隧道超欠挖對后序施工的影響

劉海松（鐵道部工程質量安全監督總站烏魯木齊監督站，新疆 烏魯木齊 830011）

1 隧道超欠挖的概念

超欠挖即以隧道設計開挖輪廓為基準線，將實際開挖獲得的輪廓線與基準線比較，基準線以外部分稱為超挖，基準線以內部分稱為欠挖，與基準線重合部分為無超欠挖。超欠挖值用h表示。即通過基準線上某點A作法線，得法線與實際開挖輪廓線的交點B，則AB長度即為h值。一般超挖時h取正值，欠挖時h取負值[3]。

規范中規定超挖的值有兩種指標：一種是整個隧道的平均徑向超挖值，這一指標可作為投標編制標價的參考標準；另一種是考核某一斷面光面爆破效果的超挖值，這一指標可作為衡量光面爆破質量和經濟考核的標準。關于欠挖，一般指局部欠挖達到的標準問題。

2 產生超欠挖的因素[4]

2.1 圍巖地質條件

在隧道的開挖過程中，不可避免的存在超欠挖現象，巖體的地質特征是造成超欠挖的主要因素之一。圍巖地質條件主要指圍巖的節理、裂隙、水等非主觀因素。由于圍巖存在明顯的節理、裂隙、軟弱夾層、溶洞等，爆破后巖體不沿周邊炮孔的輪廓線破壞，而極有可能沿該結構面或軟弱面破壞，形成主觀上很難控制的超欠挖。各類圍巖超欠挖統計表明，軟巖超欠挖小，但變異性大，硬巖超欠挖大，但變異性?。怀吠诮y計表明，軟巖拱頂部位的超欠挖大，硬巖兩拱肩部位的超欠挖大[5]。水平巖層地段超挖主要發生在拱部，幾乎無炮痕保存，爆破后巖體極易沿拱部某一層理整體脫落，形成平如桌面的平頂現象，若該層理被構造切割而成豎向或斜向裂隙，則拱部超挖現象將更加嚴重[6]。

2.2 測量放線

控制好開挖輪廓線的精度是測量放線的首要任務，也是控制超欠挖的一個重要因素。由于隧道內能見度有限，測量放線人員進入隧道內測量，前后視點照準困難導致誤差。同時掌子面凹凸不平，畫輪廓線時容易出現偏離。掌子面開挖輪廓線的放樣精度直接影響到爆破效果，因為周邊孔的孔位是定位在放樣的輪廓線上，輪廓線產生偏差，孔位自然會產生偏差，因而造成隧道的超欠挖。

2.3 鉆孔精度

鉆孔精度是整個鉆爆法施工的首要環節。由于工作面是一個不平整的巖石面，部分鉆孔位置不容易在指定孔位定位，有的鉆孔位置巖石破碎、夾泥，容易出現夾鉆或塌孔等情況，只有在指定孔位附近再行補孔，加之各種人為因素，導致孔位存在或大或小的偏差。同時部分鉆工只考慮開孔容易、操作方便而不在指定孔位鉆孔，特別是周邊孔距控制不當，或鉆桿的外插角控制不好，容易導致超欠挖嚴重，這些情形多出現在拱頂、腰線和邊墻底部等部位。

2.4 爆破技術

產生超欠挖的另一主要原因是爆破設計參數選擇不當。其中包括：

1）掏槽方式不合理，會直接影響掏槽爆破效果，由于沒有爆出足夠的臨空面，影響其他孔的爆破效果。2）周邊炮孔間距不合理，孔距過大容易造成欠挖。3）周邊孔的裝藥結構和藥量控制不當，如果單孔藥量過大的話，容易造成超挖。4）起爆網絡的設計和連接。

2.5 現場管理

在控制隧道的超欠挖中，缺乏一個比較完善、統一的質量保證體系，對作業全過程及相關因素沒有實行嚴格科學的管理。沒能把眾多的因素置于可控的狀態，沒有達到爆破設計的基本要求。

