隧道超欠挖對后序施工的影響

劉海松（鐵道部工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站烏魯木齊監(jiān)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(shè)計開挖輪廓為基準(zhǔn)線，將實際開挖獲得的輪廓線與基準(zhǔn)線比較，基準(zhǔn)線以外部分稱為超挖，基準(zhǔn)線以內(nèi)部分稱為欠挖，與基準(zhǔn)線重合部分為無超欠挖。超欠挖值用h表示。即通過基準(zhǔn)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(fù)值[3]。

規(guī)范中規(guī)定超挖的值有兩種指標(biāo)：一種是整個隧道的平均徑向超挖值，這一指標(biāo)可作為投標(biāo)編制標(biāo)價的參考標(biāo)準(zhǔn)；另一種是考核某一斷面光面爆破效果的超挖值，這一指標(biāo)可作為衡量光面爆破質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)考核的標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于欠挖，一般指局部欠挖達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)問題。

2 產(chǎn)生超欠挖的因素[4]

2.1 圍巖地質(zhì)條件

在隧道的開挖過程中，不可避免的存在超欠挖現(xiàn)象，巖體的地質(zhì)特征是造成超欠挖的主要因素之一。圍巖地質(zhì)條件主要指圍巖的節(jié)理、裂隙、水等非主觀因素。由于圍巖存在明顯的節(jié)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(jié)構(gòu)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(tǒng)計表明，軟巖超欠挖小，但變異性大，硬巖超欠挖大，但變異性??；超欠挖統(tǒng)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(fā)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(xiàn)象，若該層理被構(gòu)造切割而成豎向或斜向裂隙，則拱部超挖現(xiàn)象將更加嚴(yán)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(wù)，也是控制超欠挖的一個重要因素。由于隧道內(nèi)能見度有限，測量放線人員進(jìn)入隧道內(nèi)測量，前后視點照準(zhǔn)困難導(dǎo)致誤差。同時掌子面凹凸不平，畫輪廓線時容易出現(xiàn)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(chǎn)生偏差，孔位自然會產(chǎn)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(huán)節(jié)。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(xiàn)夾鉆或塌孔等情況，只有在指定孔位附近再行補(bǔ)孔，加之各種人為因素，導(dǎo)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(dāng)，或鉆桿的外插角控制不好，容易導(dǎo)致超欠挖嚴(yán)重，這些情形多出現(xiàn)在拱頂、腰線和邊墻底部等部位。

2.4 爆破技術(shù)

產(chǎn)生超欠挖的另一主要原因是爆破設(shè)計參數(shù)選擇不當(dāng)。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(jié)構(gòu)和藥量控制不當(dāng)，如果單孔藥量過大的話，容易造成超挖。4）起爆網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和連接。

2.5 現(xiàn)場管理

在控制隧道的超欠挖中，缺乏一個比較完善、統(tǒng)一的質(zhì)量保證體系，對作業(yè)全過程及相關(guān)因素沒有實行嚴(yán)格科學(xué)的管理。沒能把眾多的因素置于可控的狀態(tài)，沒有達(dá)到爆破設(shè)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(hù)的影響

隧道的超欠挖的存在，與圍巖斷面線沿開挖設(shè)計輪廓的不均勻分布造成的開挖輪廓的凹凸不平，將引發(fā)隧道周圍的巖體中局部應(yīng)力集中[7]，這種局部應(yīng)用力集中對隧道進(jìn)行初期支護(hù)的安全性構(gòu)成了威脅；在初期支護(hù)中，圍巖的高低不平，會影響錨桿墊板的鋪設(shè)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(shè)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?。唤宇^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?xí)r，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(shè)的影響

由于初期支護(hù)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(hù)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(zhì)量，如頂破防水板，造成接頭不嚴(yán)密，局部過緊，局部過松，造成防水板與初期支護(hù)、防水板與二次襯砌間的空隙；防水板鋪設(shè)復(fù)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(chǎn)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(dǎo)致二次襯砌厚度的增加，欠挖則會導(dǎo)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(chǎn)生額外的混凝土荷載，給臺車的安全性和穩(wěn)定性構(gòu)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(shè)止水帶時，出現(xiàn)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(dǎo)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(wěn)定性，從而導(dǎo)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(jī)械成本和時間進(jìn)度成本。人力材料機(jī)械成本主要有超挖引起多裝多運(yùn)隧道洞碴，超挖空間還需用臨時支護(hù)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(jìn)度成本是由于超挖給后序作業(yè)，如噴錨網(wǎng)支護(hù)、隧道防排水和二次襯砌等作業(yè)造成一定的困難，從而影響隧道整個施工進(jìn)度，從長期來看，最后轉(zhuǎn)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(nèi)。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(nèi)，從而保證工程總成本的可控。這就要從現(xiàn)場施工管理、施工技術(shù)、施工設(shè)備等多方而加強(qiáng)管理，目的就是要把眾多的因素置于可控的狀態(tài)，達(dá)到設(shè)計和施工的基本要求[9]。

