肖 先

(中鐵二十局集團(tuán)第四工程有限公司 山東青島 266061）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)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(jìn)度，影響著全線施工成本。如何在確保安全質(zhì)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(gòu)、TBM施工，地質(zhì)復(fù)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(diǎn)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(wěn)，影響安全質(zhì)量。欠挖處理需再次爆破，也會影響工程進(jìn)度及增加成本。欠挖處理不當(dāng)，容易造成初支及二襯厚度不滿足要求，形成質(zhì)量隱患。超欠挖的形成有兩方面原因，一是技術(shù)方面，原有的技術(shù)有待改進(jìn)，特別是大斷面隧道的爆破技術(shù)有待進(jìn)一步改進(jìn)；二是管理原因，現(xiàn)場施工中，既定方案不能得到有效落實(shí)，孔位布置隨意、鉆孔角度不準(zhǔn)，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(shù)、周邊眼精確定位技術(shù)，提出了隧道超欠挖控制技術(shù)。

2 超欠挖原因分析

2.1 隧道超欠挖質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

隧道超欠挖質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 隧道超欠挖質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

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(shè)計還是監(jiān)理方均要求初期支護(hù)施工至掌子面，以確保施工安全。初期支護(hù)至掌子面后，給鉆桿鉆孔預(yù)留空間已不能滿足鉆孔要求，無法達(dá)到設(shè)計角度，特別是設(shè)計有鋼架的初期支護(hù)，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(yù)留孔洞，在拱架上預(yù)留孔洞不僅降低了拱架的強(qiáng)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(shè)計孔位布孔引起超欠挖

爆破設(shè)計是根據(jù)圍巖進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計，在施工過程中由于受場地限制，臺車限制，鉆孔設(shè)備限制，不能按設(shè)計進(jìn)行鉆孔，隨意改變孔位位置及角度，最后達(dá)不到設(shè)計爆破效果。

2.4 不按設(shè)計裝藥堵孔引起超欠挖

在施工過程中，為了加快施工進(jìn)度，或者是項(xiàng)目采購原因，只有部分段別雷管、無導(dǎo)爆索、無小藥卷，裝藥結(jié)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(huán)進(jìn)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(shè)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(shù)

3.1 周邊眼精確定位技術(shù)

鉆孔定位必須有很好的定位體系，如何將設(shè)計圖紙定位到現(xiàn)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(jù)巖石軟硬程度(f值）來定[1-2]，具體參數(shù)見表2。目前現(xiàn)場較多采用全站儀逐點(diǎn)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(jìn)采用激光定位監(jiān)測系統(tǒng)利用大功率激光投射方式進(jìn)行開挖輪廓線和爆破炮孔的定位[3]，指導(dǎo)鉆機(jī)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(shù)

如何控制向外偏移角度對于隧道超欠挖至關(guān)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(jī)精確控制

在隧道掘進(jìn)中，采用較先進(jìn)的施工設(shè)備更能精確控制鉆孔角度，在施工中落實(shí)設(shè)計意圖，比如鑿巖臺車，當(dāng)鑿巖機(jī)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(huán)向不大于5 cm。

3.2.2 預(yù)留初期支護(hù)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(hù)之間始終預(yù)留3～4 m初期支護(hù)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(shè)計水平鉆進(jìn)。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(jìn)外插角確定

在施工中由于初期支護(hù)臨近掌子面，初期支護(hù)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(guān)鍵因素。

圖2 隧道超欠挖偏移計算（單位：cm）

根據(jù)圖2所示可以推導(dǎo)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(huán)長度(m）；h表示掌子面欠挖值(cm）；a表示鉆孔與設(shè)計開挖輪廓之間的角度。

根據(jù)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(jīng)過對表3數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出中硬巖在初期支護(hù)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(hù)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(shù)

在角度一定的情況下，循環(huán)進(jìn)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(shù)，對隧道的超欠挖能起到很好的控制作用。

3.3.1 短炮孔設(shè)置

根據(jù)表3計算數(shù)據(jù)，短孔的鉆孔長度應(yīng)超過長孔與開挖輪廓線的交點(diǎn)才能確保長短孔交界處不出現(xiàn)欠挖現(xiàn)象。如果短孔爆破后超過交界處，則會出現(xiàn)超挖現(xiàn)象，短孔太短則達(dá)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(shè)置

長孔布置在短孔的內(nèi)側(cè)，間距根據(jù)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(jù)鉆孔直徑適當(dāng)放大。

3.3.3 炮孔角度設(shè)置

根據(jù)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(dá)到控制超欠挖效果。當(dāng)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(jié)合施工；中硬巖按每循環(huán)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(shù)，長短孔均采用4°外插角施工。

3.4 長短孔爆破裝藥設(shè)計

周邊眼采用不偶合裝藥和空氣間隔裝藥；將藥卷綁在導(dǎo)爆索上，形成一個斷續(xù)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(nèi)[7-9]。光面爆破一般參考數(shù)值見表6。

表6 光面爆破一般參考數(shù)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(jù)圍巖不同錯開相應(yīng)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(yè)還要根據(jù)地質(zhì)條件及時修正爆破參數(shù)，以期達(dá)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(shù)根據(jù)起爆方案整體設(shè)計[12]。

4 結(jié)束語

采用預(yù)留3～4 m初期支護(hù)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(shè)計、業(yè)主要求按設(shè)計施工，在現(xiàn)場操作起來較為困難。

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

由于長短孔結(jié)合技術(shù)減少了超欠挖工程量，減少了初噴混凝土量，為施工節(jié)約了時間，節(jié)約了材料，贏得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。