3 超欠挖對后序施工的影響

3.1 超欠挖對初期支護的影響

隧道的超欠挖的存在，與圍巖斷面線沿開挖設計輪廓的不均勻分布造成的開挖輪廓的凹凸不平，將引發隧道周圍的巖體中局部應力集中[7]，這種局部應用力集中對隧道進行初期支護的安全性構成了威脅；在初期支護中，圍巖的高低不平，會影響錨桿墊板的鋪設格，從而影響錨桿與圍巖間的錨固力；格柵與鋼支撐是分段加工的，在架設時再組裝成型，超挖會使格柵與鋼架同圍巖之間的混凝土太厚，欠挖則會使格柵與鋼架同圍巖之間的混凝土太??；接頭是格柵與鋼架的薄弱處，開挖輪廓的不平整會使其組裝成型時，接頭連接板無法對齊，以至于螺栓無法正確安裝；位于拱腳處的超挖，會影響格柵與鋼架的底腳的牢固性；在噴射混凝土時，超挖過大的地方混凝土不易填充密實。

3.2 超欠挖對防水板布設的影響

由于初期支護的緩沖作用，小的超欠挖對隧道防水板的施工影響不大，比較大的超欠挖會對Ⅲ級圍巖有較大影響，由于三級圍巖初期支護較薄，噴射混凝土對大的超欠挖起不到完全覆蓋的作用，會間接影響到防水板的質量，如頂破防水板，造成接頭不嚴密，局部過緊，局部過松，造成防水板與初期支護、防水板與二次襯砌間的空隙；防水板鋪設復雜，接縫也不能很好處理，搭接寬窄不均勻，極大地影響防水功能，為后期隧道漏水埋下隱患。

3.3 超欠挖對二次襯砌的影響

隧道的超欠挖產生的凹凸不平最終未被填平的部分都是靠二次襯砌去平衡的。隧道的超挖會導致二次襯砌厚度的增加，欠挖則會導致二次襯砌厚度的不足；超挖也會給隧道二次混凝土的澆筑產生額外的混凝土荷載，給臺車的安全性和穩定性構成威脅，在隧道二次襯砌接頭處，超欠挖會增加相鄰二次襯砌混凝土的錯臺，在鋪設止水帶時，出現止水帶不同時位于相鄰二次襯砌的中間部位，從而不能很好阻斷水從接縫處滲出；由于隧道擋頭板一般使用的是木模，而超挖導致二次襯砌厚度增加，會增加擋頭板的壓力，增加二次襯砌擋頭板模板的穩定性，從而導致二次襯砌混凝土跑模。

3.4 超欠挖對隧道施工成本的影響

超欠挖對隧道施工成本的影響主要包括對人力材料機械成本和時間進度成本。人力材料機械成本主要有超挖引起多裝多運隧道洞碴，超挖空間還需用臨時支護或襯砌混凝土回填，欠挖要清除，從而造成人工、材料的超額消耗，并且處理欠挖易形成更大的超挖[8]。時間進度成本是由于超挖給后序作業，如噴錨網支護、隧道防排水和二次襯砌等作業造成一定的困難，從而影響隧道整個施工進度，從長期來看，最后轉嫁到施工成本上，這對隧道的成本影響很大。

4 超欠挖的控制措施

鉆爆法隧道施工超欠挖雖然是不可避免的，但是可以控制在一定的水平之內。也就是說將因超欠挖造成的工程成本增加控制在一定的水平之內，從而保證工程總成本的可控。這就要從現場施工管理、施工技術、施工設備等多方而加強管理，目的就是要把眾多的因素置于可控的狀態，達到設計和施工的基本要求[9]。

