市政隧道超欠挖原因及控制措施

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摘要：采用人工鉆爆法進行隧道開挖施工，超欠挖是施工中不可避免的現象，也是施工質量和施工成本管理上的難點問題，以泉州南安芯谷市政項目揚子山隧道為背景，通過分析隧道超欠挖產生的原因，提出了減小或降低隧道超欠挖程度的措施，用以強化隧道管理，提高工程實體質量、加快作業進度、降低施工成本、提高經濟效益。

關鍵詞：隧道；超欠挖；原因分析；控制措施

1工程概況

泉州南安芯谷市政項目揚子山隧道設計等級為城市主干路，設計速度50km/h，隧道布設形式為分離式雙向6車道+人行和非機動車道。隧道內輪廓寬度為15.87m，Ⅴ級圍巖淺埋段開挖跨度達18m以上，屬于超大斷面隧道施工。隧道左線起止里程為X1K0+292～X1K0+870，長度為578m，V級圍巖長度140m，Ⅲ級圍巖長度438m；隧道右線起止里程為K4+369～K4+925，長度為556m，其中V級圍巖長度136m，Ⅲ級圍巖長度420m。隧道進、出口以中風化花崗質混合巖為主，淺埋段采用雙側壁導坑法組織開挖；洞身段圍巖主要為中風化花崗質混合巖，巖體較完整，自穩能力較好，采用上下臺階法組織施工[1]。

2影響隧道超欠挖的因素

2.1測量放線影響分析

測量是驗證和控制超挖的基礎，往往在實際施工中由于測量精度不高或操作不規范等原因導致超欠挖現象嚴重，甚至發生測量事故。測量放樣影響超欠挖的因素具體表現在以下幾點：①控制點制作精度不高，或較長時間未進行復測，實際由于環境變化等原因已出現較大偏差；②所用測量儀器自身精度較低，或儀器未按要求及時校核，實際精度不能滿足使用要求；③未在開挖輪廓線上按周邊眼的設計孔位放樣或打點密度不夠而產生鉆孔孔位誤差；④現場測量人員責任心不強或經驗不足，未能根據具體圍巖情況進行動態調整，導致連續超挖或連續欠挖，甚至一循環超挖，一循環欠挖的現象交替出現。

2.2鉆眼精度影響分析

采用鉆爆法掘進施工的隧道，鉆眼精度是影響超欠挖的關鍵技術環節。超欠挖值H的大小與炮孔外插角ɑ、鉆孔深度L和開孔位置高差值E之間的關系如式（1）所示：H=E+L×tan(ɑ)（1）拱部超欠挖值計算還需考慮隧道縱坡i%(縱坡與水平夾角為θ）的影響，計算公式如式（2）所示：H=E+L×[tan（ɑ）±tan（θ）]（2）當鉆孔開口位置在設計輪廓線（按設計預留變形量）上時，E取零，在設計線以上取正值，否則為負值。鉆孔開口位置示意圖見圖1。根據圖1、式（1）、式（2）可知：外插角ɑ越大，鉆孔深度L越長，超欠挖值H則越大；深度L根據循環進尺需求取值，外插角ɑ則與作業平臺、鉆孔工具及司鉆工的操作水平等有一定影響關系。（1）人工鉆爆法施工一般使用自制臺架作為作業平臺，施工時平臺高低會直接影響拱部周邊眼外插角ɑ大小，當平臺位置過低或過高超過司鉆工容易操作范圍時，會導致鉆機及鉆桿產生上揚或下垂的角度，往往造成超挖或欠挖。（2）人工鉆爆法施工所用YT28氣動鑿巖機的配套鉆桿為錳鋼材質，強度高、韌性好，但鉆桿過長時受重力影響會在鉆桿中部出現明顯下彎現象，整個鉆桿呈現出向下的弧線狀。現場施工時，鉆工為了方便直接使用長度3m以上的鉆桿進行鉆孔,鉆桿端頭會在開口位置形成較小的上揚角度，影響外插角ɑ的大小。（3）有經驗的司鉆工會綜合考慮縱坡、作業平臺高度及鉆具性能等因素對外插角ɑ的影響，以便較準確地操作鉆機、控制角度；相反，經驗不足的司鉆工進行周邊眼鉆孔施工，會有較大的超欠挖控制風險。

2.3爆破技術影響分析

爆破產生超欠挖的主要原因為爆破設計不當或未按既定方案施工：（1）設計不當主要體現在周邊眼間距、裝藥量和裝藥結構幾個方面，表現為孔距與最小抵抗線不匹配，單位炸藥消耗量取值不合理，周邊孔不耦合裝藥系數或大或小(合理的不耦合系數應使爆炸后作用在孔壁上的壓力低于巖石的動抗壓強度，而高于其動抗拉強度[2]。（2）未按既定方案施工主要為現場管理問題，周邊眼布控間距不符合設計要求、裝藥結構不合理等引發炮孔壁超爆破壞或局部未爆出的現象，從而導致超欠挖；另外，作業人員擔心達不到爆破效果而往往私自增加周邊孔的裝藥量致使超挖，甚至出現局部坍塌的情況。

