楊 波，趙 軍，周明聰，張勤彬，石晨晨

(1.中國(guó)中鐵爆破安全技術(shù)研發(fā)中心，四川 成都 610031；2.中鐵二局集團(tuán)成都新技術(shù)爆破工程有限公司，四川 成都 610031)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迎來(lái)了新的發(fā)展熱潮。隨著公路工程、鐵路工程及水利水電工程建設(shè)項(xiàng)目的快速推進(jìn)，加之我國(guó)地形地貌復(fù)雜多樣，隧道工程的規(guī)模越來(lái)越大。截至2019年底，僅中鐵二局集團(tuán)有限公司(簡(jiǎn)稱“中鐵二局”)在建隧道就有187座，其中鐵路隧道56座，盾構(gòu)及TBM隧道48座，地鐵礦山法區(qū)間8座，地鐵車站31座，公路隧道38座，市政隧道6座。據(jù)隧道技術(shù)中心及中國(guó)中鐵爆破安全技術(shù)研發(fā)中心(簡(jiǎn)稱“爆破安全技術(shù)中心”)統(tǒng)計(jì)，中鐵二局在建隧道及地下工程總長(zhǎng)373.665 km，其中鐵路隧道長(zhǎng)175.919 km，盾構(gòu)施工隧道長(zhǎng)110.361 km，礦山法暗挖區(qū)間長(zhǎng)5.684 km，公路隧道長(zhǎng)56.243 km，市政隧道長(zhǎng)25.458 km。在長(zhǎng)大隧道施工中，常采用鉆爆法。受地質(zhì)條件、爆破工藝、爆破參數(shù)、施工管理、測(cè)量放樣及鑿巖精度等影響，爆破施工后隧道超欠挖現(xiàn)象十分常見(jiàn)[1]。

1 隧道爆破掘進(jìn)超欠挖現(xiàn)狀

隧道及地下工程建設(shè)中，爆破后的超欠挖現(xiàn)象是亟待解決的普遍問(wèn)題。為了分析及統(tǒng)計(jì)各隧道工程的超欠挖現(xiàn)狀，近年來(lái)爆破安全技術(shù)中心選取了行業(yè)內(nèi)幾個(gè)具有代表性的隧道工程進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 典型隧道工程的超挖數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表1可以看出，各隧道及地下工程施工中的超挖問(wèn)題均較為嚴(yán)重，平均超挖約27 cm。爆破安全技術(shù)中心在不同圍巖條件下進(jìn)行了大量的光面爆破試驗(yàn)，通過(guò)技術(shù)與管理的嚴(yán)格控制可將隧道超挖范圍控制在10 cm左右。多年來(lái)，相關(guān)學(xué)者及技術(shù)人員均十分重視隧道爆破超欠挖的控制工作，提出了相應(yīng)的技術(shù)措施，制訂了相關(guān)制度及管理辦法；但在實(shí)際施工中一直存在“重施工進(jìn)度，輕超欠挖控制”的情況，爆破超欠挖控制措施未能得到有效落實(shí)。爆破掘進(jìn)時(shí)若出現(xiàn)欠挖，會(huì)增加處理欠挖所投入的機(jī)械、材料及人員費(fèi)用；而發(fā)生超挖時(shí)，會(huì)大幅增加混凝土量及機(jī)械、人員費(fèi)用[2]?？刂瞥吠诂F(xiàn)象不僅可以節(jié)約成本，還可以加快施工進(jìn)度。

