市政隧道超欠挖原因及控制措施

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摘要：采用人工鉆爆法進(jìn)行隧道開挖施工，超欠挖是施工中不可避免的現(xiàn)象，也是施工質(zhì)量和施工成本管理上的難點(diǎn)問題，以泉州南安芯谷市政項(xiàng)目揚(yáng)子山隧道為背景，通過分析隧道超欠挖產(chǎn)生的原因，提出了減小或降低隧道超欠挖程度的措施，用以強(qiáng)化隧道管理，提高工程實(shí)體質(zhì)量、加快作業(yè)進(jìn)度、降低施工成本、提高經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：隧道；超欠挖；原因分析；控制措施

1工程概況

泉州南安芯谷市政項(xiàng)目揚(yáng)子山隧道設(shè)計(jì)等級(jí)為城市主干路，設(shè)計(jì)速度50km/h，隧道布設(shè)形式為分離式雙向6車道+人行和非機(jī)動(dòng)車道。隧道內(nèi)輪廓寬度為15.87m，Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段開挖跨度達(dá)18m以上，屬于超大斷面隧道施工。隧道左線起止里程為X1K0+292～X1K0+870，長(zhǎng)度為578m，V級(jí)圍巖長(zhǎng)度140m，Ⅲ級(jí)圍巖長(zhǎng)度438m；隧道右線起止里程為K4+369～K4+925，長(zhǎng)度為556m，其中V級(jí)圍巖長(zhǎng)度136m，Ⅲ級(jí)圍巖長(zhǎng)度420m。隧道進(jìn)、出口以中風(fēng)化花崗質(zhì)混合巖為主，淺埋段采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法組織開挖；洞身段圍巖主要為中風(fēng)化花崗質(zhì)混合巖，巖體較完整，自穩(wěn)能力較好，采用上下臺(tái)階法組織施工[1]。

2影響隧道超欠挖的因素

2.1測(cè)量放線影響分析

測(cè)量是驗(yàn)證和控制超挖的基礎(chǔ)，往往在實(shí)際施工中由于測(cè)量精度不高或操作不規(guī)范等原因?qū)е鲁吠诂F(xiàn)象嚴(yán)重，甚至發(fā)生測(cè)量事故。測(cè)量放樣影響超欠挖的因素具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：①控制點(diǎn)制作精度不高，或較長(zhǎng)時(shí)間未進(jìn)行復(fù)測(cè)，實(shí)際由于環(huán)境變化等原因已出現(xiàn)較大偏差；②所用測(cè)量?jī)x器自身精度較低，或儀器未按要求及時(shí)校核，實(shí)際精度不能滿足使用要求；③未在開挖輪廓線上按周邊眼的設(shè)計(jì)孔位放樣或打點(diǎn)密度不夠而產(chǎn)生鉆孔孔位誤差；④現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員責(zé)任心不強(qiáng)或經(jīng)驗(yàn)不足，未能根據(jù)具體圍巖情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，導(dǎo)致連續(xù)超挖或連續(xù)欠挖，甚至一循環(huán)超挖，一循環(huán)欠挖的現(xiàn)象交替出現(xiàn)。

2.2鉆眼精度影響分析

采用鉆爆法掘進(jìn)施工的隧道，鉆眼精度是影響超欠挖的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。超欠挖值H的大小與炮孔外插角ɑ、鉆孔深度L和開孔位置高差值E之間的關(guān)系如式（1）所示：H=E+L×tan(ɑ)（1）拱部超欠挖值計(jì)算還需考慮隧道縱坡i%(縱坡與水平夾角為θ）的影響，計(jì)算公式如式（2）所示：H=E+L×[tan（ɑ）±tan（θ）]（2）當(dāng)鉆孔開口位置在設(shè)計(jì)輪廓線（按設(shè)計(jì)預(yù)留變形量）上時(shí)，E取零，在設(shè)計(jì)線以上取正值，否則為負(fù)值。鉆孔開口位置示意圖見圖1。根據(jù)圖1、式（1）、式（2）可知：外插角ɑ越大，鉆孔深度L越長(zhǎng)，超欠挖值H則越大；深度L根據(jù)循環(huán)進(jìn)尺需求取值，外插角ɑ則與作業(yè)平臺(tái)、鉆孔工具及司鉆工的操作水平等有一定影響關(guān)系。（1）人工鉆爆法施工一般使用自制臺(tái)架作為作業(yè)平臺(tái)，施工時(shí)平臺(tái)高低會(huì)直接影響拱部周邊眼外插角ɑ大小，當(dāng)平臺(tái)位置過低或過高超過司鉆工容易操作范圍時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鉆機(jī)及鉆桿產(chǎn)生上揚(yáng)或下垂的角度，往往造成超挖或欠挖。（2）人工鉆爆法施工所用YT28氣動(dòng)鑿巖機(jī)的配套鉆桿為錳鋼材質(zhì)，強(qiáng)度高、韌性好，但鉆桿過長(zhǎng)時(shí)受重力影響會(huì)在鉆桿中部出現(xiàn)明顯下彎現(xiàn)象，整個(gè)鉆桿呈現(xiàn)出向下的弧線狀?，F(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，鉆工為了方便直接使用長(zhǎng)度3m以上的鉆桿進(jìn)行鉆孔,鉆桿端頭會(huì)在開口位置形成較小的上揚(yáng)角度，影響外插角ɑ的大小。（3）有經(jīng)驗(yàn)的司鉆工會(huì)綜合考慮縱坡、作業(yè)平臺(tái)高度及鉆具性能等因素對(duì)外插角ɑ的影響，以便較準(zhǔn)確地操作鉆機(jī)、控制角度；相反，經(jīng)驗(yàn)不足的司鉆工進(jìn)行周邊眼鉆孔施工，會(huì)有較大的超欠挖控制風(fēng)險(xiǎn)。