4.1 根據圍巖地質條件和爆破效果，進行爆破參數調整

圍巖地質條件是客觀存在的，是確定爆破參數的主要依據之一。在隧道施工中，圍巖地質條件是不斷變化的，時常有軟弱夾層、溶洞等不良地質情況出現。目前，爆破設計主要是采用經驗類比法，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，在每道循環進尺爆破后應由地質工程師鑒定工作面圍巖的變化，認真分析爆破效果，并結合圍巖的變化情況，對下一次循環進尺的爆破設計做出相應的參數調整。

1）爆破后發現有較大超挖，無孔痕并在炮孔周圍可見爆破裂隙，這說明藥量偏高，需要調小藥量。2）爆破后光面爆破孔出現凹面，說明抵抗線太小，應適當加大光面爆破層厚度；反之如出現凸面，說明光面爆破層過厚，應適當減小。3）爆破后孔口部分有半孔痕，其他部分出現破碎圈，這說明炸藥線分布過于集中或藕合系數選擇不當，應采取分散間隔裝藥。

4.2 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，由于受鉆孔機械或人為的影響，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，依次作為基準指導其他炮孔的作業。

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。

4.3 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。

通過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。

4.4 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。將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。

4.5 加強現場施工管理和組織

良好的施工管理和組織，對減少超欠挖有著十分重要的現實意義。隧道的超欠挖問題不僅是技術問題，還是施工管理問題，只有建立一套嚴格的施工管理制度，才能保證技術的順利實施。管理的目的就是要把眾多的因素處于可以控制的狀態，達到爆破設計的基本要求。在爆破質量管理中，應做到以下幾點：

1）建立一套比較健全的質量保證體系，對作業全過程及相關因素實行嚴格科學的管理。2）加強組織保障，對進行鉆爆操作人員實行定人定崗。必須對司鉆人員進行崗前培訓，并組織熟練鉆工進行經驗交流，通過崗前培訓使司鉆人員均熟練掌握炮孔的角度、周邊孔外插角和間距控制等技術。3）必須要做到及時檢測，有問題及時反饋，要制定專人抓這項工作，保證測量、鉆孔和爆破設計等工序之間的銜接和呼應。

5 結 語

超挖引起多裝運洞碴，增加回填量，給初期支護、防排水、二次襯砌等后續作業造成困難，欠挖則要清除，造成人工、材料的超額消耗，處理欠挖更容易形成更大的超挖。因此，作為隧道施工的第一個環節，超欠挖的好壞直接影響后期施工的優劣。超欠挖也給后序的初期支護、隧道防排水和二次襯砌等作業造成一定的困難。在超欠挖嚴重的情況下，對隧道洞室的穩定性和進度也會產生一定的影響。應積極運用測量新技術，重視對隧道開挖技術的統計，做好良好的爆破技術和施工管理，選擇合理的鉆爆機械設備和測量設備，杜絕施工中只重視掘進速度，忽視開挖質量的思想。從安全、可靠、經濟等多方面考慮，盡可能地降低隧道的超欠挖具有現實意義。

[1]鐘放平.公路隧道超欠挖原因分析及控制措施[J].西部探礦工程，2007,12.

[2]吳世友.公路隧道超欠挖的成因與控制[J].探礦工程，2006(1).

[3]孫少銳等.隧洞圍巖分類與洞徑和超欠挖之間的關系研究[J].巖土力學,2005,26(8).

[4]劉冬等.隧道超欠挖成因及其控制技術[J].地下空間與工程學報，2007,(8).

[5]佘健等.公路隧道超欠挖統計規律研究[J].重慶交通學院學報，2000,19(2).

[6]王水善.水平層狀圍巖臺階法施工超欠挖控制試驗研究[J].公路與汽運，2010,4.

[7]王明年等.隧道超欠挖的力學效果分析[J].西南交通大學學報，1996,31(6).

[8]王承山.隧道超欠挖對隧道成本的影響及控制途徑[J].隧道建設，2006,26(4).

[9]張鴻等.公路隧道軟巖爆破超欠挖控制技術研究[J].中外公路，2007,6.