[科普中國]-中央導坑法

在松軟地質中采用盾構法開挖較多。分部開挖法是先用小斷面超前開挖導坑,然后,將導坑擴大 到半斷面或全斷面的開挖方法。根據(jù)導坑在隧道斷面的位置 ，又分為許多方法。其中的中央導坑法是導坑開挖后向四周打輻射炮眼爆破出全斷面 或先擴大上半部。

中央導坑法簡介隧道發(fā)展自英國于1826年起在蒸汽機車牽引的鐵路上開始修建長770米的泰勒山單線隧道和長 2474米的維多利亞雙線隧道以來，英、美、法等國相繼修 建了大量鐵路隧道。19世紀共建成長度超過 5公里的鐵路隧道11座，有3 座超過10公里,其中最長的為瑞士的圣哥達鐵路隧道，長 14998米。1892 年通車的秘魯加萊拉鐵路隧道，海拔4782米，是現(xiàn)今世界最高的標準軌距鐵路隧道。在19世紀60年代以前，修建的隧道都用人工鑿孔和黑火藥爆破 方法施工。1861年修建穿越阿爾卑斯山脈的仙尼斯峰鐵路隧道時，首次應用風動鑿巖機代替人工鑿孔。1867年修建美國胡薩克鐵路隧道時，開始采用硝化甘油炸藥代替黑火藥，使隧道施工技術及速度得到進一步發(fā)展。

在20世紀初期，歐洲和北美洲一些國家鐵路形成鐵路網，建成的5公里以上長隧道有20座 ， 其中最長的瑞士和意大利間的辛普朗鐵路隧道長19.8公里。

美國長約12.5公里的新喀斯喀特鐵路隧道和加拿大長約 8.1公里的康諾特鐵路隧道都采用中央導坑法施工。其施工平均年進度分別為4.1和4.5公 里，是當時最高的施工進度。至1950年，世界鐵路隧道最多的國家有意大利、日本、法國和美國。日本至20世紀70年代末共建成鐵路隧道約3800座， 總延長約1850公里,其中5公里以上的長隧道達60座，為世界上鐵路長隧道最多的國家。1974年建成的新關門雙線隧道，長18675米,為當時世界最長的海底鐵路隧道。1981年建成的大清水雙線隧道，長22228米,為世界最長的山嶺鐵路隧道。連接本州和北海道的青函海底隧道，長達53850米,為當今世界最長的海底鐵路隧道。

20世紀60年代以來，隧道機械化施工水平有很大提高。全斷面液壓鑿巖臺車和其他大型施工機具相繼用于隧道施工。噴錨技術的發(fā)展和新奧法的應用為隧道工程開辟了新的途徑。掘進機的采用徹底改變了隧道開挖的鉆爆方式。盾構構造不斷完善，已成為松軟、含水地層修建隧道最有效的工具。

中國于1887～1889年在臺灣省臺北至基隆窄軌鐵路上修建的獅球嶺隧道， 是中國的第一座鐵路隧道,長261米。此后，又在京漢、中東、正太等鐵路修建了一些隧道。

京張鐵路關溝段修建的4座隧道,是用中國自己技術力量修 建的第一批鐵路隧道。其中最長的八達嶺鐵路隧道長為1091米，于1908年 建成。中國在1950年以前，僅建成標準軌距鐵路隧道238座,總延長89公里。2 自20世紀50年代以來，隧道修建數(shù)量大幅度增加，1950～1984年期間共建 成標準軌距鐵路隧道4247座，總延長2014.5公里，成為世界上鐵路隧道最 多的國家之一。此外，中國還建有窄軌距鐵路隧道191座,總延長23公里。

截至1984年,中國共建成5公里以上長隧道10座，最長者為京原鐵路的驛馬嶺鐵路隧道，長7032米?，F(xiàn)正在施工的京廣鐵路衡韶段大瑤山雙線隧道， 長14.3公里。

