控制隧道超欠挖的施工技術研究

謝登高、萬磊、鄒林

（中國建筑土木建設有限公司，北京 100067）

0 引言

采用鉆爆法修建隧道時，隧道超挖或欠挖現象難以避免。然而，在實際施工過程中卻發現，一些單位對超挖、欠挖認識不足，導致開挖成型質量差、增加工程成本、降低應有利潤。當超欠挖比較嚴重時，還會對隧道洞室的穩定性造成一定影響，因此必須重視隧道超欠挖。隧道施工建設過程中鉆爆法施工技術十分普遍，但鉆爆法施工所產生的超欠挖現象，會給施工企業經濟成本和項目整體安全性造成嚴重影響。盡管當前對于鉆爆法施工期超欠挖問題尚無有效的避免辦法，但仍可采取相應措施降低超欠挖的危害。

1 超欠挖的定義

超欠挖是以隧道設計開挖輪廓線為依據，將現實開挖所得基準線與輪廓線相比較，當基準線外側（塌陷處）界定為超挖，基準線外側（凸出處）界定為欠挖，且未發生大面積超挖或欠挖時，則采用鉆爆法開挖最理想。

目前，我國對隧道周圍爆破質量評價還未形成完整的法規制度，本文參照蘇聯和英國等國給出的準則，將超欠挖界定為以孔痕保留率為評價指標，具體內容如下：線性平均超挖量≤100mm，線性最大超挖量應≤250mm，總體超挖量≤150mm，兩炮孔相連臺階最大尺寸≤150mm，炮孔痕跡留痕≥100mm，無欠挖現象。

2 超欠挖的形成原因

采用鉆爆法施工時，欠挖主要形成于爆破作業或者不規范的鉆孔作業期間。具體說來，可分為如下幾種：

第一，鉆孔引起的超欠挖問題。目前的工程施工建設中仍然存在一些問題亟待解決。首先，鉆孔位置設計不合適，造成超欠挖，即鉆孔布置與周邊鉆孔實際設計線有偏差，如果向內傾斜則欠挖，向外傾斜則超挖，鉆孔位置不合適主要是施工人員測量時疏忽所造成。其次，開孔時錯誤造成超欠挖。水利工程的施工技術復雜多樣，受地質圍巖及施工環境影響較大。

第二，在爆破過程中，容易發生超欠挖問題。一是施工人員未按原爆破方案鉆孔作業，為了節約工期減少鉆孔總量，造成個別鉆孔裝藥過多，誘發巖層塌落而造成超挖。二是周邊爆破孔裝藥結構不夠科學，導致超欠挖嚴重。其實對于中深爆破孔，不能用空氣柱充填藥物。把炸藥全部集中到爆破孔中，會造成孔口欠挖和孔底超挖。三是在周邊孔光面爆破資料得到證實后，未調整裝藥量。

3 影響隧道超欠挖的因素

3.1 鉆孔精度影響分析

鉆孔出現偏差是造成超欠挖現象的重要因素。為了準確地預測和控制施工過程中出現的偏差，必須對其進行分析研究。鉆孔的偏差一般由以下三部分組成：一是開眼偏差Rc，即開眼中心與設計孔位中心之間的偏差；二是方向偏差Rd，即開眼方向與隧道設計軸向輪廓線之間的偏差；三是巖石內的附加偏差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。

在國外，通常采用鉆孔深度為4.0m 以下的深孔，由于地質構造復雜，斷層多等因素影響，所以對特殊地層（如巖溶地區），勘探難度就更大。因此在實際工作中，必須根據具體情況選擇合適的鉆具和方法，通常使用3.5m 左右的鉆孔深度。

3.2 爆破技術影響分析

爆破技術造成超欠挖的原因有：一是周圍孔裝藥量過大，在爆破過程中造成圍巖大塊塌落而造成超挖；二是周圍炮孔間距設置不合理造成超挖或者欠挖。

3.3 測量放線影響分析

控制超欠挖，主要在于開挖輪廓線，即周邊孔線的準確性應得到控制。在實際施工過程中，由于施工人員操作不當或儀器故障等會引起偏移量較大，從而導致圍巖變形過大甚至坍塌事故發生。同時，還可能出現拱頂下沉、地表沉降以及塌方現象。因此，首先要確保測量放樣隧道中線及標高的精度，采用正確方法確保輪廓線定位準確，降低超欠挖影響。

