長短孔爆破控制超欠挖技術研究

肖 先

(中鐵二十局集團第四工程有限公司 山東青島 266061）

1 引言

隨著科學技術不斷進步，施工工藝不斷革新，鐵路、公路、水利中隧道工程占比越來越大，隧道工程一直是施工中的控制工程，制約著全線施工進度，影響著全線施工成本。如何在確保安全質量前提下加快隧道施工，是隧道施工中懸而未決的課題。地鐵及長大隧道已采用盾構、TBM施工，地質復雜、大斷面隧道目前仍選用鉆爆法施工，鉆爆法隧道施工控制難點是如何控制開挖過程中超欠挖，超挖會加大出渣工程量，加大初噴混凝土厚度，延長工期并增加施工成本，由于超挖后控制不力，初支背后容易形成空洞，造成圍巖不穩，影響安全質量。欠挖處理需再次爆破，也會影響工程進度及增加成本。欠挖處理不當，容易造成初支及二襯厚度不滿足要求，形成質量隱患。超欠挖的形成有兩方面原因，一是技術方面，原有的技術有待改進，特別是大斷面隧道的爆破技術有待進一步改進；二是管理原因，現場施工中，既定方案不能得到有效落實，孔位布置隨意、鉆孔角度不準，影響了爆破效果。本文以石黔高速連湖隧道工程為例，采用長短組合炮孔技術、周邊眼精確定位技術，提出了隧道超欠挖控制技術。

2 超欠挖原因分析

2.1 隧道超欠挖質量檢驗標準

隧道超欠挖質量檢驗標準見表1。

表1 隧道超欠挖質量檢驗標準

2.2 初支緊跟后造成鉆桿角度控制不到位引起超欠挖

目前隧道施工中無論從設計還是監理方均要求初期支護施工至掌子面，以確保施工安全。初期支護至掌子面后，給鉆桿鉆孔預留空間已不能滿足鉆孔要求，無法達到設計角度，特別是設計有鋼架的初期支護，為了盡量減小周邊眼鉆孔角度誤差，常采用的施工方法是在拱架上預留孔洞，在拱架上預留孔洞不僅降低了拱架的強度，也限制了周邊眼的成孔角度，不可避免地造成超欠挖。超欠挖鉆孔見圖1。

圖1 超欠挖鉆孔示意（單位：cm）

2.3 施工不按設計孔位布孔引起超欠挖

爆破設計是根據圍巖進行專項設計，在施工過程中由于受場地限制，臺車限制，鉆孔設備限制，不能按設計進行鉆孔，隨意改變孔位位置及角度，最后達不到設計爆破效果。

2.4 不按設計裝藥堵孔引起超欠挖

在施工過程中，為了加快施工進度，或者是項目采購原因，只有部分段別雷管、無導爆索、無小藥卷，裝藥結束后不堵孔，特別是孔底集中裝藥不均勻，容易造成爆破效果欠佳。

2.5 循環進尺長度影響超欠挖

由于鉆孔偏角的影響，隨著鉆孔長度增加，孔底距設計開挖面距離越大，爆破成孔后孔底處超挖值越大；如果鉆孔向外偏角較小，會造成掌子面處欠挖值增大，角度越小，欠挖值越大。

3 超欠挖控制技術

3.1 周邊眼精確定位技術

鉆孔定位必須有很好的定位體系，如何將設計圖紙定位到現場，是確保超欠挖的首要條件。周邊孔孔口與開挖輪廓線距離要根據巖石軟硬程度(f值）來定[1-2]，具體參數見表2。目前現場較多采用全站儀逐點放線確定鉆孔位置，此種方法也能精確定位，但效率較低，目前引進采用激光定位監測系統利用大功率激光投射方式進行開挖輪廓線和爆破炮孔的定位[3]，指導鉆機或者鉆孔手的操作。全程操作只需少量人工參與，自動化程度高，定位快速。

表2 周邊孔與開挖輪廓線距離要求

3.2 鉆孔精確控制技術

如何控制向外偏移角度對于隧道超欠挖至關重要，在鉆孔過程中，需要考慮圍巖級別對周邊孔與開挖輪廓線的影響，考慮掌子面欠挖與孔底位置的超挖平衡[4]。

3.2.1 采用鑿巖機精確控制

在隧道掘進中，采用較先進的施工設備更能精確控制鉆孔角度，在施工中落實設計意圖，比如鑿巖臺車，當鑿巖機緊貼在已開出的輪廓面操作時，能控制住外插角的角度[5]。周邊孔對孔誤差環向不大于5 cm。

