九瑞高速巖質隧道鉆爆法施工超欠挖控制措施及成本分析

馮海暴，蔣萬德，曲俐俐，郭慶杰

(1.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071;2.山東大學，濟南 250101;3.中交第一航局總承包工程分公司，天津 300461)

0 引言

隨著交通行業的不斷發展，國家對環保要求的逐步提高，越來越多的深挖路塹的設計方案被隧道替代，隧道在高速公路施工中的比例隨之加大。技術管理在不斷優化，在保證質量的前提下，越來越重視成本控制，企業的精細化管理顯得尤為重要，尤其是隧道施工，襯砌工程的造價占整個隧道工程造價已達到30%以上。對于隧道施工，鉆爆法還只是作為一種常用的施工工藝，我國也一直提倡在隧道開挖過程中寧超不欠，而這是違背新奧法精神的。施工中存在的質量通病不僅制約著隧道的施工進度，而且還增加了工程成本，而影響成本的關鍵因素之一就是隧道的超挖問題。目前，國內外逐漸開始重視巖質隧道超欠挖控制問題，對超欠挖的影響因素和成本損失的研究也在不斷深入［1-4］。但目前鉆爆法施工還無法完全有效地控制隧道超欠挖，在實際施工中，雖然盡可能地減少超欠挖，但由于重視不夠或方法不當，從而增加了工程成本。

本文針對現況，對隧道鉆爆法開挖影響隧道超欠挖的因素進行深入分析研究，針對目前巖質隧道開挖存在的超欠挖問題，通過現場試驗試爆、參數調整、信息跟蹤和人員培訓等方式，分析總結出主要影響因素，并提出有效控制措施。

1 工程概況

杭州—瑞麗國家高速公路江西省九江至瑞昌段建設項目(以下簡稱九瑞高速公路)在 K33+025～K48+144.087區段共有3座隧道，分別為南陽一隧道、南陽二隧道和桂林二雙連拱隧道。南陽一隧道左線長2 340 m，右線長2 345 m;南陽二隧道左線長530 m，右線長532 m;桂林二雙連拱隧道長513 m。隧道圍巖等級主要為Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級，以灰巖地質為主。南陽一隧道位于江西瑞昌市桂林辦事處與南陽分界處，隧道處于 2個平面曲線中，隧道縱坡坡率為-2.25%，為1∶1.5削竹式洞門。

隧道主要巖體由志留系中下統砂質頁巖、二疊系-三疊系灰巖、白云質灰巖以及泥灰巖組成。根據實地調查及鉆孔，隧道通過地段地層結構較復雜。隧道出洞口表層主要以含碎石黏土為主，呈松散結構，下伏為三系嘉陵江組(T2j)白云質灰巖，巖體較完整，中厚層結構為主，鑲嵌碎裂結構次之。3座隧道設計洞身主要穿越圍巖為中古生代碳酸鹽巖類地層，該套地層各層位不同程度地表發育著巖溶地貌和巖溶地下水。

2 隧道超欠挖現狀

九瑞高速公路是江西省重點工程，采用鉆爆法施工。根據在隧道開挖中滿足不超欠挖的要求，制定措施提高隧道一次性開挖合格率，從而減少超挖的經濟損失。經過對本工程組成項目的單價分析，隧道一次性開挖合格率對總成本影響非常大(見圖1)。

圖1 隧道一次性開挖合格率和耗費對比圖(延米)Fig.1 Tunnel excavation qualification rate VS tunneling cost(linear meter)

欠挖會引起更大的費用，欠挖引起的費用包括處理欠挖及引起新的超挖所產生的費用，根據現場統計，一般由欠挖引起的超挖量是欠挖量的2倍以上。對隧道超挖點作為不合格點進行判斷，主要是依據隧道最大超挖值公式(見式(1))進行統計，但統計成本時則采用平均超挖值公式(見式(2))計算。

隧道的最大超挖量值需要通過斷面儀或無棱鏡全站儀進行斷面掃描，在經過數據導出后，設置允許超挖值后(超過允許超挖值視為不合格值)，通過程序濾選得出每個斷面超過允許超挖值的個數。

