凿岩台车采用长短眼配套控制隧道超挖技术

方俊波, 刘洪震, *, 马留闯

(1. 中铁隧道局集团有限公司， 广东 广州 511400； 2. 中国中铁隧道股份有限公司， 河南 郑州 450001)

0 引言

钻爆设备的配套与选型直接影响隧道施工的工期、质量、安全、成本等。越来越多的施工企业在选择钻爆机械设备时，综合考虑施工方法、工期、隧道规模、断面尺寸、环保及企业战略目标等因素，均优先选择大能力、高效率的钻孔机械，如采用多臂凿岩台车[1]。

近年来，随着国内装备制造技术的发展[2]，国产化凿岩台车技术逐渐成熟，进口设备也开始降价，加上国家大力倡导提高隧道施工机械化水平，液压凿岩设备应用逐渐广泛，国产液压凿岩设备已有迎头赶上的趋势[3-5]。目前，凿岩台车已成为隧道凿岩设备发展水平的重要标志。但是凿岩台车钻孔时，由于推进梁钻臂结构构造等方面原因，加上现场作业环境视线不清、人员责任心不强或不熟练等，台车钻孔时钻杆外插角普遍偏大。特别是在软弱围岩中施工时，由于拱架支护靠近工作面，钻杆的外插角更大，致使隧道钻爆超挖量大，在一定程度上也制约了凿岩台车的推广使用。因凿岩台车推进梁结构无法进行较大范围的改进，采用技术措施降低多臂凿岩台车钻孔爆破超挖量很有必要。

当前，针对隧道施工机械化重点配套机械，很多技术人员对凿岩台车的应用进行了详细研究。康宝生[6]对三臂液压凿岩台车在客运专线隧道工程中的使用情况进行了分析，指出了影响凿岩台车使用效率的原因，提出了搞好台车使用管理的思路。朱琴生[7]通过三臂液压凿岩台车在青岛胶州湾海底隧道施工中的应用研究，指出三臂液压凿岩台车在软弱围岩中亦能实现快速、优质、安全、高效施工。马宏伟[8]从凿岩台车的测量放线、周边孔司钻、底板孔司钻、底板光面爆破、欠挖管理、司钻管理等技术和措施方面出发，详细介绍了液压凿岩台车开挖隧道控制超欠挖施工技术。金明等[9]以郑万高铁小三峡隧道工程为依托，介绍了凿岩台车从施工工效、人员配置、安全性、超欠挖控制、成本投入等方面施工应用制约，指出凿岩台车较风钻施工平均线性超挖较大，但可通过加强管理来缩小差距。胡卫平[10]分析发现三臂凿岩台车推进梁上的顶盘结构存在一定的缺陷，导致施钻时外插角难以控制，从而影响超欠挖控制精度；通过改进顶盘结构，加强了施钻精度控制，减少了超挖量。尹文纲等[11]采用"长短眼"控制爆破技术，Ⅳ级围岩段隧道周边超欠挖可控制在150 mm以内。

目前对凿岩台车控制超挖的研究主要集中在台车钻孔施工管理及对结构进行小范围技术改进等方面，在技术措施方面对减少隧道超挖进行深入研究工作较少。本文在前人研究及施工实践经验的基础上，开发出一套用于凿岩台车控制隧道超欠挖的长短眼配套施工技术，并应用于施工实践，减少了隧道超欠挖，节省了成本，提高了施工工效，达到了较好的光面爆破效果。

