板岩隧道施工超欠挖影响因素与控制技术方案

李鹏

（中交路桥建设有限公司，北京 101121）

隧道穿山而建，地质水文条件错综复杂，常常会面临公路隧道在爆破施工中超欠挖现象所产生的工程问题。近些年，伴随着西北以及西南山区修建高速公路以及隧道公里数的提升，三叠系板岩层隧道爆破所产生的拱顶落石、坍塌、平顶等多种安全事故的问题愈发突显。

研究表明，三叠系板岩层是隧道工程作业中经常遇到的地质构造，板岩的工程特性对隧道超欠挖影响较大，主要表现在原岩结构构造，节理、裂隙的发育，遇水强度变化、弹性变化几方面[1]。同时，隧道掘进过程中，板岩的层理结构明显影响了光面爆破效果，常常造成大面积超欠挖。隧道在开挖过程中，如果开挖工作面的爆破没有达到预期，轻则直接影响隧道工作面的爆破效果，使隧道围岩稳定性降低，相应支护结构数量、混凝土量、工程预算增加；重则造成隧道开挖出现平顶、落石、坍塌等现象，极度危害隧道的安全性能。

综上所述，对板岩隧道施工超欠挖影响因素进行总结，并改进与完善三叠系板岩高速公路隧道施工超欠挖控制技术，是确保隧道施工有效运转、减少隧道危害发生、节省工程预算以及减少超欠挖危害的重要手段。

1 工程概况

甘肃省凤县（陕西）—合作县（甘肃）高速公路项目工程，包括俄和代隧道（315 m）、多合洒斯尔1 号隧道（660 m）、多合洒斯尔2 号隧道（1 305 m）。其中俄和代隧道属于短隧道，隧道进出口主要为浅黄色全风化板岩，原岩结构构造基本破坏，地表以薄层的第四系松散层为主，隧道洞体以变余泥质结构的青灰色强～中风化板岩为主，节理裂隙较发育。多合洒斯尔1 号隧道属于中隧道，隧道进出口主要为浅黄色全风化板岩，岩体已风化成土状，隧道洞身段原岩结构基本破坏，节理裂隙发育良好。多合洒斯尔2 号隧道属于长隧道，隧道洞体以为青灰色强～中风化板岩为主，节理裂隙发育良好。综上，各隧址区岩层产状不稳定，破碎板岩地层爆破效果较差。

2 隧道施工超欠挖影响因素

在隧道开挖建设过程中，造成隧道施工超欠挖的原因有很多，包括围岩性质、节理出露位置与产状、出水特征、掘进参数、施工工艺、爆破参数设计、钻孔精度等多方面。总的来说，主要为环境因素、施工技术和人为因素3 个方面。

2.1 环境因素

隧址区围岩性质、岩体构造产生不利围岩应力作用导致超欠挖。研究表明，岩体硬度越高，完整度越好，爆破过程中荷载对岩体介质做的功就越均匀；但是如果岩体硬度超出上限，且相关人员未及时调整爆破参数，就会造成隧道施工欠挖[2]。该高速公路项目工程围岩主要为全～强风化板岩，质地较软，原岩结构基本破坏，不利于隧道稳定，容易产生隧道超欠挖现象。

隧址区含水特征（出水特征）对隧道掘进过程中超欠挖的影响[3]。围岩在地下水的长期物理化学作用下，会产生软化作用，导致围岩力学性质的变化，强度降低，甚至产生破坏性的后果。高速公路隧道工程的地下水类型以在水作用下板岩表现出明显软岩特性的基岩裂隙水为主，浸水时间越长，软岩特性越明显，其抗压强度和弹性模量呈明显下降趋势，从而易于产生隧道超欠挖，对围岩岩体的结构稳定性产生了不良影响。

板岩节理产状、节理裂隙发育情况等对超欠挖的影响。在节理与裂隙不发育的隧道中，爆破参数准确性高，爆破过程就易于控制，不容易产生超欠挖现象。该高速公路项目节理与裂隙较发育。研究表明，节理与裂隙在爆破过程中会导致爆破能量不均匀，产生气体外散，由于节理面的存在，部分能量会被反射，从而变形，破坏板岩结构[4]。所以在节理裂隙处发育的岩块，在上述爆破作用下容易脱落，从而引起超挖破坏。

2.2 施工技术

施工条件、工期要求、掘进速度、掘进进尺等因素都会对隧道超欠挖产生影响。

光面爆破参数设计对超欠挖的影响。周边炮孔的角度、炮孔间距、周边孔间距、最小抵抗线及装药密度等设计参数变化对爆破效果有显著影响，对超欠挖也有影响。相关研究表明，若炮孔孔径过小，孔径空间的岩石在光面爆破过程中会发生过度破碎，超出设计效果；若炮孔孔径过大，爆破时强度不够，部分岩石破碎程度不能达到设计效果，发生欠挖；若爆破时装药密度和装药量过大，或周边炮孔的角度和炮孔间距不合理，就会造成围岩的掉落，发生超挖[5]。