式中n為實測值數量。當實測值＞允許值時，得出結果為1，否則為0，不合格點數即為實測值中大于允許值的數量。

采用式(1)對已施工的3座隧道進行超挖數據統計，每開挖2 m按一個斷面計算，共選取斷面100個，每個斷面取32個點進行記錄，其中拱部11個、邊墻10個、仰拱11個，Ⅳ級和Ⅴ級圍巖按超挖≤150 mm作為目標合格點，Ⅲ級圍巖按照超挖＞250 mm為不合格點，其他為合格，根據式(2)進行慮選統計結果(見表1)。

表1 隧道開挖點數統計表Table 1 Statistics of tunnel excavation inspection points

對100個斷面中不合格點進行統計排列，由表1可以得出平均合格率為67.4%。不合格率頻數排列見圖2。

圖2 隧道一次性開挖不合格率頻數排列圖Fig.2 Frequency of unqualification rate in tunnel excavation

由圖2可以看出，影響隧道一次性開挖合格率主要是拱部超挖，占不合格點總數的66.0%。

3 影響因素分析及措施

經過對隧道拱部超挖影響因素的分析研究，認為造成超挖的主要因素為:炮孔單孔裝藥量、鉆孔精度、爆破技術、測量放線、地質變化和作業條件等。文獻［2］中提到“在影響隧道超欠挖的諸因素中，鉆孔精度和爆破技術對超欠挖的影響最大，分別為44.2%和20.3%”;因此，提高鉆孔精度和作業人員的鉆孔水平對減少超欠挖有著至關重要的作用。超欠挖影響因素統計分析［6］見圖3。

圖3 超欠挖影響因素統計分析圖Fig.3 Analysis on factors that have influence on over-break/shortbreak in tunnel excavation

3.1 炮孔單孔裝藥量和鉆孔精度

3.1.1 裝藥量

經過現場計算及試驗復核計算爆破資料，最大一段允許爆破裝藥量

式中:R為爆源中心至振速控制點距離，m;vkp為振動速度控制標準，cm/s;K為與爆破技術、地質地形有關的系數;α為爆破振動衰減指數。K和α值通過試驗爆破及振動觀測直接得出。炮眼深為1.5～2.0 m。

通過對隧道爆破裝藥情況復核，發現原爆破裝藥量Ⅲ級圍巖單孔裝藥0.45 kg/m，Ⅳ級圍巖單孔0.35 kg/m。經過9次現場試爆調整爆破參數以確定裝藥量檢驗，光面爆破效果明顯提高，周邊炮眼痕跡保存率由52%(周邊眼總數為50個，殘留有痕跡的炮眼數量為26個)提高到78%(周邊眼總數為50個，殘留有痕跡的炮眼數量為39個)，得出Ⅲ級圍巖單孔最佳裝藥量為0.4 kg/m，Ⅳ級圍巖為0.3 kg/m。

3.1.2 鉆孔精度

鉆孔精度主要從周邊炮眼孔外向角度分析，因為周邊炮眼確定了隧道整個外輪廓的情況。通過現場調查及測量，使用斷面儀進行斷面掃描，反算外插角，周邊炮眼孔外向角度≤3°。施工作業人員現場進行鉆孔，按施工工藝周邊眼外向角度為2°～3°為準。通過調整裝藥量，爆破后使用斷面儀對隧道開挖斷面進行掃描，共進行8次統計斷面掃描，每次測量2組斷面作為一次復核(循環進尺1.5～2.0 m)，根據掃描斷面數據平均值反算周邊眼外向角。鉆孔的偏差是產生超欠挖的主要原因。文獻［3］中提到“鉆孔的偏差一般由3部分組成，分別為:開眼偏差Rc，即開眼中心與設計孔位中心之間的偏差;方向偏差Rd，即開眼方向與隧道設計軸向輪廓之間的偏差;巖石內的附加偏差Rr，即由于巖層產狀或巖石節理原因造成鉆孔后的偏差加大量”。鉆孔偏差Rz與這3種偏差的關系為:

通過8次的現場測量計算，發現周邊眼炮孔外向角度平均為3.8°，超過外向角度最大允許值，是本工程引起超欠挖的主要原因。

根據實測情況，采取了措施，減小炮孔外向角度，每循環鉆孔前控制鉆孔初鉆外向角≤2°;每鉆孔1 m進行一次外向角度復核，確保周邊炮眼痕跡保存率≥70%，炮孔外向角度≤3°。

3.2 爆破技術

本工程采用光面爆破技術，根據地質情況需要調整參數，能夠掌握適合不同情況的參數，對超欠挖控制可以起到控制性作用。經過現場調查，查閱爆破記錄，按圍巖變化準確樁號調整參數，發現在施工中共有4個圍巖變化段，都做了相應的圍巖爆破參數調整，而且爆破人員都是持證上崗，并有專業爆破專家做指導。因此，爆破技術不是本工程超欠挖的主要因素。

3.3 測量放線

控制好隧道開挖輪廓線非常重要，開挖斷面采用的儀器一般為無棱鏡，放線根據經驗一般控制比設計輪廓線大50 mm。如果按照光面爆破技術，測量放線尤為重要，考慮測量偏差，還要考慮炮眼標注人員的精度等。

文獻［7］規定，開挖斷面成形后，應及時按要求間距(最大20 m)進行隧道開挖斷面測量，繪制開挖斷面圖，作為隧道襯砌和竣工的依據。開挖斷面測量優先采用斷面自動極坐標系統，也可采用斷面支距法進行。斷面支距法測量時，應按中線和外拱頂高程從上至下每0.5 m(拱部和曲墻)和1.0 m(直墻)向左右量測支距。測量支距時應計入曲線隧道中心與線路中心的偏移值和施工預留寬度。根據實際情況進行調查，本工程測量人員按照規范操作，因此不是本工程引起超欠挖的主要原因。

3.4 地質變化

隧道地質變化時，需要調整爆破參數。地質條件是客觀的，是確定爆破參數的依據，在新奧法中，根據不同的地質情況，確定支護的時間。在爆破中要根據地質變化掌握合適的參數，以減少爆破中出現的問題。本工程施工中，地質變化時，及時調整了爆破參數，因此不是引起本工程超挖的原因。

3.5 作業條件

在隧道開挖施工中，作業條件也是影響工程的重要因素，如光線和作業空間等，但這都屬于主觀條件，可以人為改善。現場調查發現開挖臺車上部安裝有2部照明燈，光線充足，可以滿足照明要求，不影響隧道施工作業。在作業空間調查中，經測量開挖臺車頂部距離隧道拱頂最小空間為2.1 m，完全可以滿足施工作業要求［8］，因此不是本工程影響因素。

4 方案實施

4.1 實施目標

拱部一次性不合格累計頻率為66.0%，如果將拱部一次性不合格率減少65%，則隧道一次性開挖合格率為:67.4%+(100%-67.4%)×66% ×65%=81.3%。考慮到可采取的措施以及隧道工程施工的不確定性，并留有余地，設定隧道一次性開挖合格率達到80%的目標。

4.2 方案實施

對單孔裝藥量、鉆孔精度、爆破技術、測量放線、地質變化和作業條件等因素［9-11］進行進一步分析和實施。

1)要求技術人員對爆破實施效果跟蹤檢查，統計出爆破開挖數據，整理每天的施工記錄，并根據記錄情況實時調整爆破參數。加強重視圍巖變化處出現的異常情況，召開專題論證，確保圍巖周邊炮眼痕跡［2］均達到目標70%的要求。

2)對鉆孔外向角度進行跟蹤驗收，調整鑿巖機就位時的初鉆外向角，由2～3°調整為≤2°，每鉆孔1 m進行一次角度測量，裝藥爆破后再進行一次斷面掃描。反算周邊眼的外向角度，做好每循環的驗收記錄，并根據結果進行相應調整。在定位周邊眼外向角調整≤2°后，共抽查了10組爆破后周邊眼外向角數據，平均值分別為2.7°、2.9°、2.8°、2.7°、2.9°、3.1°、2.7°、2.7°、2.9°和2.9°，有90%的數據達到了目標要求。