2.3爆破技術(shù)影響分析

爆破產(chǎn)生超欠挖的主要原因?yàn)楸圃O(shè)計(jì)不當(dāng)或未按既定方案施工：（1）設(shè)計(jì)不當(dāng)主要體現(xiàn)在周邊眼間距、裝藥量和裝藥結(jié)構(gòu)幾個(gè)方面，表現(xiàn)為孔距與最小抵抗線不匹配，單位炸藥消耗量取值不合理，周邊孔不耦合裝藥系數(shù)或大或小(合理的不耦合系數(shù)應(yīng)使爆炸后作用在孔壁上的壓力低于巖石的動(dòng)抗壓強(qiáng)度，而高于其動(dòng)抗拉強(qiáng)度[2]。（2）未按既定方案施工主要為現(xiàn)場(chǎng)管理問題，周邊眼布控間距不符合設(shè)計(jì)要求、裝藥結(jié)構(gòu)不合理等引發(fā)炮孔壁超爆破壞或局部未爆出的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致超欠挖；另外，作業(yè)人員擔(dān)心達(dá)不到爆破效果而往往私自增加周邊孔的裝藥量致使超挖，甚至出現(xiàn)局部坍塌的情況。

2.4地質(zhì)條件影響分析

地質(zhì)條件是客觀條件，是確定爆破參數(shù)的基礎(chǔ)依據(jù)，也是影響超欠挖的最主要因素。揚(yáng)子山隧道施工從出口端進(jìn)洞向進(jìn)口方向掘進(jìn)，施工至右洞K4+900～K4+886和K4+873～K4+862段，左洞X1K0+815-791段時(shí)，巖層出現(xiàn)傾角約20°泥砂夾層，并隨著施工向前掘進(jìn)及埋深不斷增大，此巖層產(chǎn)狀由拱腳位置逐漸向拱頂方向上升。（1）此巖層產(chǎn)狀在拱腰以下部位時(shí)，對(duì)超欠挖影響不是很大，爆破時(shí)會(huì)沿傾角方向出現(xiàn)掛口，造成局部小面積的超挖。（2）此巖層產(chǎn)狀移動(dòng)至拱頂時(shí)，其影響效果就不容輕視，爆破之后，泥質(zhì)砂巖夾層在失去支撐的情況下，出現(xiàn)較大較明顯的掉塊現(xiàn)象，超挖主要由上方的泥質(zhì)砂巖的厚度和位置控制。（3）軟弱圍巖或不良地質(zhì)地段較大的炮孔間距、較大的循環(huán)進(jìn)尺和較大的單孔裝藥量易造成超挖，甚至引發(fā)垮塌。（4）節(jié)理較發(fā)育圍巖地段，爆破作業(yè)后由于圍巖應(yīng)力的釋放，會(huì)造成巖石節(jié)理張開。隨著圍巖原始穩(wěn)定性的破壞，石塊脫落巖層，在敲幫問頂時(shí)形成一定范圍的坍塌或剝落，從而造成超挖[3]。

3超欠挖控制措施

3.1加強(qiáng)量測(cè)，精確布控

施工中，應(yīng)盡可能選用高精儀器，并在規(guī)定期限內(nèi)進(jìn)行校核；洞外控制點(diǎn)須定期復(fù)測(cè)，確?；鶞?zhǔn)點(diǎn)的精度要求；每循環(huán)開始均須進(jìn)行放樣，布控點(diǎn)位依照周邊孔眼設(shè)計(jì)間距沿輪廓線依次測(cè)設(shè)；每循環(huán)開挖后及時(shí)進(jìn)行斷面掃描，為下循環(huán)開挖放線提供數(shù)據(jù)參考。