中國最高的鐵路隧道是青藏鐵路關角鐵路隧道,長4010米,海拔 3690米。中國鐵路隧道約有半數(shù)以上分布在川、陜、云、貴4省。成昆、襄 渝兩條鐵路干線隧道總延長分別為342及282公里，占線路總長的比率分別為31.6%和34.3%。

隧道是修建在地下或水下并鋪設鐵路供機車動車輛通行的建筑物。

根據(jù)其所在位置可分為山嶺隧道、水下隧道和城市隧道三大類1。為縮短距離和避免大坡道 而從山嶺或丘陵下穿越的稱為山嶺隧道； 為穿越河流或海峽而從河下或海底通過的稱為水下隧道；為適應鐵路通過大城市的需要而在城市地下穿越的稱為城市隧道。這三類隧道中修建最多的是山嶺隧道。

中央導坑法的應用在隧道勘測和開挖過程中，須了解圍巖的類別。圍巖是隧道開挖后對 隧道穩(wěn)定性有影響的周邊巖體。圍巖分類是依次表明周圍巖石的綜合強度。5 中國在1975年制定的鐵路隧道工程技術規(guī)范中將圍巖分為 6類。關于巖石 分類70年代以前常用泰沙基及普氏等巖石分類方法。70年代以后在國際上應用較廣并為國際巖石力學學會推薦的為巴頓等各種分級系統(tǒng)。此外，還 有日本以彈性波速為主的分類法。圍巖的類別的確定，為隧道工程設計合理和施工順利提供了依據(jù)。隧道設計選線 根據(jù)線路標準、地形、地質等條件選定隧道位置和長度。選線應作多種方案的比較。長隧道要考慮輔助坑道和運營通風的設置。洞口位置的選 擇要依據(jù)地質情況?？紤]邊坡和仰坡的穩(wěn)定，避免塌方?？v斷面設計 沿隧道中線的縱向坡度要服從線路設計的限制坡度。因隧道內濕度大， 輪軌間粘著系數(shù)減小，列車空氣阻力增大，因此在較長隧道內縱向坡度應 加以折減。縱坡形狀以單坡和人字坡居多，單坡有利于爭取高程，人字坡 便于施工排水和出碴。為利于排水，最小縱坡一般為2‰～3‰。

橫斷面設計隧道橫斷面即襯砌內輪廓，是根據(jù)不侵入隧道建筑限界而制定的。中國隧道建筑限界分為蒸汽及內燃機車牽引區(qū)段、電力機車牽引區(qū)段兩種， 這兩種又各分為單線斷面和雙線斷面。襯砌內輪廓一般由單心圓或三心圓 形成的拱部和直邊墻或曲邊墻所組成。在地質松軟地帶另加仰拱。單線隧 道軌面以上內輪廓面積約為27～32平方米，雙線約為58～67平方米。在曲 線地段由于外軌超高車輛傾斜等因素，斷面須適當加大。電氣化鐵路隧道 因懸掛接觸網等應提高內輪廓高度。中、美、蘇三國所用輪廓尺寸為：單 線 隧 道 高 度 約 為 6.6～ 7.0米 、 寬 度 約 為 4.9～ 5.6米 ； 雙 線 隧 道 高 度 約 為 7.2～8.0米，寬度約為8.8～10.6米。在雙線鐵路修建兩座單線隧道時,其中 線間距離須考慮地層壓力分布的影響,石質隧道約為20～25米，土質隧道應 適當加寬。6 輔助坑道設計輔助坑道有斜井、豎井、平行導坑及橫洞四種。斜井是在中線附近的 山上有利地點開鑿的斜向正洞的坑道。斜井傾角一般在18°～27°之間，采用卷揚機提升。斜井斷面一般為長方形,面積約為8～14平方米。豎井是由山頂中線附近垂直開挖的坑道，通向正洞。其平面位 置可在鐵路中線上或在中線的一側（距中線約20米） 。豎井斷面多為圓形， 內徑約為4.5～6.0米。平行導坑是距隧道中線17～25米開挖的平行小坑道， 以斜向通道與隧道連接，亦可作將來擴建為第二線的導洞。中國自1957年 修建川黔鐵路涼風埡鐵路隧道采用平行導坑以來,在58座長3公里以上的隧 道中約有80%修建了平行導坑。橫洞是在傍山隧道靠河谷一側地形有利之處開辟的小斷面坑道。