2 隧道超欠挖現(xiàn)象的危害

隧道超欠挖現(xiàn)象發(fā)生后，對(duì)隧道建設(shè)及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的成本、安全及質(zhì)量均會(huì)產(chǎn)生不利影響。

a.隧道鉆爆法施工的控制難點(diǎn)便是超欠挖問(wèn)題，如超挖則會(huì)增加出渣工程量，也會(huì)相應(yīng)增加初期支護(hù)的工程量，延長(zhǎng)各工序的施工時(shí)間。

b.隧道超挖會(huì)造成圍巖不穩(wěn)，若開(kāi)挖后未按規(guī)范要求進(jìn)行噴錨支護(hù)，將影響隧道施工的安全及質(zhì)量。爆破安全技術(shù)中心的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，各類隧道爆破后的最大超挖部位大多出現(xiàn)在巷道拱肩至拱頂處，要將回填的混凝土飽滿噴實(shí)于這些部位十分困難，因此這些超挖部位襯砌完成后往往會(huì)存在空洞或縫隙，不僅會(huì)降低圍巖穩(wěn)定性，而且還為以后地下水的滲漏提供了通道和存儲(chǔ)空間，從而成為隧道運(yùn)營(yíng)時(shí)的安全隱患。

c.當(dāng)因爆破施工不當(dāng)發(fā)生欠挖時(shí)，在欠挖處理過(guò)程中必須進(jìn)行鑿巖、爆破，從而影響工程進(jìn)度及施工成本。如在欠挖時(shí)未進(jìn)行規(guī)范處理，易造成初支及二襯厚度不符合設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求，形成潛在的安全及質(zhì)量隱患，影響隧道后期的施工及運(yùn)營(yíng)。

3 隧道爆破掘進(jìn)超欠挖原因分析

隧道爆破掘進(jìn)超欠挖產(chǎn)生的原因主要包括環(huán)境、技術(shù)、管理、獎(jiǎng)罰、觀念等5個(gè)方面[2]，分別敘述如下。

3.1 環(huán)境因素

由于隧道爆破掘進(jìn)是直接在原巖中進(jìn)行的，各類原巖在地質(zhì)內(nèi)外力的相互作用下產(chǎn)生了多種構(gòu)造形跡，巖體的堅(jiān)硬程度及其完整程度決定了其質(zhì)量。長(zhǎng)期的爆破實(shí)踐表明，地質(zhì)條件是影響隧道超欠挖的主要因素之一；此外在鑿巖作業(yè)時(shí)，鑿巖角度限制也是影響隧道超欠挖不可忽視的因素。

a.地質(zhì)條件。巖體越堅(jiān)硬、越完整，爆破時(shí)爆炸荷載對(duì)巖體介質(zhì)做功就越均勻。如巖體過(guò)于堅(jiān)硬，未及時(shí)調(diào)整爆破參數(shù)，常會(huì)造成爆破后隧道欠挖；另外由于圍巖存在明顯的節(jié)理、裂隙、軟弱夾層、溶洞等，爆破作用時(shí)爆生氣體沿巖體軟弱面高速入侵，使原巖沿著節(jié)理裂隙及軟弱帶發(fā)生楔形塊裂破壞，爆破后巖體不沿周邊炮孔的輪廓線破壞，從而造成嚴(yán)重的超挖[3]。

b.鑿巖工作面。隧道施工中為確保施工安全，要求初期支護(hù)緊跟掌子面，這樣就縮小了鑿巖鉆孔預(yù)留的空間，難以達(dá)到設(shè)計(jì)的角度，特別是設(shè)計(jì)有鋼架的初期支護(hù)，對(duì)鑿巖鉆孔限制更大。常用的處理方法有3種：一是外移鑿巖設(shè)備，鑿巖鉆孔偏離輪廓線，但僅依靠裝藥參數(shù)來(lái)調(diào)整爆破效果，爆破后一般都會(huì)發(fā)生超欠挖；二是增加外插角，但增加外插角時(shí)炮孔軸線偏離設(shè)計(jì)輪廓線的距離會(huì)隨外插角及鉆孔深度的增大而增大；三是拉大周邊孔間距，孔間增設(shè)短孔以補(bǔ)償部分能量，但這樣會(huì)使周邊孔炸藥布設(shè)不均勻，導(dǎo)致超欠挖[4]。