3.2強(qiáng)化管理，提高鉆眼精度

上崗前應(yīng)加強(qiáng)對(duì)司鉆人員的教育培訓(xùn)，使其熟悉鉆爆設(shè)計(jì)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，安排有經(jīng)驗(yàn)的鉆工進(jìn)行周邊孔操作，實(shí)行定人、定鉆、定眼的方法并結(jié)合獎(jiǎng)懲制度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)管控；操作平臺(tái)及開挖臺(tái)階的高度應(yīng)充分考慮司鉆人員的身高情況，保證其在合理的高度范圍內(nèi)進(jìn)行鉆機(jī)操作；周邊眼鉆孔時(shí)，單孔深度超過3m時(shí)，應(yīng)先采用長(zhǎng)度≤2m的鉆桿進(jìn)行初鉆，初鉆完成后再換更長(zhǎng)的鉆桿鉆至設(shè)計(jì)孔深。

3.3優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)，改善光爆效果

爆破設(shè)計(jì)時(shí)，僅依據(jù)經(jīng)驗(yàn)或機(jī)械地照搬參數(shù)是難以有效控制超欠挖和提高爆破效果的。一般需要結(jié)合隧道實(shí)際的地質(zhì)水文情況，采用工程類比法或現(xiàn)場(chǎng)試爆數(shù)值進(jìn)行設(shè)計(jì)。實(shí)際施工中更需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)具體情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)膭?dòng)態(tài)調(diào)整，上一循環(huán)的光面爆破效果評(píng)價(jià)和分析，應(yīng)為下一循環(huán)操作提供參考。隧道Ⅲ級(jí)圍巖如圖2所示，采用上下臺(tái)階法開挖。左洞上臺(tái)階開挖至樁號(hào)X1K0+710～X1K0+706.4時(shí)出現(xiàn)中風(fēng)化煌斑巖，圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，產(chǎn)生較大超挖現(xiàn)象?，F(xiàn)場(chǎng)查勘后針對(duì)實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行爆破參數(shù)調(diào)整，在X1K0+706.4～X1K0+704段掘進(jìn)中超欠挖得到有效控制。開挖后使用斷面儀對(duì)以上兩個(gè)段落進(jìn)行檢測(cè)如表1所示。斷面儀設(shè)置每0.5m一個(gè)測(cè)點(diǎn)（每個(gè)斷面測(cè)45個(gè)點(diǎn)），通過斷面展示軟件計(jì)算出超挖量，再計(jì)算出該斷面徑向平均超挖值，X1K0+710～X1K0+706.4段計(jì)算超挖平均值18.1cm，X1K0+706.4～X1K0+704段計(jì)算超挖平均值5.7cm；經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件進(jìn)行爆破參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整后，每延米可以節(jié)?。?.181-0.057）×23=2.85m3的噴射混凝土。3.4重視地質(zhì)條件，精準(zhǔn)施策地質(zhì)水文條件較差時(shí)，首先考慮輔助施工措施，采用超前錨桿或超前注漿小導(dǎo)管等對(duì)前方圍巖進(jìn)行預(yù)加固處理，防止開挖后掉塊、坍塌；同時(shí)，控制單次爆破藥量和循環(huán)進(jìn)尺，減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)；遇到拱部水平層或軟弱圍巖時(shí)，應(yīng)適當(dāng)縮小周邊眼間距，減少單孔藥量，采用空氣間隔的方法進(jìn)行全部或部分孔眼裝藥，并使用導(dǎo)爆索進(jìn)行傳爆；遇水施工且水量不大時(shí)，可在掌子面較低位置鉆取排水孔眼，使用乳化炸藥進(jìn)行爆破。

4結(jié)語

鉆爆法施工想要消除超欠挖是不可能的，只有通過加強(qiáng)管理、因地施策、不斷提高作業(yè)精度等途徑來盡可能控制或降低超欠挖的程度，以達(dá)到成本控制和提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]公路隧道施工技術(shù)細(xì)則：JTG/TF60—2009[S].北京：人民交通出版社，2009.

[2]陳文剛.有關(guān)隧道工程施工超挖的預(yù)防與控制的分析[J].城市建筑，2013（2）：112.

[3]宮平.隧道工程超欠挖的成因及防治[J].科技風(fēng)，2012（1）：142.

作者：葉俊龍 單位：中交上航(福建)交通建設(shè)工程有限公司