3)聘請專業技師對上述人員開展專業培訓，項目部對未通過考核人員進行了辭退或更換崗位，保證施工人員全部持證上崗，滿足作業要求。

5 實施效果

在實施調整方案后，抽取3座隧道開挖支護工程量(6 343 m)中的1 000個斷面進行超欠挖數據統計，分別從技術方面和效益方面進行對比。

5.1 技術參數

經過對技術參數統計，結果見表2。

表2 隧道開挖合格點數統計表Table 2 Statistics of qualified inspection points in tunnel excavation

綜合改進后，在1 000個斷面中不合格點進行統計排列，隧道一次性開挖不合格頻數排列見表3，不合格率頻數排列見圖4。

表3 隧道一次性開挖不合格頻數排列表Table 3 Table of frequency of unqualification rate in tunnel excavation

圖4 隧道一次性開挖不合格率頻數排列圖Fig.4 Diagram of frequency of unqualification rate in tunnel excavation

從表2和表3可以看出:經過改進施工方法后，隧道開挖施工中超挖現象明顯降低，拱部開挖合格率由36.5%上升到了85.5%，隧道開挖超挖平均合格率由原來的67.4%上升到了83.9%。

方案調整前后隧道開挖合格率對照見圖5。

圖5 方案調整前后隧道開挖合格率對照圖Fig.5 Comparison and contrast between qualification rate in tunnel excavation before optimization and that after optimization

5.2 經濟效益

經過方案調整，有效改進了隧道開挖中的超挖現象。超欠挖所增加的費用

式中:A為超欠挖引起的費用，元;B為平均超挖高度，m;C為隧道輪廓線周長，m;D為隧道開挖單價，元/m;E為C25模筑混凝土回填費用，元/m;F為每延米欠挖量，m3;G為由欠挖引起的超挖量(由欠挖引起的超挖量都在欠挖量的2倍，暫取G=2F)，m3;H為隧道中硬巖質段長度，m。

經過計算，方案調整實施后，隧道每延米平均超挖耗費由3 433.5元降低到了1 719.1元，平均每延米節約成本1 714.4元，效益提高49.9%。

6 結論及建議

本文結合鉆爆法隧道開挖的現狀，對引起隧道超欠挖的因素和造成的經濟損失進行深入研究，找出影響隧道超欠挖的主要因素，總結了一套對巖質隧道超欠挖的有效控制措施，可以為類似工程參照借鑒。鉆爆法隧道施工超欠挖是不可避免的，但是可以控制在一定的水平之內。雖然通過控制超挖量可以降低成本，但每延米平均超挖費用仍為1 719.1元，耗費還是很高，直接影響了經濟效益和社會效益。在以后的工作中，應對隧道開挖過程中存在的問題進一步改進，爭取將隧道一次性開挖合格率控制在90%以上，降低隧道平均超挖費用，有效提高企業的經濟效益，增強企業在巖質隧道施工中的競爭力。

［1］ 孫紅杰.隧道超欠挖對施工成本的影響［J］.鐵道勘察，2005(6):85-86.(SUN Hongjie.Influence on the constructive cost by the owe or ultra digging of tunnels［J］.Railway Investigation and Surveying，2005(6):85-86.(in Chinese))

［2］ 鄧顯平.隧道超欠挖的影響因素及控制途徑［J］.公路交通科技:應用技術版，2009(1):5-6.

［3］ 劉四新.大巖溶洞隧道中硬巖層超欠挖控制與分析［J］.路基工程，2009(4):197-198.

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

［5］ 中華人民共和國交通部.JTG F60—2009公路隧道施工技術規范［S］.北京:人民交通出版社，2009.

［6］ 中華人民共和國交通部.JTG/T F60—2009公路隧道施工技術細則［S］.北京:人民交通出版社，2009.

［7］ 汪旭光.爆破安全規程實施手冊［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［8］ 馮海暴.土石夾雜連拱隧道施工技術［J］.河北工程大學學報:自然科學版，2012(1):44-47.(FENG Haibao.Improvement application of construction technique of twin multiple-arch tunnel［J］.Journal of Hebei University of Engineering:Natural Science Edition，2012(1):44-47.(in Chinese))