3.2 技術(shù)因素

隧道爆破掘進(jìn)后產(chǎn)生超欠挖的另一主要原因是爆破工藝及爆破設(shè)計(jì)參數(shù)選擇不當(dāng)，其中爆破工藝、掏槽形式、循環(huán)進(jìn)尺、最小抵抗線、炮孔間距、裝藥結(jié)構(gòu)、線裝藥密度、單孔藥量、起爆網(wǎng)路及炮孔填塞等對(duì)爆破施工均有一定程度的影響。

a.隧道爆破工藝。爆破工藝的選擇在很大程度上影響著爆破后的壁面平整度，傳統(tǒng)的隧道爆破工藝，其周邊孔裝藥較為集中，且孔口段一般均為未裝填的炸藥藥卷；為能有效地將巖體崩落，實(shí)踐中常采用加大炮孔中下部裝藥量的方式；這樣在爆破作業(yè)后，加強(qiáng)裝藥部分必然將產(chǎn)生嚴(yán)重的超挖現(xiàn)象，且不利于爆破后的巖體自穩(wěn)，不利于安全施工，如未加強(qiáng)裝藥，又必然會(huì)造成欠挖。

b.掏槽形式。隧道爆破施工中，掏槽形式選擇不當(dāng)會(huì)造成掏槽效果較差，直接影響輔助及周邊孔的爆破效果，造成隧道欠挖。

c.循環(huán)進(jìn)尺。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)向內(nèi)偏移炮孔輪廓線進(jìn)行鑿巖鉆孔時(shí)，循環(huán)進(jìn)尺設(shè)置越大，孔底所需裝填的炸藥量越大，孔口段發(fā)生欠挖的概率越大；當(dāng)采用設(shè)置外插角的方式鉆孔時(shí)，隨著鉆孔深度的增加，孔底位置超出輪廓線的距離也相應(yīng)增加，爆破后必然產(chǎn)生超挖。

d.最小抵抗線。隧道爆破設(shè)計(jì)中，若最小抵抗線設(shè)置過(guò)大，則炸藥爆炸產(chǎn)生的能量不足以崩落巖體；若最小抵抗線設(shè)置過(guò)小，則爆破后巖體沿最小抵抗線方向崩落，而不沿炮孔連線方向開(kāi)裂，爆破后壁面呈鋸齒狀。故抵抗線設(shè)置不合理也會(huì)導(dǎo)致隧道的超欠挖。

e.炮孔間距。在現(xiàn)場(chǎng)缺乏監(jiān)督的情況下，作業(yè)人員為了減少鑿巖鉆孔工作量，常不按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行炮孔鉆鑿作業(yè)，使得炮孔鉆鑿的間距大于設(shè)計(jì)要求，炮孔數(shù)量少于設(shè)計(jì)值；無(wú)論是按正常裝藥還是增大裝藥量，爆破后壁面的平整度都較差，常導(dǎo)致超欠挖。

f.裝藥結(jié)構(gòu)及單孔裝藥量。隧道爆破施工中，周邊孔采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)且單孔藥量過(guò)大時(shí)，易造成超挖；如果間隔裝藥距離設(shè)置過(guò)大、單孔裝藥量過(guò)小，爆破破碎效果較差，易導(dǎo)致欠挖。

g.起爆網(wǎng)路。對(duì)于光面爆破，周邊孔的起爆順序決定了爆破效果。當(dāng)周邊孔爆破時(shí)間過(guò)早時(shí)，臨空面未完全形成，周邊孔起爆過(guò)遲，不能充分利用輔助孔的爆破破碎能量，爆破后都易產(chǎn)生欠挖。工程經(jīng)驗(yàn)表明，周邊孔起爆時(shí)間比輔助孔延遲100～150 ms時(shí)，爆破后能在較大程度上避免欠挖。

