超欠挖控制技術及其在宜萬鐵路隧道中的應用淺析

摘要:本文結合宜萬鐵路38標長5353m的廣成山隧道和長2417m的廟埡口隧道施工實踐，通過現場記錄觀察，分析了影響隧道超欠挖產生的五個主要因素，即圍巖地質條件、測量放線、鉆孔精度、爆破技術(包括爆破參數等)和現場管理等，并針對性地提出了控制隧道超欠挖所應采取的技術措施。從而有效控制隧道的超欠挖，減少了爆破對圍巖的擾動，加快了掘進速度，控制施工成本，取得較理想的爆破效果。

關鍵詞:隧道工程超欠挖因素分析控制爆破參數

中圖分類號:U45文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)03(a)-0098-02

就目前國內隧道工程施工發展趨勢而言，在今后相當長一段時間內，“新奧法”在隧道施工仍然是修建山嶺隧道的主流施工方法，其主導地位是其他施工方法所無法替代的。根據有關資料顯示，在鉆爆法施工的隧道中平均超挖值為38.7cm，最大能達到76cm。隧道的超欠挖會使隧道局部應力集中，圍巖的塑性區、變形量顯著增大;襯砌施工時因超挖回填導致砼不密實，使結構受力處于不利狀態，并且易積水，形成質量隱患。同時超挖會造成開挖輪廓不圓順，表面凹凸不平，造成局部應力集中，受力不均，對安全也極為不利，違背了隧道施工“愛護圍巖”的原則。事實上，圍巖自身的強度和穩定性，往往比回填混凝土好得多。要想將全部超挖用混凝土噴平，操作起來非常費勁，噴混凝土表面的不平順，會給掛設防水板帶來困難，難以掌握防水板富余量，造成襯砌時防水板緊繃而破裂，嚴重影響防水效果，隧道滲漏水是最難整治的病害之一。另外，大的超挖會在二襯施作時造成臺車偏壓，或者出現堵頭擠爆現象，嚴重影響襯砌的整體質量。同時，超挖引起多裝、多運碴土，超挖空間還要用混凝土或噴射混凝土回填，從而造成人工、工期和材料的超額浪費，致使工程成本增加。由此可見，有效控制巖石隧道爆破時的超挖問題對隧道施工的工程質量、安全進度產生及經濟效益有著深遠的意義。論文以宜萬鐵路第38標段兩座鐵路隧道，長5353m的廣成山隧道和長2417m的廟埡口隧道施工實踐，分析了影響隧道超欠挖產生的五個主要因素，并提出了控制隧道超欠挖所應采取的技術措施，直接指導了該兩座隧道的施工，取得了良好的效果。

1 廣成山和廟埡口隧道工程簡介

宜萬鐵路東起鴉宜鐵路花艷站(含)，西止達萬鐵路萬州站(含)。宜萬鐵路工程第三十八標段有隧道2座，總長7770m，其中廣成山隧道5353m，廟埡口隧道2417m。其中，廣成山隧道工程區屬構造剝蝕、侵蝕中低山區，地形起伏較大，局部地段呈陡崖，自然坡度約35～60°，坡頂大都呈渾圓狀，相對高差約200～400m，最高峰為廣成山，標高約1002m，山坡坡面植被較發育，坡頂多辟為旱地或經濟林帶，零星分布水塘和村舍。隧道進口段地形相對較平緩，出口段地形陡峻。隧道主要穿越的地質條件為:巖溶、煤層、順層、滑坡、斷層破碎帶和崩塌等不良地質。廟埡口隧道起訖里程為DK412+451～DK414+868全長2417m，隧道主要穿越的地質條件為:巖溶、地下涌水、順層、滑坡、斷層破碎帶和崩塌等不良地質。

根據《鐵路隧道設計規范》中的隧道圍巖分級方案的規定，結合物探解譯資料，綜合考慮隧道底板標高以上三倍洞徑范圍內的圍巖工程地質條件及巖土物理力學性質諸要素，對隧道圍巖進行工程地質分級，見下表1所示。

3 超挖原因分析

3.1 廣成山和廟埡口超挖原因分析

(1)圍巖地質條件:廣成山和廟埡口兩座隧道通過地段為構造剝蝕、侵蝕中低山區，基巖有砂巖、頁巖、泥巖等，節理發育，地下水不發育，隧道通過地段巖石級別為Ⅱ、Ⅲ、IV、V級。由于隧道圍巖情況復雜，節理、裂隙發育，巖體較破碎，且時常有地下水滲出，造成超欠挖很難控制，尤其是超挖現象比較嚴重。

