鉆爆法施工隧道超挖對工程造價影響及管控措施

馬守珍

(甘肅順達路橋建設(shè)有限公司,甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

目前,山嶺隧道開挖由于施工成本、運輸條件限制,仍然很大比例采用傳統(tǒng)鉆爆法施工,機械開挖所占比例還很小[1]。鉆爆法所需設(shè)備小巧、炸藥成本相對較低,掘進速度尚能接受,在未來一段時間內(nèi)仍然是山嶺隧道開挖的主流工法[2-3]。但是,傳統(tǒng)鉆爆法施工隧道過程中,超挖現(xiàn)象普遍存在,施工成本及材料消耗增加較大[4],施工過程需采取有效措施,控制開挖精度,減少超挖損失。

1 隧道開挖輪廓現(xiàn)狀

據(jù)大量鉆爆法施工的山嶺隧道數(shù)據(jù)統(tǒng)計,隧道平均超挖值約為35 cm,加上特殊巖層,如水平巖層、煤系地層等,超挖值能達1 m以上[5]。在采用控制爆破技術(shù)后,隧道開挖平均超挖值可以減小到16～20 cm,隧道開挖輪廓線也較為圓順[6]。在對引起隧道超挖的各種因素分析中,歸納出主要幾個因素:(1)鉆孔精度;(2)爆破技術(shù);(3)施工組織管理;(4)測量劃線;(5)圍巖變化。而在以上5個主要因素中,影響程度分別為:鉆孔精度占比44.2%,爆破技術(shù)占比20.3%,施工管理占比17.6%。僅此三項,已影響隧道超挖達82%[7]。因此控制超挖的重點是控制鉆孔精度、爆破和施工管理。

2 隧道超挖對開挖各工序成本影響分析

公路隧道施工規(guī)范規(guī)定,隧道開挖原則上不允許欠挖,當滿足一定條件時,允許少量欠挖,拱腳、拱墻以上1 m范圍內(nèi)等位置嚴禁欠挖[8]。因此,隧道施工中,為避免二次襯砌厚度檢測不過關(guān),往往形成了“寧超勿欠”的“傳統(tǒng)”,這就導致隧道超挖問題更為突出[9]。

通過對大量隧道開挖數(shù)據(jù)采集、歸納,以兩車道公路隧道Ⅳa級圍巖上導坑開挖為例,從隧道開挖各道工序?qū)κ┕こ杀居绊懼鹨贿M行分析。

(1)開挖。對于采取控制爆破施工的隧道,Ⅳa級圍巖合理超挖量可控制在2.5 m3/延米左右,未采取控制爆破的隧道超挖量平均在7.3 m3/延米左右。開挖單價平均25元/m3,則超挖引起成本增加120元/延米(扣除合理超挖量2.5 m3)。

(2)出渣。合理超挖標準下(初噴料超耗80%,含30%回彈量)出渣單價為10元/m3。未采取控制爆破的隧道(初噴料超耗150%情況下),則每延米比合理超挖標準增加4.8 m3緊方,合7.3 m3松方,每延米增加0.6次運輸,燃油費用合計29元,每設(shè)計立方增加0.44元。

(3)立架噴漿。隧道立架初噴料單價在合理超挖標準下(80%,含30%回彈量)為1000～1 050元/m,150%超耗標準下初噴料單價為1 100～1 200元/m,每延米單價增加100～150元。

(4)初噴料。Ⅳa級圍巖設(shè)計初噴料4.86 m3/延米,合理超挖標準下(80%,含30%回彈量)需噴射8.75 m3;150%超耗情況下,需噴射12.15 m3。比合理超挖標準增加初噴料3.4 m3,初噴料成本約為285元/m3,則每延米增加成本969元。

(5)電量消耗。Ⅳa級圍巖每循環(huán)進尺3.5 m,在合理超挖標準下(80%,含30%回彈量)噴漿所需時間為5.5 h,150%超耗情況下,噴漿時間為8 h,噴漿時間增加2.5 h。單洞掌子面噴漿時需啟動空壓機3臺,功率為110～132 kW,以3臺110 kW為例,噴漿時間增加2.5 h,多耗電825°,按1元/度計,則電費增加825元,折算每延米耗電量增加236元。

