摘要：矿山法国内又称为浅埋暗挖法，研究成果很多，黎明中研究了复杂环境条件下城市地下通道超浅埋暗挖施工技术；本文介绍城市轨道交通矿山法隧道的机械化施工方法，将正台阶法各道施工工序全部实现集成机械化施工，可大幅提高隧道工程机械化施工技术水平，实现隧道工程安全、高效、环保施工。
关键词：矿山法隧道；机械开挖工艺；工程应用
1矿山法
矿山法又称钻爆法，即利用炸药来碎裂岩石，然后对周围岩石进行衬砌支护从而开挖出隧道的较为原始的方法。矿山法主要应用于岩层较为稳定的地区，主要根据“新奥法”设计原理，即充分发挥围岩的自承能力，围岩是承载的主体，结构是安全贮备。
隧道工程中常使用的凿岩机有液压凿岩机和风动凿岩机两种，另外内燃凿岩机和电动凿岩机较少采用。风动凿岩机俗称风钻，以压缩空气为驱动力。优点有：结构简单，操作方便，使用安全，制造维修简便等。缺点有：压缩空气的供应设备比较复杂，机械效率低，噪音大，耗能高和凿岩速度比液压凿岩机低等。液压凿岩机以电力带动油泵，通过改变输油通道，使活塞往复运动，实现凿岩功能。
炸药的爆炸作用及其迅速，爆炸速度可达2000-8000m/s，可在瞬间产生大量的高温高压爆炸气体，以突然冲击的方式作用在其周围的介质上，产生强大的冲击波。1kg的炸药约含热量2090～6270kJ，爆炸瞬间温度可达2000摄氏度以上，爆压可达数千兆帕，在极短的时间内释放大量的能量对其周围介质产生巨大的破坏。
目前起爆的方法根据所用不同器材可分为：火雷管起爆法、电雷管起爆法、塑料导管起爆法以及混合起爆法等。
2隧道的开挖分析
隧道是在地质条件复杂的条件下开挖的建筑工程，因此，受到地应力，地址物理参数，地下水，地址断层等因素和开挖方式、支护方式、支护时间等人工开挖操作的影响比较大。建筑隧道采用的支护方式和开挖方式要因地制宜的选择，跟据工程所处的地质环境和围岩稳定性不同，而采用不同的方案。现在，隧道开挖的方式有：全断面法、台阶法、三台阶法、三台阶七步开挖法、三台阶临时仰拱法、CRD法等。全断面法适用于I、II级围岩施工，台阶法适用于III级围岩施工，三台阶法适用于IV级围岩施工，三台阶七步开挖法适用于V级围岩施工，三台阶临时仰拱法适用于V级围岩浅埋、偏压、断层破碎带、中等膨胀性泥沙岩、土质地层暗挖地段施工。支护方式一般使用：锚喷、锚网喷、锚喷网架、锚喷网架注浆、钢架支护、钢筋混凝土支护、注浆加固和预应力锚索支护等方式，在实际应用中，联合支护，多次支护等形式是经常采用的，下面，我们从隧道的开挖与支护技术角度，进行重点的分析讨论。
在围岩可以保持稳定的情况下，减少对围岩的扰动，选择恰当的开挖方法和掘进方式，并将挖掘进度尽量提高，这就是隧道开挖的基本原则。在开挖和掘进方式的选择时，应该考虑到隧道围岩地质条件及其变化情况，选择的方法要能适应地质条件及其变化，也要能保证围岩的稳定性，同时应该保证快速掘进和减少对围岩的扰动。开挖成形方法就是隧道开挖方法，从开挖隧道的横断面分部情形来分，可以将开挖方法分成以下几种全断面法、台阶法、三台阶法、三台阶七步开挖法、三台阶临时仰拱法、CRD法等。将设计断面分上半断面和下半断面两次开挖成型，也有采用台阶上部弧形导坑超前开挖的方法称为台阶开挖法。这种方式适用于含软弱夹层带或节理发育地段的III、IV、V级围岩。台阶法细分又可以分成：三台阶法、三台阶七步开挖法、三台阶临时仰拱法。是由台阶法变化来的主要应用在采用短台阶法开挖遇到土质、涌水、掌子面坍塌等段落。特点是，施工的调整很小，是在遇到短距离围岩变化的时候可以最先采用的方式，对施工安全性能的提高很有帮助，缺点是工序比较多，进尺一般不超过米，比较短。
3隧道机械化施工工艺流程