1 隧道钻爆开挖引起超挖的原因及相关规定

钻爆法隧道施工时，受钻孔设备本身结构的影响，周边孔在钻进过程中需要有一定的外插角，保持一定量的超挖量，才能始终满足隧道净空设计要求[12]。特别是Ⅳ、Ⅴ级围岩，有时要求钢拱架支护结构紧跟掌子面，在支护结构保证安全的情况下，再进行钻孔工作。受支护结构的影响，凿岩台车钻孔过程中的外插角会更大，且钻孔越深，超挖量会越大。另外，在目前铁路隧道严禁二次衬砌结构欠厚的情况下，围岩欠挖已基本上不被允许，"宁超勿欠"已成钻爆开挖的一条不成文的规定。超挖必定会给施工单位带来一定的经济损失，影响隧道施工质量[13]。如何将不可避免的超挖降到合适水平，是广大隧道施工管理及技术人员非常关心的问题。

根据Q/CR 9604-2015《高速铁路隧道工程施工技术规程》10.2.1条相关内容规定，隧道开挖的允许超挖值应符合如表1所示的要求。

表1 隧道允许超挖值

表1所示的隧道允许超挖值是基于人工手持风钻施工时统计的经验数据，考虑的影响因素主要有： 风钻结构、钻孔定位误差、岩石节理裂隙、围岩松弛掉块等。相对于多臂凿岩台车，人工手持风钻机动灵活，结构小巧，钻杆直径小、柔度大，司钻时采用长钻杆钻进，利用其柔性可一定程度降低周边眼超挖数值，有利于隧道超挖的控制；而凿岩台车钻臂宽厚，钻杆及钻头直径大、刚度强，推进梁顶端设有顶盘等，加上现场作业环境视线不清、视距较远、人员责任心不强或不熟练等，同时为了保护顶盘及扶钎器不与岩面摩擦碰撞，使得钻孔时因其结构构造原因，产生的超挖要远大于人工手持风钻。目前国内还未有针对凿岩台车钻爆施工时的允许超挖值，现场产生的超出规范允许超挖值得不到有效签认，使得施工成本上升。这也是目前国内阻碍凿岩台车普及推广应用的原因之一。

2 凿岩台车钻爆超挖量产生原因分析

按规范，衡量隧道单位长度上的超挖量主要有2个指标： 断面上最大超挖值与平均线性超挖值。其中，平均线性超挖值指断面上超挖量(面积)除以隧道周长(不含仰拱)。由于炮孔是直线，隧道断面(高铁双线断面)周长一定，则隧道最大超挖值就决定了隧道超挖量，即决定了平均线性超挖值。故本文仅对凿岩台车钻爆施工中产生的最大超挖值进行研究。

受机械臂结构影响，凿岩台车钻孔时产生的超量较大且不可避免。凿岩台车机械臂结构如图1所示。

图1 凿岩台车机械臂结构示意图

由图1可知，钻爆时超挖值主要受机械臂钻杆中心距凿岩机顶面距离l1、钻杆中心距中间扶钎器顶面距离l2、钻杆中心距顶盘顶面距离l33个参数影响，这3个参数越小，钻杆越容易贴近开挖岩面，超挖值就越小。一般凿岩机生产厂家在设计时尽可能减小l1、l2、l33个参数值，并尽量确保l2、l3相等且不大于l1。但即便推进梁能与纵向开挖围岩面平行、紧贴(不考虑凿岩机与开挖面通过安全距离5 cm)，其仍会产生一个与l1相等的最大超挖值。

超挖值除了与凿岩台车钻臂结构构造有关外，还与工作面上一循环初期支护施工有关。当上一循环初期支护紧邻开挖工作面及厚度较大时，钻杆外插角增大，平均线性超挖大。

2.1 理论超挖量计算

假设凿岩台车钻臂外插角为0°，此时在钻臂施工范围内初期支护厚度也为0，围岩无欠挖，如此钻臂才能基本平行且紧贴于隧道拱部围岩，该状态称为理想状态，此时不产生欠挖，且形成的超挖量最小。但钻臂紧贴围岩时仍需要预留约5 cm的操作空间，称为凿岩机顶面保护距离，以保证推进梁上凿岩机的顺利移动；如不预留该空间，凿岩机工作时可能结构受损。