(6)循環(huán)時間。隧道開挖循環(huán)時間對比表見表1。從表1看出,初噴料超耗80%時每循環(huán)作業(yè)時間可以減少約2 h,以隧道總計500循環(huán)為例,則可節(jié)約1 000 h作業(yè)時間,按3.5 m進尺計,可多掘進200 m。

表1 隧道開挖循環(huán)時間對比表

如隧道合理超挖標準控制在初噴料超耗80%以內(nèi)(含30%回彈),則可節(jié)約工程造價1 553.4元/延米(見表2),不含節(jié)約循環(huán)時間2 h。

表2 隧道超挖每延米增加成本分析表

3 隧道超挖控制對策

3.1 鉆孔精度要求

引起隧道超挖的各種因素中,鉆孔精度影響最大[10],要控制隧道超挖,就要控制隧道的開挖輪廓,即首先要控制住周邊眼的鉆孔精度,鉆孔精度得到控制,超挖現(xiàn)象就能控制在合理標準之內(nèi)?？刂沏@孔精度的基本要求有以下幾方面。

(1)周邊眼:所有鉆完的周邊眼沿隧道外輪廓應(yīng)在一個平面內(nèi),不允許相鄰炮眼在縱向出現(xiàn)角度差,即出現(xiàn)“剪刀眼”[11]。

(2)輔助眼:除掏槽眼外,所有輔助眼孔底應(yīng)在一個平面內(nèi),不允許出現(xiàn)長短不一現(xiàn)象,否則爆后掌子面會出現(xiàn)凹凸不平現(xiàn)象。

(3)掏槽眼:由于掏槽眼是創(chuàng)造臨空面的最先爆破的炮眼,眼底會受到一定夾制作用,所以掏槽眼需比其他炮眼深20 cm,這樣爆破后掌子面才能保證平齊。

3.2 開孔位置及角度

(1)Ⅳ級圍巖開眼位置及角度

以Ⅳ級圍巖條件下單循環(huán)進尺3.5 m為例,研究周邊眼開孔位置及外插角度,以達到最小超挖目標,輔助眼、掏槽眼按照爆破設(shè)計圖司鉆即可。

如圖1所示,由于Ⅳ級圍巖有型鋼支架,風槍無法與開挖輪廓線密貼,中間隔著型鋼,這就導致炮釬與開挖輪廓線夾角不能再小,因此,炮眼開孔位置應(yīng)在初支內(nèi)輪廓線往里收2 cm左右。外插角度在現(xiàn)場司鉆過程中用多少度控制不切實際,外插角度利用炮釬與初支內(nèi)輪廓線(距掌子面1 m位置)的距離為15 cm控制較為合適,按此控制的炮眼司鉆完畢后,眼底超出設(shè)計開挖輪廓線大約13.6 cm。

圖1 Ⅳ級圍巖周邊眼炮釬控制圖(單位cm)

由圖1也可以看出,炮眼和設(shè)計開挖輪廓線的交點將炮眼分為兩段,前半段會出現(xiàn)欠挖現(xiàn)象,后半段為超挖。為解決前半段欠挖,采用補打短眼的方式將該欠挖部分爆除,短眼開孔位置較長眼往圍巖里收10 cm,炮釬在掌子面往后1 m位置緊貼初支內(nèi)輪廓司鉆即可,炮眼長度1.2 m,這樣就可解決前半部分欠挖問題,后半部分超挖定義為合理超挖。

(2)Ⅲ級圍巖開眼位置及角度

Ⅲ級圍巖由于沒有型鋼支架,炮釬與設(shè)計開挖輪廓線夾角可以更小,同樣以3.5 m進尺為例,炮眼開孔位置為緊貼初支內(nèi)輪廓線即可,外插角度控制同樣也采用距掌子面1 m位置處炮釬與初支內(nèi)輪廓線距離為15 cm控制。