3.4 地質條件影響分析

地質條件作為客觀條件，是爆破參數測定的根本依據。影響巖體爆破效果的因素很多，如巖性、構造以及地層結構等，這些因素都會對爆破產生不同程度的影響。從理論上講。地質條件復雜時，應考慮開挖對圍巖節理裂隙的影響。爆破作業過程中，因圍巖應力集中，巖石節理發育等會導致隧道圍巖失穩破壞，出現清幫問頂、坍塌、剝落等現象，即為超挖。該超挖量隨支護封閉圍巖的延遲而增大。

4 超欠挖的規范標準分析及超挖量的計算方法

國家有關部門針對隧道開挖超欠挖制定了標準。超挖值分為兩種：一種是在隧道中允許的最大超挖值；另一種是在施工過程中，因斷面光爆效果不理想而造成的超挖值，它是經濟考核的重要指標之一。欠挖分為局部欠挖和整體欠挖。超欠挖對隧道成本有很大的影響，通常情況下超欠挖量應控制在允許范圍內，但實際施工中，往往會出現超挖量超過允許范圍的現象，特別是當開挖深度大于或等于5cm 時。平均不超過5cm 即意味著隧道成本中的欠挖量為零。

因此，正確計算超欠挖對合理設計施工方案有著重要意義。但是如何準確計算隧道內超挖量，并不是一件很簡單的事情，特別是大跨度淺埋暗挖隧道。超挖量是指某一隧道圍巖開挖完成后，經過測量統計得到的平均超挖量；若判定某隧道段超挖量，則首先判定某隧道段每間隔一段距離（通常是5m 或者10m）隧道段為測量斷面，再由測量大致描畫出該段實際輪廓圖，計算出徑向超挖量，最后由各段徑向超挖量均值計算出該段超挖量總量。

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5 超欠挖對隧道成本的影響

對于超欠挖，超挖比欠挖更能降低隧道成本。因此，對隧道施工來說，控制超挖是非常重要的。目前國內一些單位已經注意到這一點，并開始采取各種措施。鉆孔補炮是減少欠挖量最經濟有效的辦法之一，它可使挖掘的深度增加幾倍甚至更多，同時還能保護巖石不被破壞，節省大量的人工。

現代地下工程大多需要支護與襯砌。超挖導致隧道費用提高是因為增加支護與襯砌費用，超挖本身對于巖石開挖費用影響不大。例如，每1m 隧道多超挖1m 巖石，開挖成本提高的費用極少或沒有提高，但因此要引起加大1m 支護及襯砌混凝土回填工程量，將極大地影響隧道成本。為了減少超欠挖給工程成本帶來的影響，工程投標預算時，應充分利用國家有關部門規定的標準規范允許值，投標報價時全面考慮。應根據不同地質條件、圍巖級別及周邊環境，合理選擇施工工藝；采用先進的技術措施提高工程施工質量，確保工期進度；加強安全管理，做到防患于未然；重視環境保護，做好水土保持工作。項目實施階段，應加強現場施工控制。

6 超欠挖的有效控制方法

6.1 提高測量技術

隧道工程施工中應注重測量技術的應用，我國大部分地區的地質條件較為復雜，在進行施工時往往會出現一些問題，這也給工作人員帶來了一定困難。為此，文章就如何加強隧道工程測量展開分析和探討。

第一，在實際的施工過程中，需充分考慮圍巖的結構特點和地下水位的變化情況。

第二，根據場地的具體情況選取適宜的放樣方式，確定相應的長度和距離之后，再進行開挖作業，做好支護防護措施。

第三，隧道工程在進行施工時，需合理地選擇開挖方法，確定相應的支護結構，對圍巖穩定性進行良好的監控。

6.2 提高鉆眼精度

鉆孔前用高度尺精確劃線是必要的，具體做法如下：首先，劃線過程中，劃針角應與工件劃線平面（劃線方向）呈40～60o夾角，以免造成過大誤差；其次，劃針角應清晰、勻整，以免鉆孔過程中因劃針不清造成誤差影響后續施工；再次，劃線基準面應注意選取，確保基準面處理準確及自身平面和相鄰面垂直夾角，以免劃線不整潔造成誤差；最后，劃針角應成十字線，孔位劃針角應準確，劃針角中心點應準確。鉆孔直徑6mm 以下，如精度不高，可用手鉗夾持工件，鉆孔直徑6～10mm，若工件規格許可，可使用平口鉗。鉆孔時需注意工件表面應垂直于鉆床主軸；鉆孔直徑大于10mm 時，需使用壓板加緊以確保孔位精度[1]。

