杭温高铁里齐隧道超欠挖控制施工技术

陈宝仓

（中铁二十二局集团第四工程有限公司，天津 301700）

1 工程概况

新建杭州至温州高速铁路里齐隧道位于台州市仙居县田市镇，设计为双线时速350km/h高速铁路隧道，全长5927.94m，起讫里程DK238+736.06-DK244+664。隧道地层为凝灰岩，全隧以Ⅳ级围岩为主，设计初期支护采用I18a钢拱架+锚网喷支护方式，喷射混凝土标号C25，厚度25cm，钢拱架间距1.0m。

隧道采用三台阶钻爆法施工，一次开挖长度为2.0m（2榀钢拱架间距）。掌子面炮孔采用人工手持YT-28型气腿式凿岩机钻眼，根据爆破施工方案，掌子面周边眼的钻孔间距不大于40cm，周边眼钻孔深度2.0m。

2 存在的问题及对策

2.1 存在的主要问题

人工操作手持式凿岩机受掌子面已安装完成的初支钢拱架影响，起钻点无法完全落在设计的轮廓线上且难以按照炮孔的设计外插角施工，造成隧道光面爆破效果差，超欠挖问题严重，平均超挖量在50cm以上。超挖不但增加了出渣量和喷射混凝土用量，还增加了工序循环作业时间，进而影响了隧道的施工质量。

2.2 解决问题的对策

现有的隧道施工中，安全管理是头等大事。基于新奥法的施工理念，施工规范和相关规定均要求初期支护距掌子面的距离不允许大于1榀钢拱架的间距（1m），根据多次现场实践研究表明，掌子面周边眼的起钻点位和钻机的外插角控制施工超欠挖控制尤为关键。要控制隧道超欠挖，必须进一步研究如何控制起钻点和外插角。

3 钻孔关键方案

3.1 无欠挖起钻法

为确保隧道不欠挖，以设计开挖轮廓线位置在掌子面的起点为起钻孔点，钻杆沿着方向向掌子面前方钻进至B点。如图1所示，按照初支面距离掌子面为1m间距，单次爆破长度为2m考虑，这种起钻方式会形成超挖区域Δ，在点区域的超挖厚度将达到50cm，周边眼钻孔的外插角达到14°。

图1 无欠挖施工钻孔位置示意图（单位：cm）

3.2 控制超挖起钻法

为了最大限度地减少超挖量，将Ⅳ级围岩超挖量控制在15cm，钻杆沿着方向向掌子面前方钻进至点。如图2所示，按照初支面距离掌子面为1m间距，单次爆破长度为2m，这种起钻方式会形成超挖区域Δ和欠挖区域Δ，在点区域的超挖量为15cm，在掌子面区域的欠挖量为12cm，周边眼钻孔的外插角为8°，欠挖区域需要采用风镐或液压破碎锤等机械处理，严重影响循环作业效率。

图2 控制超挖钻孔位置示意图（单位：cm）

实际应用中，为兼顾减小超挖和避免欠挖的出现，周边眼的起钻点多在之间，超欠挖控制效果有限。随着炮孔深度的增加，超挖量急剧增加且周边眼的最小抵抗线增加导致岩石夹制作用增大，产生的爆破振动相应变大。

4 控制爆破方案

综合分析表明，采用常规钻孔法，无法解决周边眼的开孔位置及外插角受钢拱架限制的实际情况，在考虑施工机械及工人施工水平的基础上，必须对周边眼的布孔方式作进一步调整，从根本上解决控制超欠挖问题。

周边眼结合两种钻孔方式的优势，采用长短眼配合方式。长钻孔眼负责控制超挖，以控制炮孔深部超挖为主，短钻孔眼与长钻孔眼配合使用，负责解决长钻孔眼形成的欠挖问题。二者的基本原理如下。

