隧道超欠挖对后序施工的影响

刘海松（铁道部工程质量安全监督总站乌鲁木齐监督站，新疆 乌鲁木齐 830011）

1 隧道超欠挖的概念

超欠挖即以隧道设计开挖轮廓为基准线，将实际开挖获得的轮廓线与基准线比较，基准线以外部分称为超挖，基准线以内部分称为欠挖，与基准线重合部分为无超欠挖。超欠挖值用h表示。即通过基准线上某点A作法线，得法线与实际开挖轮廓线的交点B，则AB长度即为h值。一般超挖时h取正值，欠挖时h取负值[3]。

规范中规定超挖的值有两种指标：一种是整个隧道的平均径向超挖值，这一指标可作为投标编制标价的参考标准；另一种是考核某一断面光面爆破效果的超挖值，这一指标可作为衡量光面爆破质量和经济考核的标准。关于欠挖，一般指局部欠挖达到的标准问题。

2 产生超欠挖的因素[4]

2.1 围岩地质条件

在隧道的开挖过程中，不可避免的存在超欠挖现象，岩体的地质特征是造成超欠挖的主要因素之一。围岩地质条件主要指围岩的节理、裂隙、水等非主观因素。由于围岩存在明显的节理、裂隙、软弱夹层、溶洞等，爆破后岩体不沿周边炮孔的轮廓线破坏，而极有可能沿该结构面或软弱面破坏，形成主观上很难控制的超欠挖。各类围岩超欠挖统计表明，软岩超欠挖小，但变异性大，硬岩超欠挖大，但变异性小；超欠挖统计表明，软岩拱顶部位的超欠挖大，硬岩两拱肩部位的超欠挖大[5]。水平岩层地段超挖主要发生在拱部，几乎无炮痕保存，爆破后岩体极易沿拱部某一层理整体脱落，形成平如桌面的平顶现象，若该层理被构造切割而成竖向或斜向裂隙，则拱部超挖现象将更加严重[6]。

2.2 测量放线

控制好开挖轮廓线的精度是测量放线的首要任务，也是控制超欠挖的一个重要因素。由于隧道内能见度有限，测量放线人员进入隧道内测量，前后视点照准困难导致误差。同时掌子面凹凸不平，画轮廓线时容易出现偏离。掌子面开挖轮廓线的放样精度直接影响到爆破效果，因为周边孔的孔位是定位在放样的轮廓线上，轮廓线产生偏差，孔位自然会产生偏差，因而造成隧道的超欠挖。

2.3 钻孔精度

钻孔精度是整个钻爆法施工的首要环节。由于工作面是一个不平整的岩石面，部分钻孔位置不容易在指定孔位定位，有的钻孔位置岩石破碎、夹泥，容易出现夹钻或塌孔等情况，只有在指定孔位附近再行补孔，加之各种人为因素，导致孔位存在或大或小的偏差。同时部分钻工只考虑开孔容易、操作方便而不在指定孔位钻孔，特别是周边孔距控制不当，或钻杆的外插角控制不好，容易导致超欠挖严重，这些情形多出现在拱顶、腰线和边墙底部等部位。

2.4 爆破技术

产生超欠挖的另一主要原因是爆破设计参数选择不当。其中包括：

1）掏槽方式不合理，会直接影响掏槽爆破效果，由于没有爆出足够的临空面，影响其他孔的爆破效果。2）周边炮孔间距不合理，孔距过大容易造成欠挖。3）周边孔的装药结构和药量控制不当，如果单孔药量过大的话，容易造成超挖。4）起爆网络的设计和连接。

2.5 现场管理

在控制隧道的超欠挖中，缺乏一个比较完善、统一的质量保证体系，对作业全过程及相关因素没有实行严格科学的管理。没能把众多的因素置于可控的状态，没有达到爆破设计的基本要求。

3 超欠挖对后序施工的影响

3.1 超欠挖对初期支护的影响

隧道的超欠挖的存在，与围岩断面线沿开挖设计轮廓的不均匀分布造成的开挖轮廓的凹凸不平，将引发隧道周围的岩体中局部应力集中[7]，这种局部应用力集中对隧道进行初期支护的安全性构成了威胁；在初期支护中，围岩的高低不平，会影响锚杆垫板的铺设格，从而影响锚杆与围岩间的锚固力；格栅与钢支撑是分段加工的，在架设时再组装成型，超挖会使格栅与钢架同围岩之间的混凝土太厚，欠挖则会使格栅与钢架同围岩之间的混凝土太薄；接头是格栅与钢架的薄弱处，开挖轮廓的不平整会使其组装成型时，接头连接板无法对齐，以至于螺栓无法正确安装；位于拱脚处的超挖，会影响格栅与钢架的底脚的牢固性；在喷射混凝土时，超挖过大的地方混凝土不易填充密实。