矿山法隧道机械化施工设备整合了凿岩台车、悬臂掘进机、扒渣机等多种隧道施工工程机械的功能，具备简单灵活的整体造型，实现机械化施工的工序包括超前小导管打设，台阶土方开挖及渣土外运，格栅槽位铣剖和格栅辅助架设，其施工工艺流程如图1所示。
图1 机械开挖工艺流程
4机械化开挖方法
机械开挖隧道采用环形开挖留核心土法，台阶长度不小于4m，台阶高度2.87m，核心土长度不小于1.5m，高度不低于1.5m（图2）。使用机械左右臂相互配合，挖铲挖土出土，铣剖头修面掏槽。按机械开挖流程，关键的施工步序如下。
图2机械开挖示意
（a）纵剖面；（b）横剖面
4.1超前小导管打设
利用隧道机械开挖装备右臂锚杆机，完成工作面超前小导管打设（图3）。超前小导管打设按“先拱顶、后两侧”方法进行，钻孔前应根据设计要求和围岩条件定孔位并做出标记，每根超前小导管打设完成后须及时进行注浆作业。对粉土和粉质粘土地层使用静压方式进行打设；在含卵石地层中使用振动自转式设备进行。超前小导管打设完毕后，采用夹紧装置夹紧小导管，反转打锚杆机构使超前小导管和打锚杆机构分离。
图3 钻孔与超前小导管打设
钻孔；（b）打设超前小导管
4.2土方开挖
土方开挖顺序为从上至下，在拱顶处应先开挖中部后开挖两侧，仰拱处应先开挖两侧后开挖中部，开挖步距不大于750mm。粘土和粉土地层采用铣刨头切割土体，粉细砂及砂卵石辅以人工开挖、机械臂出土（图4，5）。使用铲斗开挖侧壁格栅槽和仰拱格栅槽时，严禁碰撞初支隧道壁面。
图4 土方开挖
图5 出土
4.3 格栅/拱架安装
使用浅埋暗挖装备右臂铣刨头完成环形拱部铣槽作业（图6），利用左臂辅助人工安装格栅拱架（图7），使用浅埋暗挖装备自带混凝土喷射机或独立湿喷机进行喷混作业。
图6铣槽
图7 钢拱架安装
初期支护施工后应及时对初支背后进行充填注浆。注浆孔沿通道拱部和边墙布设，环向间距为起拱线以上2.0m、边墙3.0m；纵向间距为3.0m，拱部应有1个注浆孔。注浆分两次进行，第一次距开挖面3~5m，为低压注浆，注浆压力根据浆液从开挖面溢出控制；第二次距开挖面8~10m，为饱压注浆，注浆压力0.3~0.5MPa，根据监测情况可多次补充注浆。
4.4 监控量测
根据工程特点及施工情况进行的监测项目为地面沉降、拱顶下沉、隧道收敛。隧道中心线地面沉降历时曲线显示，导洞开挖过程中地表沉降较大，随后逐渐收敛，最终稳定在48mm左右（图8）。
图8地面沉降历时曲线
左右两洞室拱顶下沉的一般规律是测点布置完成后，在15~20d内拱顶沉降值逐渐趋于稳定，最终稳定值约为20mm（图9）。
图9 导洞拱顶沉降历时曲线
隧道4个导洞内的净空收敛最大值达到9mm，最终稳定值均在4mm左右。监测结果满足规范要求，表明机械开挖隧道是安全可控的。
5结语
城市轨道交通矿山法隧道机械化施工适用于粘性土、砂卵石等多种地层条件，其各道工序（包括小导管打设、土方开挖、渣土外运、拱架架立等）全部为机械化施工。使用机械替代人力施工，可大幅降低作业人员的劳动强度，且作业环境良好；该工法施工效率高，日均进尺速度为人工的1.5~2倍且安全可靠。地面沉降、拱顶下沉、隧道收敛的监测结果证明，采用该法施工的隧道满足规范要求，表明机械开挖隧道是安全可控的。
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论文作者:李立
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/22
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