周边眼钻孔布置剖面图如图3所示。

4.1 长钻孔眼

由图3可知，直线为设计开挖轮廓线，为设计初喷厚度，为初支面到掌子面的间距，为单次开挖步距，为长钻孔眼的钻孔线，长钻孔在掌子面上起钻点为，与相交于点；为计划超挖控制值，对长钻孔眼的钻孔线角度∠起到决定作用。Δ为超挖区域，Δ为欠挖区域。通常情况下，炸药爆破会产生10~15倍装药半径的裂隙区域，当欠挖区域内的长度小于炸药的裂隙半径时，在爆轰的作用下，Δ会直接掉落，因此欠挖区为□。

长钻孔的孔深、外插角∠、起钻点到设计开挖面距离采用公式（1）~公式（3）计算可得。

式中：∠为钻孔外插角，为计划超挖控制值，为设计初喷厚度，为初支面到掌子面的间距，为初支面到掌子面的间距。

式中：为长钻孔眼的钻孔线，为初支面到掌子面的间距，∠为钻孔外插角。

式中：为长钻眼起钻点与设计点距离，为设计初喷厚度，∠为钻孔外插角。

4.2 短钻孔眼

由图3可知，为短钻孔眼的钻孔线，与相交于点，短钻孔眼在掌子面上的起钻点为。区域Δ为短钻孔眼的欠挖区，区域Δ为超挖区域。当的长度小于炸药的裂隙半径时，欠挖区Δ在爆轰的作用下受到爆破损伤，很容易掉落。

图3 周边眼钻孔布置剖面图（单位：cm）

受到长钻孔炸药裂隙半径和短炮孔炸药裂隙半径的双重限制。该炮孔布置方式中超挖量为Δ和Δ。

起钻点到设计开挖面距离为短炮孔炸药裂隙半径；

外插角∠采用式（4）计算可得：

式中：∠为钻孔外插角，为短钻眼起钻点与设计点距离，为设计初喷厚度，为初支面到掌子面的间距。

对凝灰岩隧道Ⅳ级围岩周边眼钻孔精度控制技术进行分析可知，隧道掌子面周边眼采用长、短钻眼相结合的交叉布置方式，对隧道的超欠挖控制最有利，可减少工程量和材料浪费，节约施工成本。

5 应用效果

5.1 爆破参数

周边眼采用长短钻眼交叉布置方式，长钻孔眼按照45cm间距布置在半径为735cm的断面上，短钻孔眼按照45cm间距布置在半径为728.5cm的断面上，参数分别如表1所示。

表1 周边眼参数表

短钻孔眼距设计开挖面5cm，台阶高度10cm，长钻孔眼距设计开挖面11.5cm，台阶高度27cm，两侧拱脚处增加短钻孔眼数目。为方便装药，长短钻孔均采用孔底连续装药结构，火工品采用2号岩石乳化炸药，炸药规格为Φ32mm×300mm，长短钻孔眼所装雷管段别相同，都利用第一系列毫秒延期塑料导爆管雷管，选用1、3、…、20 共19个段别，钻孔布置如图4所示。

图4 钻孔布置图（单位：cm）

5.2 现场施工质量控制措施

采用全站仪分别对开挖轮廓线及长短眼炮孔的位置点进行测量放样，并用红色和黄色油漆分别标出长、短炮孔的周边眼、掏槽眼和辅助眼的位置。

为了解决测量仪器逐孔放样耗时长和放样误差的问题，可根据布孔的位置图制作快速放样模具，减少放样的时间。快速放样模具的做法：利用轻质铁皮管或者塑料管（或板）分段制作，每段的长度视人工操作质量适宜为主，一般为2m~3m，模具宽度宜为5cm，厚度为1cm，施工时只对模具两端点进行放样，中间根据模具预留孔直接涂漆标记点位。定型模具的开孔精度控制在±2mm，模具之间采用螺栓固定，要便于拆卸、安装。

