水利水电职业技术学院教师授课教案课程名称：水利水电工程施工技术 200 年至200 年第学期第 38 次课图11-2 全断面开挖机械化程序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。
（一）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11-5不挖马口的先拱后墙法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，图11-7 隧洞炮孔布置图（二）炮孔数目和深度隧洞开挖断面上的炮孔总数N与岩石性质、炸药品种、临空面数目、炮孔大小和装药方式等因素有关。
对炮孔数目，由于影响因素多，精确计算尚有困难，施工前可采用下面经验公式估算，在爆破过程中再加以检验和修正。
N＝fSK（11-1）式中Ｋ－临空面影响系数，一个临空面取2.7，两个临空面取2.0；ｆ－岩石的坚固系数；Ｓ－开挖断面面积，m2。
炮孔深度应考虑开挖断面尺寸、围岩类别、钻孔机具、出渣能力和掘进循环作业时间等因素确定。
一般情况下，加大炮孔深度后，装药、放炮、通风等工序所占用的时间将相对减少，单位进尺的速度可以加快。
但是钻孔深度加大后，钻机凿岩速度会有所降低，炮孔利用率将相对减少，炸药消耗量会随之增加，一次爆落的岩石数量增加，出渣时间也相应增加。
故加大炮孔深度的多少，应进行综合分析后确定。
为简单起见，一个工作循环进尺深度可参照下列原则确定：当围岩为Ⅰ～Ⅲ类时，风钻钻孔可取1.2m，钻孔台车钻孔可取2.5~4m；当围岩为Ⅳ～Ⅴ类时，不宜超过1.5m。
掏槽孔和周边孔的深度可根据崩落孔的深度确定。
（二）装药量隧洞开挖，装药量的多少直接影响开挖断面的轮廓、掘进速度、爆落岩体的块度、围岩稳定和爆破安全。
施工前可按下式估算炸药用量，并在施工中加以修正。
Ｑ＝KSL（11-2）式中Ｑ——一次爆破的炸药用量，kg；Ｋ——单位耗药量，kg/m3，可参考表11-2选用；Ｓ——开挖断面面积，m2；Ｌ——崩落炮孔深度，m。
表11-2 隧洞开挖单位炸药（2号硝铵炸药）消耗量(单位:kg/m3)工程项目岩石类别软岩(f<4)中硬岩(f=4~10)坚硬岩(f=10~16)特硬岩(f＞16)导洞面积4~6m2面积7~9m2面积10~12m21.501.301.201.801.601.502.302.001.802.302.502.25 扩大0.60 0.74 0.95 1.20 挖底0.52 0.62 0.79 1.00图11-8 门框形木支撑图11-9 钢支撑（四）装渣运输装渣与运输是隧洞开挖中最繁重的工作，所花时间约占循环时间的50~60%，是影响掘进速度的关键工序。
因此，应合理选择装渣运输机械，并进行配套计算，做好洞出渣的施工组织工作，确保施工安全，提高出渣效率。
隧洞出渣常见的装运方式有：1、人工装斗车出渣这种方式适用于隧洞断面较小，机械化程度不高的情况。
人工装渣，要求爆落岩石块度很小。
为了减轻装渣的劳动强度，可在装渣地点铺上钢板，使岩石爆落于钢板上，以利用铁铲装车；当采用下导洞开挖时，上导洞可利用漏斗棚架出渣（图11-6）；当采用上导洞开挖时，上导洞可用活动工作平台车出渣（如图11-10）。
图11-10 工作平台装渣2、装岩机装渣、机车牵引斗车或矿车出渣这种出渣方式适用于开挖断面较大的情况。
装岩时可采用0.4~1.0m3的装岩机（图11-11、图11-12），装岩斗车或矿车可由电气机车或电瓶车牵引。
当运距近、出渣量少时，也采用人力推运或卷扬机牵引运输。
根据出渣量的大小可设置单线或双线运输。
单线运输时，每隔100~200m应设置一错车岔道，岔道长度应够停放一列列车，如图11-13所示；双线运输时，每隔300~400m应设置一岔道，以满足调车要求，如图11-14所示。
堆渣地点应设置在洞口附近，其高程较洞口低，以便重车下坡，并可利用废渣铺设路基，逐渐向外延伸。
图11-11 0.4m3风动铲式装岩机图11-12隧洞1m3短臂正向铲图11-13单线调车示意图图11-14 双线调车示意图这种装运方式适用于大断面隧洞开挖。
装岩采用斗容量为1~3m3的装载机或液压正铲，自卸汽车洞运输宜设置双车道，如设置单车道时，每隔200~300m应设错车道，运输道路要符合矿山道路的有关规定。
（五）隧洞开挖的辅助作业隧洞开挖的辅助作业有通风、散烟、防尘、防有害气体、供水、排水、供电照明等。
辅助作业是改善洞劳动条件、加快工程进度的必要保证。
1、通风与防尘通风和防尘的主要目的是为了排除因钻孔、爆破等原因而产生的有害气体和岩尘，向洞供应新鲜空气，改善洞温度、湿度和气流速度。
（1）通风方式通风方式有自然通风和机械通风两种。
自然通风只有在掘进长度不超过40m时，才允许采用。
其他情况下都必须有专门的机械通风设备。
机械通风布置方式有：压入式、吸入式和混合式三种，如图11-15所示。
压入式是用风管将新鲜空气送到工作面，新鲜空气送入速度快，可保证及时供应，但洞污浊空气是经洞身流出洞外；吸入式是将污浊空气由风管排出，新鲜空气从洞口经洞身吸入洞，但流动速度缓慢；混合式是在经常性供风时用压入式，而在爆破后排烟时改用吸入式，充分利用了上述两种方式的优点。
图11-15 隧洞机械通风方式（2）通风量通风量可按以下要求分别计算，并取其中最大值，再考虑20%~50%的风管漏风损失。
1）按洞同时工作的最多人数计算，每人所需通风量为3m3/min；2）按冲淡爆破后产生的有害气体的需要计算，使其达到允许的浓度（CO的允许浓度应控制在0.02%以下）；3)按洞最小风速不低于0.15m/s的要求，计算和校核通风量。
（3）防尘、防有害气体除按地下工程施工规定采用湿钻钻孔外，还应在爆破后通风排烟、喷雾降尘，对堆渣洒水，并用压力水冲刷岩壁，以降低空气中的粉尘含量。
2、排水与供水隧洞施工，应及时排除地下涌水和施工废水。
当隧洞开挖是上坡进行、且水量不大时，可沿洞底两侧布置排水沟排水；当隧洞开挖是下坡进行或洞底是水平时，应将隧洞沿纵向分成数段，每段设置排水沟和集水井，用水泵排出洞外。
对洞钻孔、洒水和混凝土养护等施工用水，一般可在洞外较高处设置水池利用重力水头供水，或用水泵加压后沿洞铺设的供水管道送至工作面。
3、供电与照明洞供电线路一般采用三相四线制。
动力线电压为380V，成洞段照明用220 V，工作段照明用24~36 V。
在工作较大的场合，也可采用220 V的投光灯照明。
由于洞空间小、潮湿，所有线路、灯具、电气设备都必须注意绝缘、防水、防爆，防止安全事故发生。
开挖区的电力起爆线，必须与一般供电线路分开，单独设置，以示区别。
四、循环作业施工组织开挖循环作业是指在一定时间，使开挖面掘进一定深度（即循环进尺）所完成的各项工作。
循环时间。