(2)施工方法原因:①鉆孔精度太低。由于鉆孔作業覆蓋空間有限，以及受隧道形狀的影響，拱部范圍內的上仰角、兩側邊墻部位的外插角以及底板的下插角都相當難控制。對于鉆孔角度的控制，由于實際施工中除長大隧道之外的隧道基本上都采用的是鉆孔臺車人工鉆孔，其鉆孔角度的控制全憑操作人員的經驗，難度之大是不言而喻的。②裝藥結構不合理。根據圍巖情況選用合理的裝藥結構，可以減少由于爆破產生的振動和應力波對圍巖的破壞作用，因而有利于減少超挖，提高輪廓質量。

3.2 超挖預防與控制

(1)提高鉆孔精度:在光面爆破中，鉆孔產生的超挖量遠大于爆破產生的超挖量，因此提高鉆孔精度是減少隧道超欠挖的重要途徑之一。鉆孔應嚴格按照爆破方案進行，掏槽孔根據爆破方案采取一定的傾角。但在實際施工中，由于受鉆孔機械或入為的影響，或多或少的會形成一定的外插角。根據長期的工程實踐，可以采取以下方法減少超欠挖:①必須對司鉆人員進行培訓，使其按照操作細則和設計要求進行施鉆，保證規定的孔位、孔深和傾斜角。并由技術熟練的人員負責周邊孔和掏槽孔的作業，在先鉆的孔內插入導向管，依次作為基準鉆其他炮孔。②鉆周邊孔時，通過鉆孔位置少量內移來減少外插角。依據測量放線人員在掌子面上畫的輪廓線，將鉆孔孔位定位在輪廓線內側1～3cm，從而減小外插角帶來的不利影響。

(2)提高測量放線的精度:控制超欠挖主要是控制好開挖輪廓線的精度。在進行測量放樣前應首先熟悉設計文件，掌握設計開挖斷面各部位的尺寸，同時考慮預留沉落量和變形量。中線和標高的偏移，將使斷面輪廓線向一側偏移，造成開挖斷面一側超挖、一側欠挖，因此首先要保證中線和標高的準確口。通過本文依托工程的應用實踐證明，在直線隧道采用激光照準儀定出控制點。再用支距法畫出輪廓線，最后按照爆破設計畫出孔位，是一個既經濟又行之有效的方法。

(3)采用合理的爆破技術:爆破技術主要指爆破方法、爆破參數、爆破器材和裝藥方法等，采取不同的爆破方法、爆破參數、爆破器材和裝藥方法均對爆破超欠挖產生不同程度的影響。普通爆破效果和光面爆破效果的比較發現，光面爆破明顯優于普通爆破。光面爆破能最大限度地使開挖面符合設計輪廓線，同時減輕對圍巖的擾動。按“新奧法”原則施工，實行光面爆破或預裂爆破等控制爆破措施是控制超欠挖的有效方法。

在廣成山和廟埡口隧道施工中，圍巖地質條件是不斷變化的，時常有軟弱夾層、斷層等不良地質情況出現。目前，爆破設計主要是采用經驗類法比，并結合現場試驗。在開挖過程中，隨著圍巖節理裂隙的變化，鉆孔位置和角度、周邊孔的參數等也應進行相應的調整。鑒于在掘進過程中圍巖情況是不斷變化的，在每茬炮后鑒定工作面圍巖的變化。每茬炮爆破后，應認真分析這一茬炮的爆破效果，并結合圍巖的變化情況，對一茬炮的爆破設計做出相應的參數調整。

3.3 隧道爆破參數選擇及超欠挖控制

根據不斷的實踐，總結廣成山和廟埡口隧道減少超欠挖光面爆破技術如下。

(1)鉆爆施工工藝

①放樣布眼:清理掌子面，利用水平儀、經緯儀測量畫出開挖輪廓線，用紅油漆標出主要炮眼位置(周邊眼、掏槽眼、底眼)，其誤差不大于5cm，開挖臺階在15cm范圍內，鉆眼時，眼底應落在同一垂直面上;掏槽眼鉆孔精度要高，誤差在3cm之內，控制炮眼間距、深度和角度，嚴禁炮眼打穿、相交;輔助眼均勻分布，為便于排水，鉆孔可稍微向上，但傾斜不大于1度，孔眼間保持互相平行，底板眼向下傾斜，最大不超過輪廓線10cm。鉆眼過程中經常檢查炮眼方向，及時校正，不符和要求的予以廢除。

②裝藥:裝藥前，用高壓風吹掃炮孔，藥串和起爆藥卷按要求加工好，盤好腳線，分段號存放在箱內，確保裝藥作業有序地進行;裝藥作業分片、分組進行，并按規定搗實堵塞炮泥，堵塞長度不小于20cm。

③爆破:起爆網絡為復式網絡，以保證起爆的可靠性和準確性，連接時，導爆管不能打結、拉細和破損漏氣，各炮眼雷管段數與鉆爆設計相同，引爆使用火雷管，雷管用黑膠布包扎在離一簇導爆管自由端10cm以上處，網絡接好后，由專人負責檢查。

