

（3）爆破。19世纪上半期以前用明火起爆。1867年美国胡萨克铁路隧道开始采用电力起爆，此后电力起爆逐渐推广。在全断面开挖中，为了减少爆破对围岩的震动和破坏，并保证爆破的效果，多采用分时间阶段爆破的电雷管或毫秒雷管起爆。一般拱部采用光面爆破，边墙采用预裂爆破。近期发展的非电引爆的导爆索应用日益广泛。

（4）施工通风。目的是排出或稀释爆破后产生的有害气体和由内燃机产生的氮氧化物及一氧化碳，同时排除烟尘，供给新鲜空气，保证隧洞施工人员的安全和改善工作环境。通风可分系统通风和局部通风：系统通风可利用管道（直径一般为0.60～2.50m）或巷道（平行导坑等），配以大型或中型通风机；局部通风多用小型管道及小型通风机。隧洞通风一般采用压入式，新鲜空气由风管送到开挖掌子面附近，将污浊空气由正洞排出洞外。新鲜空气不易达到的工作面，须采用局部通风机补充压入。

（5）装渣与运输。爆破后，岩渣需要运出洞外，装渣机可采用多种类型，如后翻式、装载式、扒斗式、蟹爪式和大铲斗内燃装载机等。运输机车有内燃牵引车、电瓶车等，运输车辆有大斗车、槽式列车、梭式矿车及大型自卸汽车等。运输线分有轨和无轨两种。

（6）施工支护。隧洞开挖后须及时支护，以减少围岩松动、防止塌方、维持围岩的稳定性。施工支护分为构件支撑和喷锚支护。构件支撑一般有木料、金属、钢木混合构件等，现在使用钢支撑者逐渐加多。喷锚支护是20世纪50年代发展起来的一种支护方法，其特点是支护及时、稳固可靠，具有一定柔性，与围岩密贴，能给施工场地提供较大活动空间，适应的地质条件广，中国在一些老黄土隧洞中应用喷锚支护也获得成功。喷射混凝土工艺分为干喷和湿喷，现多采用干喷法，即将干拌混凝土内掺入一定数量的速凝剂，用压缩空气将混凝土由管内喷出，在喷口加水喷射到岩石面上，一次可喷3～5cm的厚度，可在喷射混凝土中掺入一些钢纤维，或在岩面挂钢丝网以提高喷混凝土支护的强度。锚杆安装在岩层面上的钻孔内，其长度和间距视围岩性质而定，一般长度为2～5m，通常用树胶和水泥砂浆沿杆体全长锚固。在岩层较好洞段仅喷混凝土即可得到足够的支护强度。在围岩坚硬稳定的洞段也可不加支护。在软弱围岩洞段喷混凝土和锚杆可以联合使用，锚杆应加长，以加强支护力。

钻爆法施工过程中由测量至支护完毕称为一个开挖循环。根据钻爆法隧洞开挖经验，其固定的工序决定了每个循环所需的最少时间，一般情况下，从放样到出渣及延长风管、水管线完毕，需要要6～8h，因此在较理想的状态下，一天可掘进3个循环，每个循环进尺2～4m，日进尺可达12m。但在实际开挖中经常会遇到设备故障及断层、软弱围岩、涌水等不良地质条件，处理起来需要占用大量时间，不易保持每日的掘进进尺，所以每月单工作面实际进度多低于200m。在我国的秦岭终南山特长公路隧道进口段的开挖中，采用了缩短钻孔、装渣、运输时间、提高钻爆效果、提高通风效率、防治岩爆地质灾害等的快速掘进方案，最高月进尺305m，连续半年平均月进尺达到250.5m［12］。

从钻爆法作业流程可以看出，其开挖循环作业的特点是各工序顺序作业，前一个工序完成后方可以进行下一个工序，各工序必须逐项按时完成，否则前一工序的推迟就会影响下一工序，因而拖长循环时间。其中最主要的工序为钻孔及出渣，所用时间占全部作业时间比例较大。

