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摘 要 介绍了原地矿系统坑探工程从创建至今的队伍发展情况，以及在实现机械化、推广应用新技术，研究新工艺、新方法、新设备等方面的情况。
关键词 坑探工程 开挖衬砌技术 监测方法
New Advances of Tunnel Engineering in Reformation
Li Xinghua (Office of Engineering Prospecting and Construction Management, MGMR, Beijing, 100812)
Abstract Introduction is made on the development from the beginning to this day about tunnel engineering of geology and minerals system, as well as the situation of realizing mechanization; popularizing and applying latest technique; studying new technology, new methods, new equipments and so on.
Key words tunnel engineering, excavating lining technique, monitoring method
1957年，坑探工程随中国第一个探矿工程专业科研机构地质部勘探技术研究所的成立而诞生，当时模仿前苏联模式称之为山地研究室。从创建至今，经历了从无到有，从小到大，从完全人工、半机械化、机械化到综合机械化作业的一系列进程。并以各地质队中的坑探小分队形式逐步形成了一支支以小型坑探机械化为特色、颇具实力的地质勘探坑探工程专业队伍。
进入80年代中期，计划内地质坑探工作量由原来最高年进尺25.6万m下降到6.5万m，为此，大多数队伍要面向市场找工程，而市场工程又大大超出原有坑探工程的范畴，因此，坑探工程专业队伍必须以自身的人才、技术和装备优势，根据需要迅速调整，由国家计划小断面巷道工程技术向交通、水利、水电、国防等大中型隧道(洞)工程，以及环境治理、土石方工程、城市控制爆破、市政设施等领域拓展。
1 专业队伍建设与发展
在市场经济的大形势下，原有的坑探专业队需要确立新的发展目标，重新调整队伍结构，充实新的内容。辽宁坑探工程大队于1985年开始逐步转向市场，以技术精湛、质量优秀、管理严格赢得了市场，换来了社会信誉，目前已发展成为一个完全独立的经济实体辽宁井巷建筑工程公司。
80年代初，浙江省地矿局发挥坑探技术优势，率先承接并完成了原地矿部第一个具有较大影响的社会工程项目西湖环境治理引水工程，工程施工受到联合国专家诺因的好评。以后几经周折，于1992年4月结合产业结构调整，集中坑探专业力量成立了浙江省隧道工程公司。该公司先后完成了国家、省、重点建设项目宁波北仑电厂二期扩建灰管隧道工程、杭州4193国防洞库及杭州西区水厂输水工程等20多项。公司的年产值从成立初期的250多万元增加到1997年的8000多万元，为国家和地方的经济建设发展做出了很大的贡献，同时也使自身队伍发展壮大，目前已成为一支能征善战的隧道施工队伍。被誉为能吃苦、敢打硬仗的地下尖兵。
河北省地矿局第二、第五地质大队相继成立专业化公司唐山工程施工公司和冀东工程施工公司。云南、湖南、四川等省地矿局的坑探队伍也都发展成了适应市场需要的专业化公司。在队伍建设方面都得到了很好的发展。
2 新技术、新工艺的发展