2.4地質條件影響分析

地質條件是客觀條件，是確定爆破參數的基礎依據，也是影響超欠挖的最主要因素。揚子山隧道施工從出口端進洞向進口方向掘進，施工至右洞K4+900～K4+886和K4+873～K4+862段，左洞X1K0+815-791段時，巖層出現傾角約20°泥砂夾層，并隨著施工向前掘進及埋深不斷增大，此巖層產狀由拱腳位置逐漸向拱頂方向上升。（1）此巖層產狀在拱腰以下部位時，對超欠挖影響不是很大，爆破時會沿傾角方向出現掛口，造成局部小面積的超挖。（2）此巖層產狀移動至拱頂時，其影響效果就不容輕視，爆破之后，泥質砂巖夾層在失去支撐的情況下，出現較大較明顯的掉塊現象，超挖主要由上方的泥質砂巖的厚度和位置控制。（3）軟弱圍巖或不良地質地段較大的炮孔間距、較大的循環進尺和較大的單孔裝藥量易造成超挖，甚至引發垮塌。（4）節理較發育圍巖地段，爆破作業后由于圍巖應力的釋放，會造成巖石節理張開。隨著圍巖原始穩定性的破壞，石塊脫落巖層，在敲幫問頂時形成一定范圍的坍塌或剝落，從而造成超挖[3]。

3超欠挖控制措施

3.1加強量測，精確布控

施工中，應盡可能選用高精儀器，并在規定期限內進行校核；洞外控制點須定期復測，確保基準點的精度要求；每循環開始均須進行放樣，布控點位依照周邊孔眼設計間距沿輪廓線依次測設；每循環開挖后及時進行斷面掃描，為下循環開挖放線提供數據參考。

3.2強化管理，提高鉆眼精度

上崗前應加強對司鉆人員的教育培訓，使其熟悉鉆爆設計的相關設計參數，安排有經驗的鉆工進行周邊孔操作，實行定人、定鉆、定眼的方法并結合獎懲制度進行現場管控；操作平臺及開挖臺階的高度應充分考慮司鉆人員的身高情況，保證其在合理的高度范圍內進行鉆機操作；周邊眼鉆孔時，單孔深度超過3m時，應先采用長度≤2m的鉆桿進行初鉆，初鉆完成后再換更長的鉆桿鉆至設計孔深。

3.3優化爆破設計，改善光爆效果

爆破設計時，僅依據經驗或機械地照搬參數是難以有效控制超欠挖和提高爆破效果的。一般需要結合隧道實際的地質水文情況，采用工程類比法或現場試爆數值進行設計。實際施工中更需結合現場具體情況進行適當的動態調整，上一循環的光面爆破效果評價和分析，應為下一循環操作提供參考。隧道Ⅲ級圍巖如圖2所示，采用上下臺階法開挖。左洞上臺階開挖至樁號X1K0+710～X1K0+706.4時出現中風化煌斑巖，圍巖節理裂隙發育，產生較大超挖現象。現場查勘后針對實際地質情況進行爆破參數調整，在X1K0+706.4～X1K0+704段掘進中超欠挖得到有效控制。開挖后使用斷面儀對以上兩個段落進行檢測如表1所示。斷面儀設置每0.5m一個測點（每個斷面測45個點），通過斷面展示軟件計算出超挖量，再計算出該斷面徑向平均超挖值，X1K0+710～X1K0+706.4段計算超挖平均值18.1cm，X1K0+706.4～X1K0+704段計算超挖平均值5.7cm；經現場根據實際地質條件進行爆破參數動態調整后，每延米可以節省（0.181-0.057）×23=2.85m3的噴射混凝土。3.4重視地質條件，精準施策地質水文條件較差時，首先考慮輔助施工措施，采用超前錨桿或超前注漿小導管等對前方圍巖進行預加固處理，防止開挖后掉塊、坍塌；同時，控制單次爆破藥量和循環進尺，減小對圍巖的擾動；遇到拱部水平層或軟弱圍巖時，應適當縮小周邊眼間距，減少單孔藥量，采用空氣間隔的方法進行全部或部分孔眼裝藥，并使用導爆索進行傳爆；遇水施工且水量不大時，可在掌子面較低位置鉆取排水孔眼，使用乳化炸藥進行爆破。

4結語

鉆爆法施工想要消除超欠挖是不可能的，只有通過加強管理、因地施策、不斷提高作業精度等途徑來盡可能控制或降低超欠挖的程度，以達到成本控制和提高經濟效益的目的。

參考文獻

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

[2]陳文剛.有關隧道工程施工超挖的預防與控制的分析[J].城市建筑，2013（2）：112.

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

作者：葉俊龍 單位：中交上航(福建)交通建設工程有限公司