3.2 超欠挖对防水板布设的影响

由于初期支护的缓冲作用，小的超欠挖对隧道防水板的施工影响不大，比较大的超欠挖会对Ⅲ级围岩有较大影响，由于三级围岩初期支护较薄，喷射混凝土对大的超欠挖起不到完全覆盖的作用，会间接影响到防水板的质量，如顶破防水板，造成接头不严密，局部过紧，局部过松，造成防水板与初期支护、防水板与二次衬砌间的空隙；防水板铺设复杂，接缝也不能很好处理，搭接宽窄不均匀，极大地影响防水功能，为后期隧道漏水埋下隐患。

3.3 超欠挖对二次衬砌的影响

隧道的超欠挖产生的凹凸不平最终未被填平的部分都是靠二次衬砌去平衡的。隧道的超挖会导致二次衬砌厚度的增加，欠挖则会导致二次衬砌厚度的不足；超挖也会给隧道二次混凝土的浇筑产生额外的混凝土荷载，给台车的安全性和稳定性构成威胁，在隧道二次衬砌接头处，超欠挖会增加相邻二次衬砌混凝土的错台，在铺设止水带时，出现止水带不同时位于相邻二次衬砌的中间部位，从而不能很好阻断水从接缝处渗出；由于隧道挡头板一般使用的是木模，而超挖导致二次衬砌厚度增加，会增加挡头板的压力，增加二次衬砌挡头板模板的稳定性，从而导致二次衬砌混凝土跑模。

3.4 超欠挖对隧道施工成本的影响

超欠挖对隧道施工成本的影响主要包括对人力材料机械成本和时间进度成本。人力材料机械成本主要有超挖引起多装多运隧道洞碴，超挖空间还需用临时支护或衬砌混凝土回填，欠挖要清除，从而造成人工、材料的超额消耗，并且处理欠挖易形成更大的超挖[8]。时间进度成本是由于超挖给后序作业，如喷锚网支护、隧道防排水和二次衬砌等作业造成一定的困难，从而影响隧道整个施工进度，从长期来看，最后转嫁到施工成本上，这对隧道的成本影响很大。

4 超欠挖的控制措施

钻爆法隧道施工超欠挖虽然是不可避免的，但是可以控制在一定的水平之内。也就是说将因超欠挖造成的工程成本增加控制在一定的水平之内，从而保证工程总成本的可控。这就要从现场施工管理、施工技术、施工设备等多方而加强管理，目的就是要把众多的因素置于可控的状态，达到设计和施工的基本要求[9]。

4.1 根据围岩地质条件和爆破效果，进行爆破参数调整

围岩地质条件是客观存在的，是确定爆破参数的主要依据之一。在隧道施工中，围岩地质条件是不断变化的，时常有软弱夹层、溶洞等不良地质情况出现。目前，爆破设计主要是采用经验类比法，并结合现场试验。在开挖过程中，随着围岩节理裂隙的变化，钻孔位置和角度、周边孔的参数等也应进行相应的调整。

鉴于在掘进过程中围岩情况是不断变化的，在每道循环进尺爆破后应由地质工程师鉴定工作面围岩的变化，认真分析爆破效果，并结合围岩的变化情况，对下一次循环进尺的爆破设计做出相应的参数调整。

1）爆破后发现有较大超挖，无孔痕并在炮孔周围可见爆破裂隙，这说明药量偏高，需要调小药量。2）爆破后光面爆破孔出现凹面，说明抵抗线太小，应适当加大光面爆破层厚度；反之如出现凸面，说明光面爆破层过厚，应适当减小。3）爆破后孔口部分有半孔痕，其他部分出现破碎圈，这说明炸药线分布过于集中或藕合系数选择不当，应采取分散间隔装药。

4.2 提高钻孔精度

在光面爆破中，钻孔产生的超挖量远大于爆破产生的超挖量，因此提高钻孔精度是减少隧道超欠挖的重要途径之一。钻孔应严格按照爆破方案进行，掏槽孔根据爆破方案采取一定的倾角。但在实际施工中，由于受钻孔机械或人为的影响，或多或少的会形成一定的外插角。