3.3 司鉆過程中控制措施

(1)測量放樣要求。開挖輪廓線放樣:測量人員在放開挖輪廓線時應(yīng)放初支內(nèi)輪廓線,用紅油漆在掌子面上間隔50 cm左右做標記,還應(yīng)在隧道中軸線上放出一點,作為引炮線[12]。

(2)鉆孔角度及深度檢查。司鉆時,司鉆人員應(yīng)先鉆一個標準眼,然后插入導向桿,作為下一炮眼司鉆參照,防止鉆偏鉆斜。拱頂處周邊眼,司鉆人員按放出的引炮線鉆設(shè)第一個標準眼。鉆好一個周邊眼后,技術(shù)人員應(yīng)用4 m長測量用花桿插入炮孔,在離開開孔位置后退1 m位置,檢查花桿與初支內(nèi)輪廓之間距離,拱頂120°范圍內(nèi),要求這一距離≯15 cm,周邊眼其余位置,這一距離≯10 cm,且每孔深度應(yīng)一致。

(3)爆破后效果檢查及調(diào)整。爆破后質(zhì)量檢驗標準,Ⅳ級圍巖允許超挖值分部位進行控制,且標準比規(guī)范要求更高,其中拱部在10～150 mm以內(nèi),邊墻及隧底在50 mm以內(nèi),Ⅲ級圍巖整體控制在50 mm以內(nèi)。

研究分析爆破后實測斷面圖,調(diào)整開孔位置及鉆桿外插角度等參數(shù),使超欠挖值達到最佳數(shù)值。

3.4 提高鉆孔精度后爆破效果

Ⅳ級圍巖上臺階開挖斷面約為65 m2,該循環(huán)進尺3.9 m設(shè)計開挖方量為259.935 m3,實測開挖量為270.504 m3,超挖10.569 m3;設(shè)計噴射混凝土為16.45 m3,實測噴射混凝土為30.62 m3,噴射混凝土超耗比例為86%。如前所述,若噴射混凝土超耗控制在80%以內(nèi),則每延米可節(jié)約成本1 554元,并且縮短每循環(huán)作業(yè)時間2 h,因此,采用僅提高鉆孔精度一項的工程經(jīng)濟意義已非常突出。

3.5 強化施工控制和技術(shù)管理

施工管理對隧道超挖的影響也較大,因此,除了提高鉆孔精度外,必須強化施工過程中的管理。通過推廣控制爆破一段時間以來,結(jié)合現(xiàn)場管理情況,應(yīng)從以下幾方面作出要求。

(1)測量要求。隧道項目均應(yīng)配備隧道斷面儀(實測開挖輪廓線),直觀反映開挖環(huán)節(jié)的優(yōu)劣;開挖輪廓線放樣,目前多由隧道班組實施,為便于精確控制放樣,實測開挖輪廓斷面,應(yīng)由項目部統(tǒng)籌隧道測量人員。

(2)管理人員配置要求。隧道開挖環(huán)節(jié)每工作面配置一名技術(shù)人員對輪廓線放樣、掌子面紅油漆標記、開孔位置、成孔進行檢查,對不滿足要求的炮眼必須廢棄,重新司鉆。

(3)定期開展培訓。重視提升各級管理人員,尤其是一線作業(yè)人員的業(yè)務(wù)水平,根據(jù)現(xiàn)場存在的不足,通過定期培訓和觀摩學習,開展開挖工人業(yè)務(wù)技能培訓,明確培訓目標、標準、操作流程及注意事項,保證培訓效果,提升業(yè)務(wù)水平。

4 結(jié) 語

隧道開挖輪廓及超挖量可以通過提高鉆孔精度、強化施工管理得到較好控制,能夠?qū)⑺淼莱诳刂圃谝粋€合理范圍內(nèi)。研究經(jīng)對大量隧道控制爆破開挖的測量數(shù)據(jù)加以研究分析,提出兩車道公路隧道Ⅳ級圍巖情況下,初噴料超耗合理標準可控制在80%以內(nèi),每延米可節(jié)約工程造價上千元,經(jīng)濟效益非常顯著,并且還可縮短循環(huán)時間,提高施工效率。