此外，隧道設計還包括洞門設計，以及開挖方法和襯砌類型的選擇等。7 隧道貫通控制測量 隧道貫通控制測 量道遂測量是為了保證測 量的中線和高程在隧道貫通面處的偏差不超出規(guī)定的限值。

中線平面控制 長隧道以往多用三角網，短隧道多用導線法，借以控制中線的偏差。

自50年代以來，中國在 1公里以上長度的隧道測量中采用導線法也能控制 隧道的貫通誤差。光電測距儀的出現(xiàn)和發(fā)展，解決了量距的困難。山嶺隧 道洞外及洞內都采用主副閉合導線法，即在主導線上測角并用光電測距儀 量距，在副導線上只測角不量距。由主副導線所組成的多邊形，只平差其 角度，不平差其長度。這樣主副導線法比三角網法簡單實用，比單一導線 法可靠。中國大瑤山雙線隧道即采用主副閉合導線法作為中線平面控制。

在隧道進行中線測量以前，就要考慮將來隧道打通后的偏差數(shù)值。根據(jù)隧 道的長度和平面形狀，在地形圖上先行布置測點的位置和預計的貫通點， 并在平面圖上量出必要的尺寸，再根據(jù)規(guī)范規(guī)定的極限誤差試算出測角和 量距的必要精度，然后進行測量。這個過程叫做測量設計或叫做隧道貫通 誤差的預計4公里以下的隧道中線貫通極限誤差為±100毫米;4～8公里的隧 道中線貫通極限誤差為±150毫米。

高程控制短隧道應用普通水平儀，長隧道應用精密水平儀即能保證需要達到的精度。高程貫通極限誤差為±50毫米。8 隧道開挖開挖方法分為明挖法和暗挖法。明挖法多用于淺埋隧道或城市鐵路隧道，而山嶺鐵路隧道多用暗挖 法。按開挖斷面大小、位置分，有分部開挖法和全斷面開挖法。在石質巖 層中采用鉆爆法最為廣泛，采用掘進機直接開挖也逐漸推廣。在松軟地質 中采用盾構法開挖較多。鉆爆法 在隧道巖面上鉆眼，并裝填炸藥爆破，用全斷面開挖或分部開挖等將 隧道開挖成型的施工方法。鉆爆法開挖作業(yè)程序包括測量、鉆孔、裝藥、 爆破、通風、出碴、錨桿、立架、掛網、噴錨等工序。

①鉆孔：要先設計炮孔方案，然后按設計的炮孔位置、方向和深 度嚴格鉆孔。單線隧道全斷面開挖，采用鉆孔臺車配備中型鑿巖機，鉆孔 深度約為2.5～4.0米。

雙線隧道全斷面開挖采用大型鑿巖臺車配備重型鑿巖 機，鉆孔深度可達5.0米。炮孔直徑約為 4～5厘米。炮孔分為掏槽孔（開 辟臨空面） 、掘進孔（保證進度）和周邊孔（控制輪廓） 。

②裝藥：在 掘進孔、掏槽孔和周邊孔內裝填炸藥。一般裝填硝胺炸藥，有時也用膠質炸藥。裝填炸藥率約為炮眼長度的60%～80%，周邊孔的裝藥量要少些。

為縮短裝藥時間,可把硝胺炸藥制成長的管狀藥卷,以便填入炮眼；也可利用 特制的裝藥機械把細粒狀藥粉射入炮孔中。

③爆破：19世紀上半期以 前用明火起爆。1867年美國胡薩克鐵路隧道開始采用電力起爆。此后，電力起爆逐漸推廣。在全斷面掘進中，為了減低爆破對圍巖的震動和破壞，并保證爆破的效果，多采用分時間階段爆破的電雷管或毫秒雷管起爆。一9 般拱部采用光面爆破，邊墻采用預裂爆破。近期發(fā)展的非電引爆的導爆索 應用日益廣泛。