1.2.1.2 开挖方法

钻爆法开挖采用的方法有全断面开挖法和分部开挖法。

（1）全断面开挖法。一次开挖成型的方法。一般采用多臂台车钻孔、毫秒爆破、喷锚支护、大型运输机械装渣和强通风设备。全断面开挖法又演变为半断面法，半断面法是弧形上半部领先，下半部隔一段距离施工。

(2)分部开挖法。先用小断面超前开挖导坑，然后将导坑扩大到半断面或全断面的开挖方法。这种方法主要优点是可采用轻型机械施工，多开工作面，各工序间拉开一定的安全距离。缺点是工序多、有干扰、用人多。根据导坑在隧洞断面的位置分为上导坑法、中央导坑法、下导坑法以及由上下导坑互相配合的各种方法，另有把全断面纵向分为台阶进行开挖而各层台阶距离较短的台阶法。上导坑法适用于软弱岩层、衬砌顺序是先拱后墙，曾于1872—1881年为圣哥达隧道采用，中国短隧洞一般用这种方法。中央导坑法是导坑开挖后向四周打辐射炮孔爆破出全断面或先扩大上半部，20世纪20年代美国新喀斯喀特隧道采用这种方法。下导坑法即下导坑领先的方法，其中包括：①上下导坑法，利用领先的下导坑向上预打漏斗孔，便于开展上导坑等多工序平行作业。衬砌顺序多用先拱后墙，遇围岩较好时亦可改为先墙后拱。②漏斗棚架法，适用于坚硬地层，以下导坑掘进领先，由下而上分层开挖，设棚架，先衬砌边墙后砌拱，1961—1966年在中国成昆线关村坝铁路隧道应用，1964年取得平均单月成洞152m的纪录。③蘑菇形法，同漏斗棚架法类似，也设棚架，但先衬砌拱部后砌边墙，1971—1973年在枝柳线彭莫山单线隧道应用，取得平均单口月成洞132m的纪录。④侧壁导坑法，两个下导坑领先，环形开挖，最后挖掉中心土体，衬砌顺序为先墙后拱，多用于围岩很差的双线隧道，也有采用上导坑领先及两个下导坑成品字形的方法。

全断面开挖法和分部开挖法是钻爆法开挖常用的方法，但施工中时常遇到各种困难情况，如断层、流沙、膨胀地层、溶洞、涌水等，需要采取特殊的处理措施。

钻爆法已有一百多年的历史，自从炸药发明以后，钻爆法的施工方法得到了迅猛的发展，加上喷锚支护、爆破控制、快速出渣、高效通风等技术，使得隧洞施工向全断面、大断面、机械化、高效率方向发展。但钻爆法对围岩的扰动破坏大，有时由于爆破震动会使围岩产生坍塌，故以前只适用于岩质隧洞。随着控制爆破技术的发展，钻爆法的应用范围也逐渐加大，目前也可用于软岩及硬土的松动爆破。由于钻爆法自身的局限性和诸多无法克服的缺点，如工序复杂、进度慢、工作条件差、工人劳动强度大、超欠挖严重、独头开挖长度受限、对围岩扰动大、安全性差等，难以实现高速、高效、安全、文明施工。另外，当隧洞长度超过2km后，通风排烟成为关键，若没有最近的通风排烟口，排烟所需时间将大大加长，严重影响隧洞的开挖速度。钻爆法特别适合短隧洞和地质条件复杂的隧洞，对于长大隧洞，为增加工作面及通风排烟的要求，往往不得不布置大量的辅助洞，如竖井、斜井、施工支洞等，极端情况下，辅助洞的工作量会超过正洞的工作量，这进一步降低了施工速度，延长了工期，增加了施工成本。