现代市场经济归根到底是技术之争。在走向市场的同时，要以市场为导向，以技术进步为依托，以提高施工质量和经济效益为目标，走技术密集型道路，尽可能提高科学技术含量，达到低消耗、低成本、高质量、高效益，才能增强市场的应变和竞争能力。
坑探工程由计划经济时期施工的小型探矿坑道，拓展为铁路、公路、国防、水利、水电等大中型隧道(洞)，断面范围为4～223.5m2。这在技术方法上要有新的飞跃。辽宁井巷建筑工程公司充分重视国内外隧道工程总体发展趋势，对钻爆法做了大量研究工作，对每个具体工程力求施工机械化，合理选择开挖方法，提高掘进衬砌速度，严密组织施工，在确保工程质量的前提下，先后完成了本溪八盘岭、延吉小盘岭、北京鹰山、河北引青济秦、吉林两江电站、朝阳发电厂等多个大中型隧道1.2万m。在开挖方法上达到了国内领先，成巷速度也相当于铁道部90年代初期水平，同时也代表了原地矿部坑探技术水平。下面介绍几种开挖、衬砌、加固技术方法。
2.1 开挖技术
2.1.1 北京鹰山特大断面隧道开挖技术
鹰山隧道属于北京铁路西客站枢纽改建工程的咽喉部分，隧道最大开挖跨度19.82m，最大开挖高度13.25m，最大开挖断面223.5m2，是我国目前最大的三线电气化铁路隧道。
由于隧道断面特大，地质条件差，埋深仅2～15m，埋深与跨度之比只有0.1～0.75,属特浅埋；开挖断面拱部矢跨比为0.22，拱部最小矢跨比为0.13，属特扁平结构。因此，隧道成洞条件极差，所以原设计用双侧壁导坑法13步成巷。
因用双侧壁导坑法开挖断面小，不能用大型设备，无疑会影响施工速度，另外，临时支护多，成本增加很多。为提高施工速度，降低成本，经过方案类比、论证，采用了正台阶弧形导坑法6步成巷(如图1)，为保证弧形导坑法的实施，采取了以下技术措施：
图1 正台阶弧形导坑法施工顺序图
(1)弧形导坑法开挖上台阶；(Ⅱ)施做格栅支撑；
(3)拉槽；(4)开挖马口；(Ⅴ)施做格栅支撑；(Ⅵ)施做二次衬砌
(1)以"新奥法"施工原则指导施工，保护围岩，充分利用围岩的自承能力。①控制爆破，包括光面爆破、光面导向孔爆破法等；②锚(超前、径向)、网、格栅拱、模喷复合支护；③围岩监控量测。
(2)上台阶开挖留核心土，防止了工作面坍塌。
(3)下台阶实行马口开挖，防止了上部格栅拱下沉。
(4)拱脚锚杆加固。
实践证明，在施工中时刻贯彻"超前锚，短进尺，弱爆破，强支护，勤量测，快封闭"的18字施工原则，抓好各工序的衔接，正台阶弧形导坑法6步成巷技术在特浅埋三线隧道中应用是成功的。不但确保了安全生产，还缩短工期2个月。在钻爆法开挖技术工艺上达到了世界先进水平，这在国内外同类工程中也是少有的。
2.1.2 小盘岭公路隧道开挖技术
该隧道原设计采用下导坑10步成巷，后改为3步成巷(图2)，在光面爆破法尚难保持拱部岩石稳定的前提下，研究试用光面导向孔爆破法及双光面层爆破法，爆破后立即进行喷锚初期支护(包括拱脚锚杆加固)，保证了拱部岩石的稳定，做到了全断面一次开挖成洞成功，保证了安全生产。经计算，该工程应用全断面开挖一次成洞缩短工期3个月，在开挖方法上达到国内领先水平。 |
图2 3步成巷示意图
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2.1.3 明挖改暗挖
引青济秦隧洞(全长7100m)小暖泉沟段全长130m,埋深3.9m，岩性为薄层状泥质页岩，围岩自稳时间仅30min，原设计方案为明挖。由于明挖占用土地多，费用高，工期长，市领导希望改洞挖。我们用人工和爆破结合的开挖方法，合理利用平衡拱原理，及时进行喷、锚、焊接钢筋网，进行初期支护，各工序紧密配合及时封闭，取得了洞挖成功。在同类条件下，国内外尚无洞挖成功的先例。