④施工通風：排出或稀釋爆破后產生的有害氣體和由 內燃機產生的氮氧化物及一氧化碳,同時排除煙塵,供給新鮮空氣，借以保證 隧道施工人員的安全和改善工作環(huán)境。通風可分主要系統(tǒng)和局部系統(tǒng)。主要系統(tǒng)可利用管道（直徑一般為1～1.5米，也有更大的）或巷道（平行導 坑等） ，配以大型或中型通風機；局部系統(tǒng)多用小型管道及小型通風機。巷 道通風多采用吸出式，將污濁空氣吸出洞外，新鮮空氣由正洞流入。新鮮 空氣不易達到的工作面，須采用局部通風機補充壓入。

⑤施工支護

隧道開挖必須及時支護，以減少圍巖松動，防止塌方。施工支護分為構件 支撐和噴錨支護。構件支撐一般有木料、金屬、鋼木混合構件等，使用鋼支撐者逐漸加多。

噴錨支護是20世紀50年代發(fā)展起來的一種支護方法， 其特點是支護及時、穩(wěn)固可靠，具有一定柔性，與圍巖密貼，能給施工場 地提供較大活動空間。中國在一些老黃土隧道中應用噴錨支護也獲得成功。

噴射混凝土工藝分為干噴和濕噴?，F(xiàn)多采用干噴法，即將干拌混凝土內摻 入一定數(shù)量的速凝劑，用壓縮空氣將混凝土由管內噴出。在噴口加水射到 巖石面上，一次可噴3～5厘米厚度。在噴射混凝土中摻入一些鋼纖維，或 在巖面掛鋼絲網可提高噴錨支護的強度。鋼錨桿安設在巖層面上的鉆孔內, 其長度和間距視圍巖性質而定,一般長度為2～5米，通常用樹膠和水泥漿沿桿體全長錨固。在巖層較好地段僅噴混凝土即可得到足夠的支護強度。在 圍巖堅硬穩(wěn)定的地段也可不加支撐。在軟弱圍巖地段噴錨可以聯(lián)合使用，錨桿應加長 ，以加強支護力。

⑥裝碴與運輸：在開挖作業(yè)中，裝碴機可采用 多種類型，如后翻式、裝載式、扒斗式、蟹爪式和大鏟斗內燃裝載機等。

運輸機車有內燃牽引車、電瓶車等，運輸車輛有大斗車、槽式列車、梭式 礦車及大型自卸汽車等。運輸線分有軌和無軌兩種。

由鉆孔直到出碴完畢稱為一個開挖循環(huán)。根據(jù)中國的經驗，在單線全 斷面開挖中24小時能作兩個循環(huán)，每個循環(huán)能進3.5米深度，每日單口進度 可達7米。然而在開挖中難免遇到斷層或松軟石質以及涌水等，不易保持每 日的預計循環(huán)，所以每月單口實際進度多低于200米。中國成昆線蜜蜂箐單 線隧道單口最高月進度曾達到 200米。日本大清水雙線隧道單口最高月進 度曾達到 160米。開挖循環(huán)作業(yè)的特點是一個工序接一個工序必須逐項按 時完成，否則前一工序推遲就會影響下一工序，因而拖長全部時間。其中 最主要的工序為鉆孔及出碴，所用時間占全部作業(yè)時間比例較大。

鉆爆法開挖采用的方法有全斷面開挖法和分部開挖法。

①全斷面開挖法：一次開挖成型的方法。一般采用帶有鑿巖機的臺車10 鉆孔，用毫秒爆破，噴錨支護。還要有大型裝碴運輸機械和通風設備。全 斷面開挖法又演變?yōu)榘霐嗝娣ā０霐嗝娣ㄊ腔⌒紊习氩款I先，下半部隔一 段距離施工。