根据长期的工程实践，可以采取以下方法减少超欠挖：

1）必须对司钻人员进行培训，使其按照操作细则和设计要求进行施钻，保证规定的孔位、孔深和倾斜角。并由技术熟练的人员负责周边孔和掏槽孔的作业，在先钻的孔内插入导向管，依次作为基准指导其他炮孔的作业。

2）钻周边孔时，通过钻孔位置少量内移来减少外插角。依据测量放线人员在掌子面上画的轮廓线，将钻孔孔位定位在轮廓线内侧1～3cm，从而减小外插角带来的不利影响。

4.3 提高测量放线的精度

控制超欠挖主要是控制好开挖轮廓线的精度。在进行测量放样前应首先熟悉设计文件，掌握设计开挖断面各部位的尺寸，同时考虑预留沉落量和变形量。

中线和标高的偏移，将使断面轮廓线向一侧偏移，造成开挖断面一侧超挖、一侧欠挖，因此首先要保证中线和标高的准确。

通过工程的应用实践证明，在直线隧道采用激光照准仪定出控制点，再用支距法画出轮廓线，最后按照爆破设计画出孔位，是一个既经济又行之有效的方法。

4.4 采用合理的爆破技术

爆破技术主要指爆破方法、爆破参数、爆破器材和装药方法等，采取不同的爆破方法、爆破参数、爆破器材和装药方法均对爆破超欠挖产生不同程度的影响。将普通爆破效果和光面爆破效果的比较发现，光面爆破明显优于普通爆破。光面爆破能最大限度地使开挖面符合设计轮廓线，同时减轻对围岩的扰动。按“新奥法”原则施工，实行光面爆破或预裂爆破等控制爆破措施是控制超欠挖的有效方法。

4.5 加强现场施工管理和组织

良好的施工管理和组织，对减少超欠挖有着十分重要的现实意义。隧道的超欠挖问题不仅是技术问题，还是施工管理问题，只有建立一套严格的施工管理制度，才能保证技术的顺利实施。管理的目的就是要把众多的因素处于可以控制的状态，达到爆破设计的基本要求。在爆破质量管理中，应做到以下几点：

1）建立一套比较健全的质量保证体系，对作业全过程及相关因素实行严格科学的管理。2）加强组织保障，对进行钻爆操作人员实行定人定岗。必须对司钻人员进行岗前培训，并组织熟练钻工进行经验交流，通过岗前培训使司钻人员均熟练掌握炮孔的角度、周边孔外插角和间距控制等技术。3）必须要做到及时检测，有问题及时反馈，要制定专人抓这项工作，保证测量、钻孔和爆破设计等工序之间的衔接和呼应。

5 结 语

超挖引起多装运洞碴，增加回填量，给初期支护、防排水、二次衬砌等后续作业造成困难，欠挖则要清除，造成人工、材料的超额消耗，处理欠挖更容易形成更大的超挖。因此，作为隧道施工的第一个环节，超欠挖的好坏直接影响后期施工的优劣。超欠挖也给后序的初期支护、隧道防排水和二次衬砌等作业造成一定的困难。在超欠挖严重的情况下，对隧道洞室的稳定性和进度也会产生一定的影响。应积极运用测量新技术，重视对隧道开挖技术的统计，做好良好的爆破技术和施工管理，选择合理的钻爆机械设备和测量设备，杜绝施工中只重视掘进速度，忽视开挖质量的思想。从安全、可靠、经济等多方面考虑，尽可能地降低隧道的超欠挖具有现实意义。

[1]钟放平.公路隧道超欠挖原因分析及控制措施[J].西部探矿工程，2007,12.

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[3]孙少锐等.隧洞围岩分类与洞径和超欠挖之间的关系研究[J].岩土力学,2005,26(8).

[4]刘冬等.隧道超欠挖成因及其控制技术[J].地下空间与工程学报，2007,(8).

[5]佘健等.公路隧道超欠挖统计规律研究[J].重庆交通学院学报，2000,19(2).

[6]王水善.水平层状围岩台阶法施工超欠挖控制试验研究[J].公路与汽运，2010,4.

[7]王明年等.隧道超欠挖的力学效果分析[J].西南交通大学学报，1996,31(6).

[8]王承山.隧道超欠挖对隧道成本的影响及控制途径[J].隧道建设，2006,26(4).

[9]张鸿等.公路隧道软岩爆破超欠挖控制技术研究[J].中外公路，2007,6.