3.2.2 預留初期支護后精確控制

在施工中如果圍巖較好時，在掌子面與初期支護之間始終預留3～4 m初期支護不施工，為鉆孔提供一定的空間與角度，以確保鉆桿能貼近原爆破孔以較小角度按設計水平鉆進。通過控制外插角角度能有效控制開挖面輪廓，減少超欠挖工程量[6]。

3.2.3 最佳鉆進外插角確定

在施工中由于初期支護臨近掌子面，初期支護端部安裝有鋼架，鉆桿的外插角受鋼架的影響不能得到有效控制，在施工中如何確定外插角是控制超挖及欠挖的關鍵因素。

圖2 隧道超欠挖偏移計算（單位：cm）

根據圖2所示可以推導出隧道超挖鉆孔偏移值計算公式:

式中，S表示偏移值(cm）；L代表此鉆孔循環長度(m）；h表示掌子面欠挖值(cm）；a表示鉆孔與設計開挖輪廓之間的角度。

根據公式計算出不同圍巖類型與外插角的偏移值見表3。

表3 L=3 m時外插角與圍巖類別偏移S值 cm

經過對表3數據進行分析，可以得出中硬巖在初期支護臨近掌子面時，采用4°外插角效果較好，超挖量較小。硬巖在初期支護臨近掌子面時，采用5°外插角效果較好，超挖量較小。施工中存在的問題為爆破后在掌子面處存在一定欠挖需要處理。

3.3 長短孔爆破控制技術

在角度一定的情況下，循環進尺越長，端部偏離越大，如果只控制孔底處的偏移量，則掌子面處的欠挖量又會加大，反之亦然。如何確保掌子面不欠挖，孔底處少超挖，提出長短孔控制技術，對隧道的超欠挖能起到很好的控制作用。

3.3.1 短炮孔設置

根據表3計算數據，短孔的鉆孔長度應超過長孔與開挖輪廓線的交點才能確保長短孔交界處不出現欠挖現象。如果短孔爆破后超過交界處，則會出現超挖現象，短孔太短則達不到控制欠挖的目的，所以短孔的長度理論為超過交界處20～30 cm為宜。

3.3.2 長炮孔設置

長孔布置在短孔的內側，間距根據不同的圍巖控制在8～10 cm，如果采用的鉆孔尺寸較大，可以根據鉆孔直徑適當放大。

3.3.3 炮孔角度設置

根據不同圍巖周邊眼與開挖輪廓線，通過偏移公式，推算出有效的長孔與短孔的鉆孔角度，減少開挖過程中的超欠挖。短孔控制掌子面欠挖，長孔控制孔底處超挖，通過爆破裝藥控制，達到控制超欠挖效果。當L=2.4 m、L=1.2 m時外插角與圍巖類別偏移值見表4、表5。

表4 L=2.4 m時外插角與圍巖類別偏移S值 cm

表5 L=1.2 m時外插角與圍巖類別偏移S值 cm

軟弱圍巖由于開挖長度短，鉆孔長度小，可以采用3°外插角施工，不考慮長短孔結合施工；中硬巖按每循環2.4 m計算，短孔按3°外插角施工，長孔按3°～4°外插角施工；硬巖鉆孔按3 m計算，比較適合長短孔技術，長短孔均采用4°外插角施工。

3.4 長短孔爆破裝藥設計

周邊眼采用不偶合裝藥和空氣間隔裝藥；將藥卷綁在導爆索上，形成一個斷續的炸藥卷，為了更好的裝藥，可以采用將藥卷綁在竹片上送入孔內[7-9]。光面爆破一般參考數值見表6。

表6 光面爆破一般參考數值

為確保爆破效果，短孔孔底裝藥位置與長孔最外端裝藥位置根據圍巖不同錯開相應的位置[10]；短孔炮泥堵塞在最外端，長孔炮孔堵塞至長孔中段，面作為空留段，孔口堵塞長度不小于40 cm[11]。裝藥見圖3，鉆爆作業還要根據地質條件及時修正爆破參數，以期達到最佳爆破效果。

圖3 隧道開挖長短孔裝藥示意

周邊眼的起爆必須同時起爆才能形成平整的爆裂面，否則會形成鋸齒狀爆裂面，起爆雷管段數根據起爆方案整體設計[12]。

4 結束語

采用預留3～4 m初期支護不施工，可以為鉆孔提供較小的外插角空間，能很好地控制爆破的超欠挖，但由于設計、業主要求按設計施工，在現場操作起來較為困難。

采用長短孔鉆孔結合技術，能夠減少施工中的超欠挖工程量，對于循環尺寸較長的爆破，效果更為明顯。

由于長短孔結合技術減少了超欠挖工程量，減少了初噴混凝土量，為施工節約了時間，節約了材料，贏得了良好的社會效益和經濟效益。