h.炮孔填塞。在隧道爆破施工中，由于炮孔數(shù)量較多，現(xiàn)場(chǎng)爆破作業(yè)人員為了節(jié)約裝藥時(shí)間，常僅對(duì)掏槽孔進(jìn)行填塞，這樣將使未填塞的炮孔的一部分能量用于爆破飛石、沖擊波、噪聲等有害效應(yīng)的產(chǎn)生及傳播，導(dǎo)致欠挖。為了補(bǔ)償未填塞炮孔的耗散能量，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員又刻意增大單孔裝藥量，這將導(dǎo)致巖體的過(guò)度粉碎，造成隧道超挖。炮孔不填塞不但不利于超欠挖的控制，還存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)[2,5]。

3.3 管理因素

測(cè)量、鑿巖、爆破作業(yè)時(shí)，施工現(xiàn)場(chǎng)管理不到位也會(huì)造成隧道爆破掘進(jìn)的超欠挖。

a.測(cè)量誤差。由于隧道內(nèi)能見(jiàn)度較低，測(cè)量放線人員在隧道內(nèi)測(cè)量時(shí)，前后視點(diǎn)照準(zhǔn)困難導(dǎo)致出現(xiàn)誤差；同時(shí)掌子面凹凸不平，放樣至輪廓線時(shí)容易出現(xiàn)偏離。

b.鉆孔精度。由于掌子面是一個(gè)不平整的巖面，部分鉆孔位置難以在指定孔位進(jìn)行定位，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，只能在指定孔位附近再行補(bǔ)孔，加之各種人為因素，導(dǎo)致孔位存在偏差。此外，由于鑿巖鉆孔作業(yè)一般安排在零點(diǎn)以后，現(xiàn)場(chǎng)缺乏監(jiān)督管理，造成鉆孔人員隨意鑿巖鉆孔，鉆孔后出現(xiàn)外插角過(guò)大、孔間不平行、孔底未落到同一平面、各孔位偏差大等情況，如不進(jìn)行驗(yàn)收及補(bǔ)打不合格炮孔而直接進(jìn)行爆破，則很容易出現(xiàn)超欠挖。

c.現(xiàn)場(chǎng)管理。在控制隧道爆破掘進(jìn)的超欠挖時(shí)，需建立一個(gè)比較完善、統(tǒng)一的質(zhì)量保證體系，對(duì)作業(yè)全過(guò)程及相關(guān)因素實(shí)行嚴(yán)格、科學(xué)的管理；但當(dāng)前絕大多數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)管理均流于形式，未將交底內(nèi)容落到實(shí)處，未對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行常態(tài)化管理，也未對(duì)現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題進(jìn)行分析改進(jìn)，造成了隧道超欠挖未能得到有效控制[6]。

3.4 獎(jiǎng)懲因素

a.獎(jiǎng)勵(lì)措施。在控制隧道爆破掘進(jìn)的超欠挖時(shí)，需要建立強(qiáng)有力的獎(jiǎng)懲制度。對(duì)于超欠挖控制較好的班組、管理人員，應(yīng)以每循環(huán)考核結(jié)果為參考依據(jù)，在經(jīng)濟(jì)或物質(zhì)上給予相關(guān)人員獎(jiǎng)勵(lì)，有相應(yīng)的激勵(lì)才能讓現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員有動(dòng)力落實(shí)超欠挖的各項(xiàng)技術(shù)及管理規(guī)定；但絕大多數(shù)情況下獎(jiǎng)勵(lì)政策未落到實(shí)處，相關(guān)人員付出時(shí)間及精力后未被相關(guān)管理層肯定及褒獎(jiǎng)，致使作業(yè)人員失去了超欠挖控制的熱情。

b.懲罰措施。隧道超欠挖發(fā)生后相應(yīng)的懲罰制度雖然制訂了，但在現(xiàn)場(chǎng)一直未得到有力落實(shí)，這就造成了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員為減少麻煩而采用傳統(tǒng)的爆破工藝及方法進(jìn)行爆破，施工周期雖有所縮短，但爆破后的超欠挖現(xiàn)象十分普遍。