理想状态时，凿岩台车钻爆超挖成因分析如图2所示。

α为外插角度； l为开挖进尺； d为初期支护厚度； H为超挖值； h为欠挖值； l1为钻杆中心距凿岩机顶面距离； l3为钻杆中心距顶盘顶面距离； C为凿岩机通过安全距离，一般为5 cm。下同。

理想状态时的隧道超挖值由凿岩机顶面保护距离C、钻杆中心距凿岩机顶面距离l1决定，为二者之和。一般情况下，C取值5 cm,l1=9 cm，则凿岩台车钻爆施工时理论上最小超挖量约为14 cm。

Ⅱ、Ⅲ级围岩进行施工时，如果仅进行初期支护(假设仅湿喷混凝土)，则凿岩台车最大超挖量还需要加上初期支护厚度，厚度越大，最大超挖量越大。理想状态时，还要求围岩不超出5 cm高的欠挖，否则还需要加上上一循环欠挖高度。也可以说，采用凿岩台车进行Ⅱ、Ⅲ围岩施工时，假设近工作面2～3循环围岩处初喷混凝土厚度为8 cm,无欠挖，则其理论上最小超挖量应该为14 cm+8 cm=22 cm。

Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩进行施工时，由于台车推进梁需要8 m左右的作业空间，若围岩不能自稳或自稳能力差，长时间大空间不及时进行初期支护，隧道施工安全风险将陡高，故理想状态施工实际应用的可能性较低。

2.2 上一循环支护紧邻开挖工作面超挖量计算

上一循环支护紧邻开挖工作面时，钻臂施钻可分以下2种情况。

1)状态1： 外插角为0，钻臂顶面紧贴围岩水平钻进(见图3)。此时，施工时仅产生欠挖值，无超挖。欠挖值h主要由钻杆中心距凿岩机顶面距离l1、凿岩机顶面保护距离C、初期支护厚度d决定，为三者之和。

图3 超欠挖成因分析示意图(状态1)

①Ⅱ、Ⅲ围岩进行施工时，初期支护厚度一般在12 cm左右，凿岩机保护距离为5 cm，钻杆中心距凿岩机顶面距离l1为9 cm,则其欠挖值应该为12 cm+9 cm+5 cm=26 cm。

②Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩进行施工时，初期支护厚度一般在25 cm左右，凿岩机保护距离为5 cm，钻杆中心距凿岩机顶面距离l1为9 cm,则其欠挖值应该为25 cm+9 cm+5 cm=39 cm。

由此可知，状态1时凿岩台车钻爆施工产生的欠挖大，需要二次爆破处理，扰乱正常的施工次序，不利于快速施工和安全控制，且二次欠挖处理仍会造成一定程度的超挖。因此，被应用的可能性极低。

2)状态2： 具有一定外插角，孔口有欠挖，但孔底无超欠挖，且位于设计轮廓线上(见图4)。此时，施工时在孔口部分产生欠挖值，至孔底依距离减少，孔底无超欠挖值。但由于具有一定的外插角，推进梁上凿岩机移动时可不与初期支护接触，故不存在凿岩机保护距离C，仅推进梁最前端顶盘与围岩接触。则最小欠挖值h主要由钻杆中心距顶盘距离l3、初期支护厚度d决定，为二者之和； 最小外插角α=arctan(h/l)。

图4 超挖成因分析示意图(状态2)

Ⅱ、Ⅲ级围岩时，孔口最小欠挖值为12 cm+8 cm=20 cm；Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩时，孔口最少欠挖值为25 cm+8 cm=33 cm。