1.2.2 TBM法

TBM的技术名称在我国过去很不统一，各行业均冠以习惯性名称，如铁路和交通行业称为隧道掘进机，煤炭行业称为巷道掘进机，水电行业又称为隧洞掘进机。1983年《全断面岩石掘进机名词术语》（GB 4052—1983）统一称为全断面岩石掘进机（Full Face Rock Tunnel Boring Machine，TBM），其定义为：一种靠边旋转边推进刀盘，通过盘形滚刀破碎岩石而使隧洞全断面一次成形的机器［13］。目前常用的盾构机也是一种全断面掘进机，主要适用土质隧洞，本书不作论述，本书所述的TBM，指的是用于岩石隧洞施工的全断面掘进机。

TBM是一种系统化、智能化、工厂化的高效能隧洞开挖施工机械，可一次成洞，同时完成开挖掘进、岩渣运输、通风除尘、导向控制、支护衬砌、超前处理、风水电及材料供应等工序，并实现了自动化控制，适应于长距离隧洞的施工。其最大特点是广泛使用电子、信息、遥控等高新技术对全部作业进行控制，使掘进过程始终处于最佳状态。相对于传统钻爆法具有高效、快速、优质、安全等优点，其掘进速度一般是传统钻爆法的3～10倍。同时采用TBM技术还有利于环境保护、节省劳动力、提高施工效率，整体上比较经济。因此，TBM技术已广泛地应用于交通、市政、水利水电、矿山等隧洞工程的掘进开挖。对深埋长隧洞，如采用钻爆法开挖时，必须开挖若干支洞以供主洞施工时出渣、通风等之用，当地形条件、环境条件等不允许开挖支洞时，TBM法则成为唯一的选择。

TBM也存在一定的弱点，作为隧洞快速施工的设备有一定适用范围和局限性，如果以下因素存在，则应慎用或不宜采用TBM法［14，15］：①非圆形断面隧洞，除非TBM带有特殊可靠的辅助开挖装置，一般不宜采用；②无法筹集到购买TBM及后配套设备的高昂资金；③签订TBM采购订单到设备运到工地组装调试完毕一般需要一年左右时间，对急于开工的隧洞工程，时间上来不及使用TBM的则无法采用；④对于长度在1km以下短洞，TBM及后配套一次投入费用高，对短洞群需要频繁装拆转移工地导致TBM施工效率低下、经济性差，应慎用；⑤工程地质与水文地质条件极差，如溶洞多且大、断层多且宽、涌水、洞内泥石流、长距离破碎带等组合岩层，采用TBM法施工时地质风险极大时，不宜采用TBM法。

1.2.3 两种隧洞掘进开挖方法比较

目前常用的两种隧洞开挖方法钻爆法和TBM法各有其优点及缺点，现就一些项目进行比较，比较结果见表1.1。

从表1.1可以看出，TBM法施工从掘进速度、围岩质量、安全保障、施工环境等方面均优于钻爆法，在地质条件适应性方面TBM法则不如钻爆法灵活，若只考虑纯开挖成本，TBM法也高于钻爆法。但TBM法的经济性主要体现在成洞的综合成本上。由于采用TBM施工，使隧洞独头掘进20km成为可能，可以改变钻爆法长洞短打、直洞折打等费时费钱的施工方法，代之以聚短为长、裁弯取直从而更省时省钱。TBM施工洞径尺寸精确，对围岩影响较小，可以不衬砌或减小衬砌从而降低衬砌成本；TBM的作业面少、作业人员少，人力的费用少。

文献［16］研究了成洞洞径4m、埋深100～500m、坡度1/800、Ⅱ类以上围岩占40%、Ⅲ类围岩占30%、Ⅳ类围岩占20%、Ⅴ类围岩占10%的圆形水工无压隧洞，其在长度分别为3km、5km及10km三种情况下钻爆法、开敞式TBM、双护盾TBM的经济对比，结果表明：当洞长为10km，钻爆法每延米造价为2.88万元，开敞式TBM每延米造价为2.31万元，双护盾式TBM每延米造价为2.83万元，钻爆法较洞长3km上升幅度约为65%，而开敞式TBM的每延米造价开始下降，较洞长为5km时降低6%，双护盾式TBM的每延米造价也有所下降，较洞长为3km时降低12%。开敞式TBM施工造价最低，工期较双护盾式TBM长3个月，较钻爆法工期短16个月，双护盾式TBM施工的总造价和钻爆法持平，工期较钻爆法缩短19个月。不考虑工期效益，洞长为5km以下的隧洞采用钻爆法经济性较好；洞长为5～9km，钻爆法造价增加明显，TBM开始逐渐体现出优势，且采用开敞式TBM经济性较好；洞长为9km以上，钻爆法造价增加更明显，TBM施工优势明显，采用TBM经济性较钻爆法好，开敞式TBM经济性较双护盾式TBM好，双护盾式TBM较钻爆法经济性好。