根据实践，一般在单双线隧道断面＞120m2，且用锚、喷或锚、网格栅拱、喷初期支护时宜采用全断面法或正台阶法开挖；在双线或多线隧道断面＞140m2时可采用正台阶法、侧壁导坑法。
2.2 衬砌及拱架型式选择
拱架是模注衬砌的重要组成部分，拱架型式直接影响着衬砌速度、质量、成本和劳动强度。因此如何合理选择拱架型式和研究各种新型拱架也是每个施工单位取得成功的重要组成部分。现将应用成功的几种型式介绍如下：
(1)组装式拱架。结构如图3所示，这种拱架制造成本低，拱圈可根据工程、材料情况制造成木拱圈、钢板焊接、角钢焊接、槽钢等多种。容易加工，安装、拆卸方便，一般适用于断面＜30m2的工程。该项技术在营口和引青济秦引水工程中已成功应用。 |
图3 组装式拱架
| (2)桁架式拱。结构如图4所示，净空大掘进、衬砌可平行作业，适用于断面＜60m2、工程量＜400m的工程。 |
图4 桁架式拱架
(3)管柱组装衬砌拱架。结构如图5所示，四管柱由4根 38mm钢管焊制，其截面规格为300mm×300mm，拱圈由2号工字钢弯曲而成，各管柱均由38mm钢管联成一体。为防止砼侧压造成侧壁跑模，对侧壁四管柱采取木斜撑。根据断面规格的不同，适当改变四管柱的排数即可组装衬砌拱架。该结构可拆性好，适用工作量少、断面规格多变的隧道工程，如北京鹰山三线铁路隧道。 |
图5 管柱组装衬砌拱架
1-四管柱；2-横向连接管；3-纵向连接管；
4-拱圈；5-模板；6-千斤顶；7-格栅拱
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(4)钢模台车。浙江省隧道工程公司研制生产的全液压砼衬砌钢模台车自身强度高，保证施工安全，能够自行，减小劳动强度，衬砌速度快。在断面50多m2的寨头岭隧道使用时，衬砌速度最高达150m/月。一般在双线隧道工作量＞400m、断面＜60m2的工程中使用经济合理。
2.3 预加固技术
隧道(洞)施工若在地质条件较差、埋深较浅且属Ⅰ～Ⅲ类围岩的条件下，开洞、成洞极为困难。施工采取如下技术：
(1)注、锚、喷预加固。本溪八盘岭公路隧道断面80多m2，埋深仅16m，口部地质条件差，属Ⅰ～Ⅲ类围岩，且仰坡陡，原施工单位几次进洞失败。辽宁坑探工程大队根据兄弟单位的经验教训进行类比，并经过详细计算，决定对进口上部的仰坡采用注、锚、喷预加固进行施工，特别是采用注浆预加固后将节理裂隙发育的岩层胶结成一定强度的较完整的壳体。保证了开口施工顺利进行。实践证明，此法是攻克软弱围岩较为有效的一种方法。
(2)长管棚预注浆法。该法是一种临时强大的超前支护措施，管棚与围岩形成一体的防护顶棚，对防止初期松驰、地压扩大、土体坍落等有着明显的效果。其施作要点是开挖后立即进行喷锚及二次支护，避免形成悬臂梁或悬空梁，有效抑制了围岩松驰和地表沉陷。此方法1988年已成功地用于延吉小盘岭公路隧道。
1992年在杭州西区水厂输水隧洞第Ⅲ标段(出口段)，需从杭徽公路下斜交65°穿过，公路路面下1.6m处有600、300mm的自来水管2根，以及通信主电缆。在管线不损坏、交通不中断的情况下，浙江省隧道工程公司与原地矿部机械电子研究所合作，使用土星881型双动力头全液压多功能钻机施工，采用"大直径长管棚法"成功地穿越了杭徽公路。这在南方浅埋软基隧洞中施工亦不多见。
2.4 钢纤维喷砼新技术
钢纤维喷砼是在砼中加入一定量的钢纤维，以提高其抗拉、抗剪、抗折强度，用来取代钢筋网喷砼。由于钢纤维喷砼具有抗裂性能好，韧性强，在抗渗、防腐方面均有较大提高的特点，经试块鉴定，与不掺钢纤维的同级砼相比，钢纤维喷砼的抗压、抗剪强度可提高5%～10%，抗弯强度提高30%～90%，抗冲击强度为普通砼的3.6～6.3倍。且可以通过调整钢纤维厚度达到不同程度设计要求，可代替锚杆加素砼和挂网的繁琐手段。此项新技术已成功地用于杭州西区水厂输水隧洞、金温铁路及排山楼金矿开拓巷道上，其优越性得到进一步证实。
