市政隧道超欠挖原因及控制措施

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摘要：采用人工钻爆法进行隧道开挖施工，超欠挖是施工中不可避免的现象，也是施工质量和施工成本管理上的难点问题，以泉州南安芯谷市政项目扬子山隧道为背景，通过分析隧道超欠挖产生的原因，提出了减小或降低隧道超欠挖程度的措施，用以强化隧道管理，提高工程实体质量、加快作业进度、降低施工成本、提高经济效益。

关键词：隧道；超欠挖；原因分析；控制措施

1工程概况

泉州南安芯谷市政项目扬子山隧道设计等级为城市主干路，设计速度50km/h，隧道布设形式为分离式双向6车道+人行和非机动车道。隧道内轮廓宽度为15.87m，Ⅴ级围岩浅埋段开挖跨度达18m以上，属于超大断面隧道施工。隧道左线起止里程为X1K0+292～X1K0+870，长度为578m，V级围岩长度140m，Ⅲ级围岩长度438m；隧道右线起止里程为K4+369～K4+925，长度为556m，其中V级围岩长度136m，Ⅲ级围岩长度420m。隧道进、出口以中风化花岗质混合岩为主，浅埋段采用双侧壁导坑法组织开挖；洞身段围岩主要为中风化花岗质混合岩，岩体较完整，自稳能力较好，采用上下台阶法组织施工[1]。

2影响隧道超欠挖的因素

2.1测量放线影响分析

测量是验证和控制超挖的基础，往往在实际施工中由于测量精度不高或操作不规范等原因导致超欠挖现象严重，甚至发生测量事故。测量放样影响超欠挖的因素具体表现在以下几点：①控制点制作精度不高，或较长时间未进行复测，实际由于环境变化等原因已出现较大偏差；②所用测量仪器自身精度较低，或仪器未按要求及时校核，实际精度不能满足使用要求；③未在开挖轮廓线上按周边眼的设计孔位放样或打点密度不够而产生钻孔孔位误差；④现场测量人员责任心不强或经验不足，未能根据具体围岩情况进行动态调整，导致连续超挖或连续欠挖，甚至一循环超挖，一循环欠挖的现象交替出现。

2.2钻眼精度影响分析

采用钻爆法掘进施工的隧道，钻眼精度是影响超欠挖的关键技术环节。超欠挖值H的大小与炮孔外插角ɑ、钻孔深度L和开孔位置高差值E之间的关系如式（1）所示：H=E+L×tan(ɑ)（1）拱部超欠挖值计算还需考虑隧道纵坡i%(纵坡与水平夹角为θ）的影响，计算公式如式（2）所示：H=E+L×[tan（ɑ）±tan（θ）]（2）当钻孔开口位置在设计轮廓线（按设计预留变形量）上时，E取零，在设计线以上取正值，否则为负值。钻孔开口位置示意图见图1。根据图1、式（1）、式（2）可知：外插角ɑ越大，钻孔深度L越长，超欠挖值H则越大；深度L根据循环进尺需求取值，外插角ɑ则与作业平台、钻孔工具及司钻工的操作水平等有一定影响关系。（1）人工钻爆法施工一般使用自制台架作为作业平台，施工时平台高低会直接影响拱部周边眼外插角ɑ大小，当平台位置过低或过高超过司钻工容易操作范围时，会导致钻机及钻杆产生上扬或下垂的角度，往往造成超挖或欠挖。（2）人工钻爆法施工所用YT28气动凿岩机的配套钻杆为锰钢材质，强度高、韧性好，但钻杆过长时受重力影响会在钻杆中部出现明显下弯现象，整个钻杆呈现出向下的弧线状。现场施工时，钻工为了方便直接使用长度3m以上的钻杆进行钻孔,钻杆端头会在开口位置形成较小的上扬角度，影响外插角ɑ的大小。（3）有经验的司钻工会综合考虑纵坡、作业平台高度及钻具性能等因素对外插角ɑ的影响，以便较准确地操作钻机、控制角度；相反，经验不足的司钻工进行周边眼钻孔施工，会有较大的超欠挖控制风险。

2.3爆破技术影响分析

爆破产生超欠挖的主要原因为爆破设计不当或未按既定方案施工：（1）设计不当主要体现在周边眼间距、装药量和装药结构几个方面，表现为孔距与最小抵抗线不匹配，单位炸药消耗量取值不合理，周边孔不耦合装药系数或大或小(合理的不耦合系数应使爆炸后作用在孔壁上的压力低于岩石的动抗压强度，而高于其动抗拉强度[2]。（2）未按既定方案施工主要为现场管理问题，周边眼布控间距不符合设计要求、装药结构不合理等引发炮孔壁超爆破坏或局部未爆出的现象，从而导致超欠挖；另外，作业人员担心达不到爆破效果而往往私自增加周边孔的装药量致使超挖，甚至出现局部坍塌的情况。