结合文献［17］~［21］的研究，若查明隧洞的工程地质条件及水文地质条件，选择合适的TBM类型并有针对性的制订施工对策，则可以把不良地质条件的影响降到最低。TBM掘进速度快，提早完工，可获得巨大的经济效益和社会效益。这些理由，可促使TBM施工的综合成本可降低到与钻爆法相竞争。

1.2.4 TBM与钻爆法相结合的施工技术

从上一节的分析可以看出，钻爆法具有技术相对成熟、易于根据地质条件变化调整施工方案等优点，缺点是掘进速度慢、对围岩扰动大；TBM法具有施工速度快、自动化程度高、对围岩扰动小、工作环境好等优点，缺点是对地质条件适应性差。如果能将钻爆法和TBM结合起来，充分发挥二者的优势，可取得较好的效果，因此国内、外发展了TBM法与钻爆法相结合的施工技术。

TBM与钻爆法相结合的施工技术主要有两种：一种是利用小直径TBM开挖导洞，然后用钻爆法扩挖至设计断面；另一种是TBM和钻爆法均为全面断面开挖，地质条件好的洞段由TBM开挖，地质条件差的由钻爆法开挖。

研究表明，当TBM滚刀的线速度大于3m/s时，刀间岩石的裂纹来不及扩展贯通，滚刀破岩效率大大降低，滚刀的线速度与TBM刀盘转速和刀盘直径成正比。在刀盘直径一定的条件下，为满足此条件，只有降低刀盘转速，对于大直径隧洞来说，只有在低转速下运行才能保证滚刀的破岩效率，而TBM掘进速度与刀盘转速成正比，低转速会导致TBM掘进速度降低，因此大直径隧洞采用TBM施工效率并不高。由此产生了先用小直径TBM开挖导洞，然后用钻爆法扩挖至设计断面的施工方法，这种方法的优点在于：既利用了小直径TBM的成熟技术，又避免了使用大直径全断面TBM所带来的低效率的风险，可以实现提高掘进速度的目的；扩挖采用钻爆法可以满足任意断面的形状，减少开挖和衬砌的工程量；由于TBM开挖的导洞不仅可以为后期钻爆提供临空面，而且可以为控制爆破设计提供地质依据，因此可以显著降低开挖对围岩的扰动；TBM开挖的导洞可达到探洞的效果，通过导洞查明围岩的地质条件，特别是不良地质条件，降低地质风险，避免地质灾害的发生或减轻地质灾害造成的损失。该方法已经被许多欧洲国家采用，特别是大断面的公路、铁路隧道领域。自1982年以来，意大利已经用该方法修建公路、铁路隧道30余座，总长度超过100km。

对于长大隧洞，地质条件复杂，不良地质条件发育的概率大，当全部采用TBM施工时，地质风险很大。这就产生了围岩条件较好的洞段用TBM施工、条件差的洞段用钻爆法施工的方法，充分发挥二者的优势，以提高施工效率。采用这种方法的典型工程实例是我国辽宁大伙房输水隧洞工程，该隧洞全长85.3km，地质条件差的穿越区域断层洞段、浅埋过沟洞段等约25km由钻爆法施工，其余约60km分为三个标段，由TBM施工，该隧洞已于2009年4月实现了全线高精度贯通，工程实践表明，该工程采用TBM和钻爆法相结合的施工是成功的。