3.5 觀念因素

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，只要光面爆破效果好，隧道爆破后的超欠挖一定控制得較好，噴射的混凝土量就消耗得少，但事實(shí)并非如此。隧道光面爆破后噴射混凝土的用量相應(yīng)減少是建立在鑿巖鉆孔精確、噴漿人員操作水平較高的前提下。此外，在實(shí)際的隧道施工中，由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范僅對(duì)欠挖作了詳細(xì)規(guī)定。為預(yù)防欠挖的發(fā)生，測(cè)量人員常超出設(shè)計(jì)輪廓線進(jìn)行炮孔放樣，從而使光面爆破效果就算再好也會(huì)造成隧道的超挖；現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)班組也一直存在“寧超勿欠”的意識(shí)，故意加大單孔藥量，造成超挖。

4 隧道爆破掘進(jìn)超欠挖控制措施

隧道爆破掘進(jìn)超欠挖控制措施中，排除地質(zhì)條件、圍巖性質(zhì)等客觀因素外，可在爆破參數(shù)選擇、爆破施工工藝及現(xiàn)場(chǎng)管理等方面進(jìn)行完善和改進(jìn)，以不斷改善隧道爆破效果，達(dá)到有效控制超欠挖的目的。

4.1 爆破參數(shù)選擇

隧道爆破施工中，炮孔直徑一般選擇38～45 mm，掏槽及輔助孔炸藥直徑采用32 mm，周邊孔裝填25 mm炸藥；掏槽及輔助孔按照設(shè)計(jì)說(shuō)明進(jìn)行炮孔布置及裝藥作業(yè)，周邊孔采用間隔裝藥的方式，以減小爆破作用對(duì)圍巖的擾動(dòng)及破壞，利于對(duì)隧道超欠挖的控制。周邊炮孔的鑿巖角度、炮孔間距、最小抵抗線及裝藥密度是對(duì)爆破效果影響最大的因素。不同圍巖的外插角和鑿巖偏移值的選取參考表2[4]，光面爆破參數(shù)參考值見(jiàn)表3。

表2 外插角、圍巖類別及鑿巖偏移的參考值

表3 光面爆破參數(shù)參考值

4.2 爆破施工工藝

隧道爆破施工中，傳統(tǒng)觀念認(rèn)為僅有圍巖條件較好的隧道才能采用光面爆破技術(shù)。爆破安全技術(shù)中心在軟弱圍巖及破碎圍巖條件下采用弱爆破的方式進(jìn)行了大量的光面爆破試驗(yàn)，結(jié)果表明，無(wú)論是破碎圍巖還是較為完整的圍巖，均可以采用光面爆破。為了控制爆破作業(yè)后的超欠挖，爆破安全技術(shù)中心積累了大量的光面爆破技術(shù)參數(shù)，不同圍巖光面爆破效果對(duì)比如圖1、圖2所示。

圖1 破碎圍巖條件下傳統(tǒng)爆破與光面爆破效果對(duì)比

圖2 完整圍巖條件下傳統(tǒng)爆破與光面爆破效果對(duì)比

采用光面爆破技術(shù)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照測(cè)量放樣、鑿巖鉆孔、炮孔驗(yàn)收、炮孔清吹、裝藥、填塞、起爆網(wǎng)路連接、炮后檢查、排危、出渣及超欠挖復(fù)測(cè)等工藝流程進(jìn)行[7]：

a.實(shí)施鉆孔作業(yè)前，監(jiān)督測(cè)量人員準(zhǔn)確標(biāo)出炮孔布置點(diǎn)位。

b.開(kāi)挖班組嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)進(jìn)行鑿巖鉆孔作業(yè)，嚴(yán)禁隨意鉆孔，嚴(yán)禁少鉆孔。