②分部開挖法：先用小斷面超前開挖導坑,然后,將導坑擴大到半斷面或 全斷面的開挖方法。這種方法主要優(yōu)點是可采用輕型機械施工，多開工作 面，各工序間拉開一定的安全距離。缺點是工序多,有干擾,用人多。上導坑法、 中央導坑法、 下導坑法、 上導坑法 、 中央導坑法 、 下導坑法 、 臺階法 根據(jù)導坑在隧道斷面的位置分為：上導坑法、中央導坑法、下導坑法 以及由上下導坑互相配合的各種方法，另有把全斷面縱向分為臺階進行開 挖，而各層臺階距離較短的臺階法。

上導坑法適用于軟弱巖層、襯砌順序是先拱后墻，曾于1872～1881年為圣 哥達隧道采用2。中國短隧道一般用這種方法。中央導坑法是導坑開挖后向 四周打輻射炮眼爆破出全斷面或先擴大上半部。20世紀初美洲曾用這種方 法，20年代美國新喀斯喀特隧道也用這種方法。下導坑法即下導坑領先的 方法。其中包括：a.上下導坑法，利用領先的下導坑向上預打漏斗孔，便于 開展上導坑等多工序平行作業(yè)。襯砌順序多用先拱后墻，遇圍巖較好時亦 可改為先墻后拱。b.漏斗棚架法，適用于堅硬地層，以下導坑掘進領先，由 下而上分層開挖，設棚架，先襯砌邊墻后砌拱。1961～1966年在中國成昆 線關村壩鐵路隧道應用,1964年復工后取得平均單口月成洞152米的進度。

雙側壁導坑法雙側壁導坑法是隧道開挖的一種方式。又稱雙側壁導洞法或眼鏡工法。屬于新奧法的一個分支，以新奧法基本原理為依據(jù)。

在開挖導坑時，盡量減少對圍巖的擾動，導坑斷面近似橢圓，周邊輪廓圓順，避免應力集中。初期支護采用格柵鋼架或型鋼鋼架、掛鋼筋網片、噴混凝土柔性支護體系，及時施作，使斷面及早閉合，以充分利用圍巖的自承能力，控制圍巖變形。建立一整套圍巖支護結構監(jiān)控量測系統(tǒng)，進行信息化施工管理，隨時掌握施工過程中的動態(tài)變化，合理安排，調整施工工藝和設計參數(shù)，確保施工安全。

(1) 開挖面分部形式：

一般將斷面分成四塊：左、右側壁導坑1、上部核心土2、下臺階(3) 。導坑尺寸側壁導坑尺寸應本著充分利用臺階的支撐作用，并考慮機械設備和施工條件而定。但寬度不宜超過斷面最大跨度的1/3。高度以到起拱線為宜，這樣，導坑可分二次開挖和支護，不需要架設工作平臺，人工架立鋼支撐也較方便。導坑與臺階的距離沒有硬性規(guī)定，但一般應以導坑施工和臺階施工不發(fā)生干擾為原則，所以在短隧道中可先挖通導坑，而后再開挖臺階。上、下臺階的距離則視圍巖情況參照短臺階法或超短臺階法擬定。左、右側導坑錯開的距離，應根據(jù)開挖一側導坑所引起的圍巖應力重分布的影響不致波及另一側已成導坑的原則確定。

(2) 施工作業(yè)順序為；

①開挖一側導坑，并及時地將其初次支護閉合。

②相隔適當距離后開挖另一側導坑，并建造初次支護。

③開挖上部核心土，建造拱部初次支護，拱腳支承在兩側壁導坑的初次支護上。

④開挖下臺階，建造底部的初次支護，使初次支護全斷面閉合。

⑤拆除導坑臨空部分的初次支護。

⑥建造二次襯砌。

本詞條內容貢獻者為:

張靜 - 副教授 - 西南大學