6.3 優化爆破設計及技術要點

優化爆破設計的具體步驟如下：首先，爆破前勘查作業時，要求有關人員必須嚴格遵守規則，保證現場實際施工情況和預期勘查情況相符，預防爆破設計過程存在不合理之處；其次，強化炮孔作業時監測力度和管控手段，以免導致超欠挖；最后，設計人員應全面調查區域內巖石穩定性和爆破材料質量情況，避免超欠挖。技術要點如下：

第一，根據當地的巖石特點選擇合適的鉆孔和爆破，保證鉆孔的數量。

第二，合理確定鉆孔填裝藥量及炸藥的種類，提高鉆孔的質量。

第三，嚴格控制爆破速度，減少藥卷對炸藥的消耗，降低爆破震動，從而達到良好的爆破效果。在進行爆破設計時，應根據以往的工作經驗和實際情況，選擇合適的爆破結構。因此，為了保證隧道的安全施工，必須根據當地的地質水文狀況，采用工程類比法和現場試爆數值相結合的方法。具體作業時，也需充分根據現場實際情況靈活調整，并通過前一個周期爆破效果的評估和分析為后續周期作業提供借鑒[2]。

6.4 強化制度建設和管理工作

對超欠挖這一現象進行有效管控，不僅與隧道工程地質環境特征，施工技術以及工作團隊整體能力等因素密切相關，而且施工單位采取何種管理模式、管理制度等也將對工程質量產生深遠的影響。所以在鉆爆法的施工操作上，對測量、鉆孔、填藥都要制定嚴格的操作守則，細化各崗位職責，檢查技術方案要統一，嚴格按照PDCA 程序進行，對問題的分析要環環相扣，合乎邏輯，在每一個環節上，工程技術人員都要深入施工現場調查收集證據，根據客觀事實，運用數據分析這一工具，適當而準確地運用統計圖表對問題進行總結，并加以分析。此外，還應注重各環節之間相互聯系及反饋信息，從而提高整個工程項目的管理水平。施工單位在加強施工人員及管理人員培訓的同時，要委派專業工作人員開展質量管理工作。

6.5 加強對操作人員的技術培訓

為了保證工程施工質量和進度，必須對每一道工序進行嚴格把關，確保工程質量。技術人員應具備一定的專業知識，熟悉各種爆破參數在深基坑中的應用，并能熟練進行現場爆破；爆破、鉆孔人員應具備一定的技術能力，熟悉爆破、鉆孔相關知識，掌握爆破、鉆孔等方面的綜合操作技能。施工期間，管理人員應對施工環節進行嚴格把關與監管，強化原因分析并對超挖進行管控[3]。

6.6 定向斷裂爆破技術的合理應用

傳統光面爆破技術由于技術自身的局限性，對隧道周圍巖層造成的破壞幾乎無法避免，所以針對已有技術進行改良優化，能夠最大限度地減少超欠挖現象。當前我國采用的切槽爆破技術，針對超欠挖現象進行有效治理作用非常明顯，施工企業可在必要時考慮采用。

6.7 積極引進新設備、新工藝

隨著科技的不斷革新與進步，各種新裝備、新技術不斷涌現，銑床對于隧道超挖控制起到了至關重要的作用。銑削式隧道掘進機具有受圍巖擾動較少、掘進等高線準確度高的特點。便于對隧道高線進行切割，既能確保隧道斷面尺寸，又能減少工人操作危險性；既能控制材料成本，又能顯著提升隧道施工安全性[4]。

7 結語

超欠挖是隧道施工過程中存在的主要問題之一，是確保隧道施工安全、進度及造價等方面不容忽視的問題。鉆爆法隧道施工中超欠挖雖難以避免，但可控制在某一范圍內，即把因超欠挖而引起的工程成本增長限制在一定范圍內。這就需要對施工、技術、設備等方面進行強化管理，目的是將諸多因素放在可控制狀態下，滿足設計與施工的基本需求。隧道施工作為一項復雜系統工程，受到地質條件、設計參數和施工工藝的影響，為此需要加強隧道圍巖變形的控制與預防技術研究。