2.4地质条件影响分析

地质条件是客观条件，是确定爆破参数的基础依据，也是影响超欠挖的最主要因素。扬子山隧道施工从出口端进洞向进口方向掘进，施工至右洞K4+900～K4+886和K4+873～K4+862段，左洞X1K0+815-791段时，岩层出现倾角约20°泥砂夹层，并随着施工向前掘进及埋深不断增大，此岩层产状由拱脚位置逐渐向拱顶方向上升。（1）此岩层产状在拱腰以下部位时，对超欠挖影响不是很大，爆破时会沿倾角方向出现挂口，造成局部小面积的超挖。（2）此岩层产状移动至拱顶时，其影响效果就不容轻视，爆破之后，泥质砂岩夹层在失去支撑的情况下，出现较大较明显的掉块现象，超挖主要由上方的泥质砂岩的厚度和位置控制。（3）软弱围岩或不良地质地段较大的炮孔间距、较大的循环进尺和较大的单孔装药量易造成超挖，甚至引发垮塌。（4）节理较发育围岩地段，爆破作业后由于围岩应力的释放，会造成岩石节理张开。随着围岩原始稳定性的破坏，石块脱落岩层，在敲帮问顶时形成一定范围的坍塌或剥落，从而造成超挖[3]。

3超欠挖控制措施

3.1加强量测，精确布控

施工中，应尽可能选用高精仪器，并在规定期限内进行校核；洞外控制点须定期复测，确保基准点的精度要求；每循环开始均须进行放样，布控点位依照周边孔眼设计间距沿轮廓线依次测设；每循环开挖后及时进行断面扫描，为下循环开挖放线提供数据参考。

3.2强化管理，提高钻眼精度

上岗前应加强对司钻人员的教育培训，使其熟悉钻爆设计的相关设计参数，安排有经验的钻工进行周边孔操作，实行定人、定钻、定眼的方法并结合奖惩制度进行现场管控；操作平台及开挖台阶的高度应充分考虑司钻人员的身高情况，保证其在合理的高度范围内进行钻机操作；周边眼钻孔时，单孔深度超过3m时，应先采用长度≤2m的钻杆进行初钻，初钻完成后再换更长的钻杆钻至设计孔深。

3.3优化爆破设计，改善光爆效果

爆破设计时，仅依据经验或机械地照搬参数是难以有效控制超欠挖和提高爆破效果的。一般需要结合隧道实际的地质水文情况，采用工程类比法或现场试爆数值进行设计。实际施工中更需结合现场具体情况进行适当的动态调整，上一循环的光面爆破效果评价和分析，应为下一循环操作提供参考。隧道Ⅲ级围岩如图2所示，采用上下台阶法开挖。左洞上台阶开挖至桩号X1K0+710～X1K0+706.4时出现中风化煌斑岩，围岩节理裂隙发育，产生较大超挖现象。现场查勘后针对实际地质情况进行爆破参数调整，在X1K0+706.4～X1K0+704段掘进中超欠挖得到有效控制。开挖后使用断面仪对以上两个段落进行检测如表1所示。断面仪设置每0.5m一个测点（每个断面测45个点），通过断面展示软件计算出超挖量，再计算出该断面径向平均超挖值，X1K0+710～X1K0+706.4段计算超挖平均值18.1cm，X1K0+706.4～X1K0+704段计算超挖平均值5.7cm；经现场根据实际地质条件进行爆破参数动态调整后，每延米可以节省（0.181-0.057）×23=2.85m3的喷射混凝土。3.4重视地质条件，精准施策地质水文条件较差时，首先考虑辅助施工措施，采用超前锚杆或超前注浆小导管等对前方围岩进行预加固处理，防止开挖后掉块、坍塌；同时，控制单次爆破药量和循环进尺，减小对围岩的扰动；遇到拱部水平层或软弱围岩时，应适当缩小周边眼间距，减少单孔药量，采用空气间隔的方法进行全部或部分孔眼装药，并使用导爆索进行传爆；遇水施工且水量不大时，可在掌子面较低位置钻取排水孔眼，使用乳化炸药进行爆破。

4结语

钻爆法施工想要消除超欠挖是不可能的，只有通过加强管理、因地施策、不断提高作业精度等途径来尽可能控制或降低超欠挖的程度，以达到成本控制和提高经济效益的目的。

参考文献

[1]公路隧道施工技术细则：JTG/TF60—2009[S].北京：人民交通出版社，2009.

[2]陈文刚.有关隧道工程施工超挖的预防与控制的分析[J].城市建筑，2013（2）：112.

[3]宫平.隧道工程超欠挖的成因及防治[J].科技风，2012（1）：142.

作者：叶俊龙 单位：中交上航(福建)交通建设工程有限公司