钻孔操作工人按照“定人、定岗、定点、定责”和“统一指挥”的原则进行施工，严格按照起钻位置钻孔，并控制好风压，缩小钻杆摆动幅度，爆破后对钻孔质量分析，成绩达标的钻爆工人直接进行物资奖励，钻孔质量明显存在问题时采取适当的惩罚措施。钻眼完成后，严格成孔检查并做好记录，经检查合格后才能装药，否则要补孔洞。严格控制好钻孔方向、外插角和钻孔深度。

采用全站仪在掌子面钻孔后，已施工完成的隧道初期支护面上画线作为钻孔方向控制的依据：在拱顶和左、右拱腰处沿隧道走向画出3条控制线。钻拱顶第一个炮眼时参照3条线，第一孔钻完成后在孔内插入PVC管作为其他钻孔参照线。

外插角直接影响着隧道光面爆破效果，进而影响着隧道施工质量。控制钻孔外插角具体做法：技术员根据钻孔深度和钻杆尾端与已施工完初期支护面的距离计算外插角，现场直尺测量控制，也可在钻进过程中利用制作的坡度尺随时进行复核。

一般针对掌子面爆破后坑洼不平整的情况，根据具体情况，在钻杆上作长度标尺，钻进过程中隧道推算，及时调整钻孔深度。

达到“准、平、直、齐”的标准，“准”是指按设计布眼钻孔，当受节理、裂隙影响时稍稍移动孔位，但顶眼左右移动，帮眼上下移动，周边眼轮廓的放线误差控制在±1cm，孔口误差：Ⅳ级围岩可从轮廓线偏内3cm；“直”是孔眼要在直线段上，炮眼先钻上方标准孔，插上炮杆，使边墙孔在同一条垂线上；“平”是要求周边炮眼要相互平行；“齐”指各炮眼底落在垂直隧道轴线的同一平面上，掏槽眼加深10cm~20cm，钻孔深度根据掌子面的起伏“凸”加，“凹”减。

爆破员综合上一排炮的炮眼痕迹留存、超欠挖等情况，综合炮眼实测深度，在保证装药结构不变的前提下，适当调整装药量，确保最佳爆破效果。炮孔在装药前采用高压风吹洗干净，装药采用空气间隔装药方式，定人、定位、定段别分别装入雷管，装药完成并经现场技术人员检查合格后方可进行后续施工。

每次掘进爆破通风排烟后，值班技术和质检员对钻爆效果进行检查记录。检查记录光爆效果、炮孔利用率、平均掘进长度、渣体破碎程度、抛掷距离、围岩的损坏程度等，作为不断优化钻爆设计的依据。

根据不同地段情况，选择合理的钻爆参数：采用一炮一分析制度，每次钻爆循环后，根据爆破震动速度，炮痕保存率、装药量、残眼深度及数量、抛渣距离、堆渣高度、岩渣块度等多方面的测量和数据对比分析，选择合理的钻爆参数，不断优化钻爆设计。

5.3 施工效果

经过多个循环爆破试验分析，隧道的断面成型效果较好，最大超挖量为13cm，平均超挖量在7cm，基本无欠挖情况。每循环的平均超挖量由12m缩减至2.6m，在减少了出渣循环时间的同时降低了初喷混凝土的超耗，节约了人工成本，提高了循环作业效率。

6 结论

隧道施工的重点就是超欠挖控制，欠挖或者过渡超挖都增加了工程量，浪费人工、材料，导致工程成本增加，影响工程质量。新建杭温铁路隧道占比80%以上，特别是Ⅳ级凝灰质围岩钻爆法施工时，钻眼角度受钢拱架及初期支护的限制，周边眼起钻位置对超欠挖控制尤为关键。不合理的钻孔角度引起的隧道超挖会导致初喷混凝土超耗严重，增加了出渣量，加长了循环作业时间。周边眼采用长短钻眼交叉布置方式时，隧道的断面成型效果较好，以达到超欠挖控制最佳的效果。