2.5 隧道围岩变形监测、预报技术
岩体变形与其强度、地质构造、地应力、地下水、施工方法等密切相关。在松软复杂地层条件下，施工安全问题随时可能发生，直接影响工程的进度和质量。因此必须通过详细勘察，精心设计、施工，进行开挖现场监测，采取有效措施防止灾害发生，以获得隧道工程施工最安全、最经济的效果。
围岩的失稳形式在隧道及地下硐室开挖过程中表现为冒顶、片邦或塌方。在"新奥法"基础上，我国已形成了一套信息化设计与施工方法，在地矿系统称为"测控方"。其原理是根据各种现场量测数据与地质资料，分析判断爆破后围岩松动范围及围岩支护结构的受力和稳定状态，预测变形发展趋势，预报险情，从而修改设计，指导安全施工。
原地矿部探矿工艺研究所科研人员经过十几年的现场测试和研究，总结出以下几种隧道施工围岩变形失稳灾害的预报方法：(1)工程地质分析预测法；(2)根据变形量大小或预计变形值来判断；(3)变形速率判定法；(4)位移时间曲线形态判定法(加速度法)；(5)围岩与支护动态相互作用的稳定性判据法。
该所曾与很多施工单位合作，应用上述方法开展边坡与隧道围岩的监测预报，预报准确率达90%以上，特别是1993年在云南安楚公路2、3号隧道施工中，成功地预测了冒顶、大塌方险情，通知工地撤离后不到半小时，600m3的大面积冒顶发生，由于预测准确，报告及时，避免了一场重大的人机伤亡事故发生。
用于隧道围岩监测的常用仪器有10多种，其中一部分是该所自行设计制造的，如激光断面测量仪、MS1型锚索测力系统及各类收敛计等。
3 结语
改革开放以来，坑探工程在市场竞争中取得了长足进步，除上述内容外，在独头长巷通风、长巷高压电进洞，短浅、中深坑道专用设备研制，砼输送泵、湿喷砼设备，全液压凿岩钻车、铲运机、喷砼机械手，控制爆破技术等方面都取得了一定成绩。
坑探工程技术在市场经济条件下，跻身于隧道及地下工程施工领域，取得了很大的成绩，但与其他部门尤其与铁道建设大军相比，无论从资金储备，设备配置、队伍规模及全面施工技术等方面，我们还相差甚远，与国际同行业差之更远。
例如：TBM全断面掘进机的应用是隧道工程施工的发展方向，更是世界发展的趋势，而我部系统还是空白。今后对这样的新技术，有机会应尽量争取参与，有条件时更应该争取科研立项。
在世纪之交即将到来之际，在新一轮地质大调查工作中，坑探技术必将起到不可替代的作用。因此，应事先做好各方面的储备工作。总之，在奔向21世纪的进程中，我们更要继续努力，促进坑探工程技术进一步发展，为新时期地质找矿、国土资源大调查和国民经济建设做出更大的贡献。
注：本文得到了辽宁井巷工程公司、浙江省隧道工程公司、原地矿部探矿工艺研究所等单位的大力支持，在此一并感谢。
作者简介：李星华：女，原地矿部工程勘察施工管理办公室，高级工程师；毕业于北京钢铁学院矿机专业；参加过多项坑探机械化配套设备的研制和推广工作，现主要从事技术管理工作。
作者单位：地址：100812 北京市阜内大街64号；电话：010-66165566转8426。
4 参考文献
[1] 方德平，陆国芳，杨刚.北京鹰山特大断面隧道开挖新技术.探矿工程，1994，(2).
[2] 杨惠林，方德平.隧道施工方法探讨(下).探矿工程，1994，(3).
[3] 胡时友，方德平.隧道围岩变形监测、预报及防治技术.第四届全国坑探工程学术会议论文集，1997.
[4] 赵国法.钢纤维喷砼新技术.第四届全国坑探工程学术会议论文集，1997. |
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