地下工程开挖方式有全断面开挖法和导洞开挖法两种。开挖方式的选择主要取决于隧洞围岩的类别、断面尺寸、机械设备和施工技术水平。合理选择开挖方式,对加快施工进度,节约工程投资,保证施工质量和施工安全意义重大。

11.1.1.1　全断面开挖法

全断面开挖法是将整个断面一次钻爆开挖成洞,待全洞贯通后或待掘进相当距离以后,根据围岩允许暴露的时间和具体施工安排再进行衬砌和支护。这种施工方法适用于围岩坚固完整的场合。全断面开挖,洞内工作面较大,工序作业干扰相对较小,施工组织工作比较容易安排,掘进速度快。全断面开挖可根据隧洞断面面积大小和设备能力采用垂直掌子掘进或台阶掌子掘进,如图11.1所示。

图11.1　全断面开挖的基本型式

(a)垂直掌子；(b)台阶掌子
1、2—开挖顺序

垂直掌子掘进因开挖面直立,作业空间大,当具有大型施工机械设备时,作业效率高,施工进度快。图11.2为垂直掌子掘进机械化施工示意图。

台阶掌子掘进是将整个断面分为上下两层,上层超前于下层一定距离掘进。为了方便出渣,上层超前距离不宜超过2～3.5m,且上下层应同时爆破,通风散烟后,迅速清理上台阶并向下台阶扒渣,下台阶出渣的同时,上台阶可以进行钻孔作业。由于下台阶爆破是在两个临空面情况下进行的,可以节省炸药。当隧洞断面面积较大,但又缺乏钻孔台车等大型施工机械时,可以采用这种开挖方式。

图11.2　全断面开挖机械化程序

1—钻孔台车　2—装渣机；3—通风管；4—电瓶车；5—钢模台车；6—混凝土泵

11.1.1.2　导洞开挖法

导洞开挖法就是在开挖断面上先开挖一个小断面洞(即导洞)作为先导,然后再扩大至设计要求的断面尺寸和形状。这种开挖方式,可以利用导洞探明地质情况、解决施工排水问题,导洞贯通后还有利于改善洞内通风条件,扩大断面时导洞可以起到增加临空面的作用,从而提高爆破效果。

根据导洞与扩大部分的开挖次序,有导洞专进和导洞并进两种方法。导洞专进法是将导洞全部贯通后,再进行扩大部分开挖,有利于通风和全面了解地质情况,但洞内施工设施一般要进行二次铺设,费工费事。除地质情况复杂外,一般不采用。导洞并进法是将导洞开挖一段距离(一般为10～15m)后,导洞与断面扩大同时并进。导洞开挖法一般是在工程地质条件恶劣、断面尺寸较大、不利于全断面开挖时才采用的开挖方法。导洞开挖,根据导洞位置不同,有上导洞、下导洞、中间导洞和双导洞等不同方式。

1.上导洞开挖法

导洞布置在隧洞的顶部,断面开挖对称进行,开挖与衬砌程序如图11.3所示。这种方法适用于地质条件较差,地下水不多,机械化程度不高的情况。其优点是安全问题比较容易解决,如顶部围岩破碎,开挖后可先行衬砌,以策安全。缺点是出渣线路需二次铺设,施工排水不方便,顶拱衬砌和开挖相互干扰,施工速度较慢。

图11.3(b)是上导洞开挖的先墙后拱法,主要特点是将隧洞全断面挖好后,再进行衬砌。此法适用于地质条件较好的情况。图11.3(a)是上导洞开挖的先拱后墙法,主要特点是上部(1、2)开挖后,立即进行顶拱衬砌,以后其他部分的开挖与衬砌均在混凝土顶拱的保护下进行,施工安全,但施工干扰大,衬砌整体性差,还需要解决马口(即隧洞边墙处支承混凝土顶拱的岩石)的开挖问题。马口开挖分对开马口和错开马口两种,如图11.4所示。

图11.3　上导洞开挖与衬砌施工顺序

(a)先拱后墙衬砌；(b)先墙后拱衬砌
1、2、3、4、5—开挖顺序；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ—衬砌顺序

对开马口是将同一衬砌段的左右两个马口同时开挖,随即进行衬砌,如图11.4(a)所示。为安全起见,每次开挖马口不应过长,一般以4～8m为宜。在地质条件较好,围岩与拱圈黏结较牢的条件下,采用对开马口,可以减少施工干扰,避免爆破打坏对面边墙。当围岩较松散破碎时,应采用错开马口方法,如图11.4(b)所示。即每个衬砌段的两个马口的开挖不同时进行,一个马口开挖后立即进行衬砌混凝土浇筑,待其强度达到设计强度的70%时,再开挖和浇筑另一个马口。各段马口的开挖可交叉进行。也有把隧洞顶拱挖得大一些,使顶拱衬砌混凝土直接支承在围岩上,而不需要再挖马口,如图11.5所示。

图11.4　马口开挖顺序(单位：cm)(www.daowen.com)

(a)对开马口；(b)错开马口
1—拱圈中心线；2—隧洞中心线
①～④—开挖顺序

图11.5　不挖马口的先拱后墙法

1～4—开挖顺序；
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ—浇筑顺序

2.下导洞开挖法

导洞布置在断面的下部,如图11.6所示。这种开挖方法适用于围岩稳定、洞线较长、断面不大、地下水比较多的情况。其优点是：洞内施工设施只铺设一次,断面扩大时可以利用上部岩石的自重提高爆破效果,出渣方便,排水容易,施工速度快。缺点是：顶部扩大时钻孔比较困难,石块依自重爆落,岩石块度不易控制。如遇不良地质条件,施工不够安全。

图11.6　下导洞开挖法施工顺序

1—下导洞；2—顶部扩大；3—上部扩大；4—下部扩大；5—边墙衬砌；6—顶拱衬砌；7—底板衬砌；8—漏斗棚架；9—脚手架

3.中间导洞开挖法

导洞在断面的中部,导洞开挖后向四周扩大。这种方法适用于围岩坚硬,不需临时支撑,且具有柱架式钻机的场合。柱架式钻机可以向四周钻辐射炮眼,断面扩大快,但导洞与扩大部分同时并进,导洞出渣困难。

4.双导洞开挖法

双导洞开挖又分为两侧导洞法和上下导洞法两种。两侧导洞开挖法是在设计开挖断面的边墙内侧底部分别设置导洞,这种开挖方法适用于围岩松软破碎、地下水严重、断面较大,需边开挖边衬砌的情况。上下导洞法是在设计开挖断面的顶部和底部分别设置两个导洞,这种方法适用于开挖断面很大、缺少大型设备、地下水较多的情况,其上导洞用来扩大,下导洞用于出渣和排水,上下导洞之间用竖井连通。

导洞一般采用上窄下宽的梯形断面,这样的断面受力条件较好,并且可以利用断面的两个底角布置风、水、电等管线。导洞的断面尺寸应根据开挖、支撑、出渣运输工具的大小和人行道布置的要求确定。在方便施工的前提下,导洞尺寸应尽可能小一些,以便加快施工进度,节省炸药用量。导洞高度一般为2.2～3.5m,宽度为2.5～4.5m(其中人行道宽度可取0.7m)。