④鉆孔結束，用高壓風管吹孔，按照鉆爆設計的裝藥量和裝藥結構組織裝藥，采用非電導爆雷管聯結，火雷管起爆。

(2)施工爆破參數選擇

①全斷面開挖光面爆破參數選擇

周邊眼間距E=60cm，炮眼直經Φ=48mm，最小抵抗線W=75cm，周邊炮眼密集系數K=E/W=0.85，每循環進尺為2.0m，周邊眼、掏槽眼、底眼深2.4m，炮眼利用率在90%以上，周邊炮眼采用不偶合間隔裝藥結構，掏槽采用8眼垂直楔形掏槽，爆破順序按掏槽眼、輔助眼、周邊眼、底眼順序進行。詳見鉆爆設計圖。采用2號巖石硝銨炸藥，藥卷規格Ф38×200mm和Ф20×200mm兩種，雷管為1～11段非電毫秒雷管，周邊眼裝藥采用不偶合間隔裝藥。施工前進行試爆，根據圍巖的實際情況調整鉆爆參數。

②上下斷面開挖光面爆破參數選擇

上臺階開挖鉆爆設計:施工采用光面爆破，根據圍巖情況確定循環進尺，本設計以Ⅴ級圍巖為依據，循環進尺1.0m，炮眼利用率90%，炮眼設計深度1.15m，掏槽眼及底眼取1.25m，掏槽形式采用6眼楔形掏槽。炸藥選用2#巖石硝銨炸藥，藥卷直徑Ф38、Ф20兩種，周邊眼按光面爆破設計，采用直徑Ф20的藥卷不偶合間隔裝藥。引爆方式采用非電毫秒雷管。

下臺階開挖鉆爆設計:下臺階共有二個臨空面，周邊眼采用預裂爆破。炮眼布置及鉆爆參數見臺階法鉆爆設計圖。施工前進行試爆，根據試驗數據，調整鉆爆參數。

(3)施工爆破參數選擇要點

①光爆層厚度(B)。就是周邊眼最小抵抗線。它與開挖的隧道斷面大小有關。若斷面跨度大、光爆眼所受到的夾制作用小、巖石比較容易崩落，則光爆層厚度可以大些;若斷面小、光爆眼所受到的夾制作用大。則光爆層厚度可以小些。光爆層厚度與巖石的性質和地質構造也有關。堅硬巖石，光爆層可小些;松軟破碎的巖石，光爆層可大些。確定光爆層厚度B為0.50～0.80m。

②周邊眼密集系數(K)。是周邊眼間距(a)與光爆層厚度(B)的比值。是影響爆破效果的重要因素。炮眼直徑為38～46mm。周邊炮眼間距為30～60cm。光爆層厚度為75～80cm。周邊眼密集系數為0.6～0.8。

③周邊眼的裝藥量。應嚴格控制并采用合理裝藥結構。盡可能地使藥沿藥眼長均勻分布。這是實現光面爆破的重要條件。光面爆破裝藥量的計算．主要是確定周邊眼光爆層炮眼裝藥集中度，一般按q=QaB扭計算．也可采用實驗方法求得或從同類T程中選取。式中:q為裝藥集中度，kg/m;Q為單位體積耗藥量，g/m;a為周邊眼間距，m;B為光爆層厚度，m。通過現場試驗和施工經驗數據．用計算法進行校核．確定本工程的裝藥集中度為0.15～0.25kg/m。

④裝藥結構。光面爆破采用不耦合裝藥，一般不耦合系數為1.5～2.0，炮眼裝藥按裝藥集中度計算出的藥量均勻裝入炮眼內。為克服底部炮眼的阻力，在炮眼底部放半個標準藥卷，使光爆層易于脫離巖體。

⑤起爆方式。光面爆破的分區起爆順序為:掏槽眼眼－輔助眼－周邊眼－底板眼。采用多段微差起爆(由內向外)，其中主爆區的，周邊眼比輔助眼跳2段起爆，并用同一段雷管。主爆區使用非電毫秒雷管;光爆層的光爆眼用導爆索一次同時起爆。

4 結語

隧道的超欠挖會使隧道局部應力集中，圍巖的塑性區、變形量顯著增大;襯砌施工時因超挖回填導致砼不密實，使結構受力處于不利狀態，并且易積水，形成質量隱患。同時，超挖也給后續工序作業(如支護、鋪設防水板等)和結構安全造成一定的困難。

隧道鉆爆法施工中超欠挖問題雖然是不可避免的，但是可以將其控制在一定程度之內。控制隧道超欠挖技術是一項綜合技術，宜萬鐵路廣成山和廟埡口施工實踐表明，從鉆孔精度、測量放線、爆破技術三方面抓起，在施工中根據不同圍巖的地質條件進行相應的調整，并以嚴格的施工管理制度為保障，隧道施工中的超欠挖基本可以控制在可接受的范圍內。因此，從技術和管理兩方面人手，能達到控制隧道超欠挖，確保隧道的工程質量、進度和經濟效益的目的。

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