4.1 根據(jù)圍巖地質(zhì)條件和爆破效果，進(jìn)行爆破參數(shù)調(diào)整

圍巖地質(zhì)條件是客觀存在的，是確定爆破參數(shù)的主要依據(jù)之一。在隧道施工中，圍巖地質(zhì)條件是不斷變化的，時常有軟弱夾層、溶洞等不良地質(zhì)情況出現(xiàn)。目前，爆破設(shè)計主要是采用經(jīng)驗類比法，并結(jié)合現(xiàn)場試驗。在開挖過程中，隨著圍巖節(jié)理裂隙的變化，鉆孔位置和角度、周邊孔的參數(shù)等也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

鑒于在掘進(jìn)過程中圍巖情況是不斷變化的，在每道循環(huán)進(jìn)尺爆破后應(yīng)由地質(zhì)工程師鑒定工作面圍巖的變化，認(rèn)真分析爆破效果，并結(jié)合圍巖的變化情況，對下一次循環(huán)進(jìn)尺的爆破設(shè)計做出相應(yīng)的參數(shù)調(diào)整。

1）爆破后發(fā)現(xiàn)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(diào)小藥量。2）爆破后光面爆破孔出現(xiàn)凹面，說明抵抗線太小，應(yīng)適當(dāng)加大光面爆破層厚度；反之如出現(xiàn)凸面，說明光面爆破層過厚，應(yīng)適當(dāng)減小。3）爆破后孔口部分有半孔痕，其他部分出現(xiàn)破碎圈，這說明炸藥線分布過于集中或藕合系數(shù)選擇不當(dāng)，應(yīng)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(chǎn)生的超挖量遠(yuǎn)大于爆破產(chǎn)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(yīng)嚴(yán)格按照爆破方案進(jìn)行，掏槽孔根據(jù)爆破方案采取一定的傾角。但在實際施工中，由于受鉆孔機(jī)械或人為的影響，或多或少的會形成一定的外插角。

根據(jù)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(jìn)行培訓(xùn)，使其按照操作細(xì)則和設(shè)計要求進(jìn)行施鉆，保證規(guī)定的孔位、孔深和傾斜角。并由技術(shù)熟練的人員負(fù)責(zé)周邊孔和掏槽孔的作業(yè)，在先鉆的孔內(nèi)插入導(dǎo)向管，依次作為基準(zhǔn)指導(dǎo)其他炮孔的作業(yè)。

2）鉆周邊孔時，通過鉆孔位置少量內(nèi)移來減少外插角。依據(jù)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(nèi)側(cè)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(jìn)行測量放樣前應(yīng)首先熟悉設(shè)計文件，掌握設(shè)計開挖斷面各部位的尺寸，同時考慮預(yù)留沉落量和變形量。

中線和標(biāo)高的偏移，將使斷面輪廓線向一側(cè)偏移，造成開挖斷面一側(cè)超挖、一側(cè)欠挖，因此首先要保證中線和標(biāo)高的準(zhǔn)確。

通過工程的應(yīng)用實踐證明，在直線隧道采用激光照準(zhǔn)儀定出控制點，再用支距法畫出輪廓線，最后按照爆破設(shè)計畫出孔位，是一個既經(jīng)濟(jì)又行之有效的方法。

4.4 采用合理的爆破技術(shù)

爆破技術(shù)主要指爆破方法、爆破參數(shù)、爆破器材和裝藥方法等，采取不同的爆破方法、爆破參數(shù)、爆破器材和裝藥方法均對爆破超欠挖產(chǎn)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(fā)現(xiàn)，光面爆破明顯優(yōu)于普通爆破。光面爆破能最大限度地使開挖面符合設(shè)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(yù)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(qiáng)現(xiàn)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(xiàn)實意義。隧道的超欠挖問題不僅是技術(shù)問題，還是施工管理問題，只有建立一套嚴(yán)格的施工管理制度，才能保證技術(shù)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(tài)，達(dá)到爆破設(shè)計的基本要求。在爆破質(zhì)量管理中，應(yīng)做到以下幾點：

1）建立一套比較健全的質(zhì)量保證體系，對作業(yè)全過程及相關(guān)因素實行嚴(yán)格科學(xué)的管理。2）加強(qiáng)組織保障，對進(jìn)行鉆爆操作人員實行定人定崗。必須對司鉆人員進(jìn)行崗前培訓(xùn)，并組織熟練鉆工進(jìn)行經(jīng)驗交流，通過崗前培訓(xùn)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(shù)。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(shè)計等工序之間的銜接和呼應(yīng)。

5 結(jié) 語

超挖引起多裝運(yùn)洞碴，增加回填量，給初期支護(hù)、防排水、二次襯砌等后續(xù)作業(yè)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(huán)節(jié)，超欠挖的好壞直接影響后期施工的優(yōu)劣。超欠挖也給后序的初期支護(hù)、隧道防排水和二次襯砌等作業(yè)造成一定的困難。在超欠挖嚴(yán)重的情況下，對隧道洞室的穩(wěn)定性和進(jìn)度也會產(chǎn)生一定的影響。應(yīng)積極運(yùn)用測量新技術(shù)，重視對隧道開挖技術(shù)的統(tǒng)計，做好良好的爆破技術(shù)和施工管理，選擇合理的鉆爆機(jī)械設(shè)備和測量設(shè)備，杜絕施工中只重視掘進(jìn)速度，忽視開挖質(zhì)量的思想。從安全、可靠、經(jīng)濟(jì)等多方面考慮，盡可能地降低隧道的超欠挖具有現(xiàn)實意義。

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