c.炮孔鉆鑿?fù)瓿珊髧?yán)格執(zhí)行驗(yàn)收制度，精確控制炮孔深度、角度，對(duì)不合格的炮孔進(jìn)行補(bǔ)充。

d.裝藥前對(duì)各炮孔進(jìn)行高壓風(fēng)吹洗，以保證炮孔的通順。

e.周邊孔裝藥時(shí)，應(yīng)采用竹片或PVC線槽按設(shè)計(jì)將間隔綁扎的炸藥與導(dǎo)爆索捆扎牢固；為節(jié)約現(xiàn)場(chǎng)裝藥時(shí)間，可提前將周邊孔的炸藥綁扎好備用，周邊孔的裝藥結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 周邊孔裝藥示意圖

f.嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)進(jìn)行掏槽、輔助及周邊孔的裝藥作業(yè)，裝藥完畢后采用炮泥或沙袋等材料進(jìn)行炮孔填塞。

g.嚴(yán)格按照掏槽孔先爆、輔助孔其次、周邊孔最后起爆的總體順序進(jìn)行起爆網(wǎng)路的連接；周邊孔起爆順序宜遲于輔助孔100～150 ms，孔外可采用復(fù)式網(wǎng)路連接，以保證爆破網(wǎng)路的安全可靠。

h.經(jīng)炮后檢查及排危出渣后，應(yīng)對(duì)開(kāi)挖斷面進(jìn)行復(fù)測(cè)，嚴(yán)格落實(shí)爆后超欠挖測(cè)量制度，不斷優(yōu)化爆破參數(shù)，以達(dá)到最優(yōu)的超欠挖控制效果[8-9]。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)管理

隧道超欠挖的控制是一個(gè)持續(xù)改進(jìn)的過(guò)程，各隧道施工項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)組織成立超欠挖控制專職機(jī)構(gòu)及配備專職管理人員，建立強(qiáng)有力的考核獎(jiǎng)罰體系，加強(qiáng)作業(yè)人員的交底及培訓(xùn)教育；爆破設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)及時(shí)向現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員、鉆爆作業(yè)人員等詳細(xì)講解設(shè)計(jì)思路及爆破施工的要點(diǎn)和具體要求[10]；通過(guò)對(duì)測(cè)量放樣、鑿巖鉆孔及裝藥爆破等過(guò)程的嚴(yán)格管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道超欠挖的有效控制。

5 結(jié)論

隧道鉆爆法施工中超欠挖問(wèn)題雖然是不可避免的，但是可以通過(guò)不斷改進(jìn)爆破參數(shù)，將其控制在一定范圍內(nèi)。本文通過(guò)系統(tǒng)總結(jié)當(dāng)前隧道爆破掘進(jìn)超欠挖現(xiàn)狀，提出了一系列控制措施，得到以下主要結(jié)論：

a.當(dāng)前各類隧道及地下工程中采用鉆爆法施工時(shí)的超挖問(wèn)題較為嚴(yán)重，平均超挖值約為27 cm。

b.隧道超挖后造成圍巖不穩(wěn)、噴錨支護(hù)困難，在隧道建設(shè)及運(yùn)營(yíng)中的安全隱患較大，且大幅增加了噴射混凝土量，而欠挖時(shí)則會(huì)增加施工時(shí)間及施工成本。

c.隧道爆破后發(fā)生超欠挖的原因主要包括環(huán)境、技術(shù)、管理、獎(jiǎng)罰、觀念等5個(gè)方面，可從爆破參數(shù)、爆破施工工藝、現(xiàn)場(chǎng)管理等方面制訂控制措施。在隧道爆破中提倡采用光面爆破技術(shù)，通過(guò)合理選擇爆破參數(shù)，嚴(yán)格按工藝流程施工，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理，可將隧道超挖控制在10 cm以內(nèi)。