状态2时孔底虽无超挖，但钻孔孔口位置欠挖大，二次欠挖处理扰乱正常施工次序，仍会造成一定程度的超挖，实际应用的可能性很低。

2.3 上一循环支护未紧邻开挖工作面超挖量计算

上一循环支护未紧邻开挖工作面时，钻臂施钻可分以下2种情况。

1)状态3： 具有一定外插角，孔口无欠挖，孔口位于设计轮廓线上，但孔底有超欠挖(见图5)。此时，施工时孔口无欠挖值，但孔深超挖量增加，至孔底产生最大超挖值； 凿岩机移动时可能与初期支护接触，存在凿岩机保护距离C。则最大超挖H=l(d+c+l1)/S,最小外插角α=arctan[(d+c+l1)/S]。一般情况下，未初期支护长度S常与下一循环进尺l相等，则孔底最大超挖值H=d+c+l1。

S为初期支护至掌子面的距离，其根据围岩级别及稳定情况综合确定，为确保施工安全受控，该段落需完成锚杆、网片及初喷混凝土施工。下同。

Ⅱ、Ⅲ围岩施工时，孔底最大超挖值为12 cm+5 cm+9 cm=26 cm；Ⅳ级软弱围岩施工时，孔底最大超挖值为25 cm+9 cm+5 cm=39 cm；Ⅴ级软弱围岩施工时，孔底最大超挖值为29 cm+9 cm+5 cm=43 cm。

状态3预留了初期支护至掌子面距离，孔口虽无欠挖，但孔底超挖巨大。尤其是预留距离较小、开挖进尺越大时超挖值越大，如增大初期支护与掌子面间预留距离，对软弱围岩施工不利，如缩短开挖进尺，不利于达到施组进度指标。因此，实际应用的可能性低。

2)状态4： 具有一定外插角，孔口位于设计轮廓线下方，孔口有欠挖，孔底有超挖(见图6)。但孔底超挖量应尽量控制在国标允许范围之内，且炮孔外插角应至少保证炮孔的一半长度位于在设计轮廓线上方，确保不产生大量欠挖。

为了使炮孔底部的超挖值H减小，可将开孔位置向轮廓线内移，在钻孔深度不变及外插角大小不变的情况下，超挖值H将会减小。因开孔位置进行了内移，导致孔口位置一定深度范围内出现了欠挖，为了不产生欠挖，应将该范围内的欠挖用浅炮眼爆破掉，即在放样轮廓线另设置短炮孔处理长炮眼爆破产生的欠挖。采取长短眼配套措施可以一定程度上控制凿岩台车钻爆施工产生的大量超挖难题。

3 长短眼配套措施控制超挖技术

郑万高铁某项目一共投入8台凿岩台车，因隧道围岩软弱，节理裂隙发育，前期超挖量较大，项目结合现场实际情况及台车结构进行了爆破技术改进试验，采用长短眼的方式控制超挖量，具体如下：

隧道周边采用长短眼形式，主要是利用短眼处理长眼爆破后部的欠挖，这样既减少了长眼因外插角大造成的过大超挖，又把欠挖处理和本循环开挖合并减少了时间浪费，同时还可保证循环进尺不减少，有利于发挥凿岩台车钻眼速度快的优势。

长短眼配套在掌子面断面上钻孔平面布置如图7所示。按光爆设计设置长眼、短眼环向间距(40～55 cm),长短眼径向间距约为14 cm,长眼、短眼交错布置,短眼掘进长度一般为长眼掘进长度的40%～50%，其主要取决于长眼的开孔位置及外插角度，确保爆破清除长眼爆破后的欠挖部分。开孔位置与初期支护厚度及初期支护距掌子面距离、设备结构尺寸有关，外插角度决定了最大超挖量，应尽可能小，但也不能过小，否则会增加短眼处理欠挖部分的长度，从而增加短眼长度，造成短眼钻孔工作量加大，经济效益反而降低。

图7 长短眼断面布置平面图(单位： cm)

长短眼配套炮孔纵向剖面布置如图8所示。

图8 长短眼配套布置剖面图

图8中，A1为短眼钻孔时凿岩机运动至初期支护界面时距设计轮廓线的距离，其由初期支护厚度d、凿岩机保护距离C及凿岩机顶面中钻杆中心线距离l1组成，初期支护厚度一定，则A1值就确定。短眼开孔位置确保孔口不欠挖，孔口位于设计轮廓线上，此2点决定了短眼的外插角，当短眼的循环进尺一定时，则该孔底的最大超欠值H1=A1×B1/S。针对长眼而言，其位置亦由2点决定： 1)要保证短眼的下前方长眼超出设计轮廓线才能确保不欠挖，即长眼第1个点是短眼孔底垂直于设计轮廓线的交点； 2)长眼在掌子面的开孔位置要保证凿面机的运移空间，即第2个点为长眼的开孔位置，其距设计轮廓线至少由凿岩机保护距离C及凿岩机顶面中钻杆中心线距离l1组成，为9 cm+5 cm=14 cm。则可计算出长眼孔底最大超挖值为H2=14×(B2-B1)/B1。也就是说： 只要长短眼的循环进尺及初期支护距掌子面的距离确定了，则孔底的最大超挖也确定了。

根据不同围岩等级初期支护设计厚度、初期支护与掌子面距离(施工中常取与长眼循环进尺相等)以及长短眼循环进尺(短眼分别为长眼的40%、50%)，可计算出孔底最大超挖值，计算结果如表2所示。

表2 不同围岩、不同长度长短眼配套孔底最大超挖值计算表

由表2可知，当围岩级别一定，短眼为长眼的一半时，两孔底平均最大超挖值较少。施工中应将短眼设置为长眼长度的一半，此时可在一定程度上降低隧道最大超挖值，即Ⅱ、Ⅲ级围岩施工时为14 cm、Ⅳ级围岩施工时为19.5 cm、Ⅴ级围岩施工时为21.5 cm，相比类似条件只采用长眼时的最大超挖分别减少约12、19.5、21.5 cm。

由图8可知，在确保不欠挖的情况下，当长短孔外插角一致，B1大于B2的1/2时，短孔的超挖量大于长孔的超挖量，此时最大超挖量大于常规钻孔超挖的1/2；当B1小于B2的1/2时，长孔的超挖量大于短孔的超挖量，此时最大超挖量大于常规钻孔超挖量的1/2；当B2刚好为B1的2倍时，长短孔超挖量相等，此时相对常规钻孔的超挖减少量为50%，即采用2层长短孔进行爆破开挖时，产生的超挖量可降低50%。

但在实际施工中，还应包括约5 cm左右的钻孔施工误差，即得凿岩台车施工的最大超挖建议值见表3。

表3 凿岩台车长短眼配套施工各级围岩允许最大超挖建议值

4 结论及建议

1)由于结构构造的原因，采用凿岩台车钻爆施工时产生的超挖量较大，如果不采取相应的措施，如"撇杆"及长短眼配套等技术手段，很难将超挖控制在Q/CR 9604-2015《高速铁路隧道工程施工技术规程》要求之内。故应一定程度上提高凿岩台车钻爆超挖允许值或开挖单价等，唯有如此才能使得凿岩台车得以大规模推广应用。

2)考虑成本及效率情况下，采用2层长短眼配套技术手段有利于凿岩台车钻爆时减少超挖，将超挖控制在标准允许范围之内，与不采用技术手段相比，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩超挖量均降低50%左右，但付出代价是增加约1倍的周边眼钻孔、装药时间及火工品消耗。

3)在安全日益受到重视的情况下，成环拱架初期支护需要尽可能紧跟开挖面，但由于隧道结构时空效应，非不良地质段的拱架初期支护可以滞后开挖1个循环(滞后约12 h)施作，仅初喷混凝土可以保证掌子面施工安全的，拱架滞后1个循环有利于凿岩台车钻凿周边眼时减少外插角，有利于减少隧道超挖。

4)应成立专业化公司进行凿岩台车钻爆施工管理及应用，以利于机械设备的管理及爆破技术的进步。