2.3 人为因素

钻孔精度对超欠挖的影响[6]。因为在板岩隧道开挖过程中隧道的工作面不是一个规则平整的平面，部分钻孔的位置不能按照设计准确描点；部分钻孔位置的岩石破碎，只能在钻孔位置旁进行补孔；部分钻孔因钻孔角度偏差而发生偏差。这些因精度产生的问题都易使板岩隧道出现超欠挖。

人工测量放线对超欠挖的影响。由于隧道在开挖过程中受到正前方岩壁的阻碍，钻孔时会向外侧偏出一定的角度，在开挖前进过程中就会积累角度偏差。钻孔角度的偏差，会使钻孔无法达到设计效果，造成超挖现象，并随着钻孔深度的增加而产生越发严重的超挖现象。

隧道施工管理体系对超欠挖的影响。隧道在掘进过程中，需要建立一个较完善、规范的体系，对项目工程全过程实行科学、安全的管理。但目前大多数的现场管理未按标准进行，也未对掘进过程中存在的问题进行分析，提出改进方案，忽视了隧道超欠挖的影响。

3 板岩状围岩隧道施工超欠挖控制技术方案

3.1 光面爆破施工破岩作用数值优化

3.1.1 单孔筒状装药爆炸效应传播研究

单孔炮筒装药量的大小与围岩性质、炮孔间距、炮孔排距、炮孔直径等因素都有很大的关系。掌握单孔柱状装药爆破基本规律，以此为基础对设计初始爆破参数及炮孔布置进行验证分析及调整优化研究。

根据每一次岩石体积，计算单循环装药量Q[7]：

式中：V为岩石体积的数值，单位m3；S为断面面积的数值，单位m2；L为炮孔平均深度的数值，单位m；η为炮孔利用率的数值，按照设计取最优利用率。

在爆破参数中，确定单孔炮筒装药量的大小对预防超欠挖控制有重要作用。根据不同断面计算初步估计得到不同单循环装药量Q，将其与围岩性质、炮孔间距、炮孔排距、炮孔直径进行拟合，掌握爆破装药规律，以优化光面爆破施工。

3.1.2 掏槽眼爆破参数研究

比较掏槽眼形式的特点和要求，按照实际情况选择形式，然后结合课题工程初始爆破及炮孔布置参数建立掏槽眼爆破数值模型，根据爆破数值模型计算结果选取最优的掏槽眼爆破参数。

隧道爆破一般采用的掏槽形式主要为直眼和斜眼形式，为适用于三叠系板岩，通常采用斜眼掏槽。其布置通常位于断面的中下方。

3.1.3 辅助眼参数研究

从理论上分析辅助眼爆破（辅助眼一般排列均匀，可采用线形排列，也可采用环形排列）的特点和要求，然后建立辅助眼光面爆破数值模型，研究总结辅助眼间距对爆破效果的影响，结合工程掘进循环进尺及数值计算结果，对辅助眼爆破参数进行调整优化[8]。

3.1.4 光面爆破周边眼爆破参数研究

根据有关理论进行计算比较，择优选用周边眼炮眼直径、炮眼间距、最小抵抗线、炮眼深浅、炮眼角度等；同时为验证设计参数是否合理，应建立光面爆破数值模型进行验算。

计算周边眼间距通用公式一般适用于完整岩石断面，对于层状板岩进行修正后，可得到岩石强度与周边眼关系表[9]。根据关系表建立相应数值模型验证其合理性。岩石强度与周边眼关系如表1 所示。

表1 岩石强度与周边眼关系表

3.1.5 基于Ansys 技术建立数值模型分析

Ansys 作为世界上最著名的通用显示非线性动力分析程序，能模拟各种材料非线性问题，适合求解爆破冲击下的分析。本文可利用该项目多个材料参数建立有限元模型。利用数值模拟结果，优化炮孔间距、炮孔排距、炮孔直径、周边眼炮眼直径、炮眼间距、最小抵抗线、炮眼深浅、炮眼角度等对超欠挖爆破有影响的参数。

3.2 现场试验段超欠挖控制效果优化

依据初始参数及数值验证调整后爆破参数及炮孔布置方案，选定试验段进行现场光面爆破试验，对爆炸后超欠挖效果进行量测记录，根据现场超欠挖数据反馈，对掘进参数、爆破参数进行二次优化调整。一般现场施工控制超欠挖措施如下，具体措施依据工程地质情况进行适应性改良：①提高装药质量和爆破技术；②提高人工测量精度，减少角度偏差；③加强人员培训，提高钻孔精度；④建立合格的施工管理制度，增强施工管理人员的安全意识和科学意识。

3.3 隧道超欠挖施工技术

通过上述已提及板岩隧道超欠挖的原因，结合依托工程地质环境及设计总说明对可能影响超欠挖的因素提出改善措施。对设计提供爆破初始参数进行数值分析，验证其合理性，结合工程概况进行一次调整优化，选定试验段进行超欠挖控制现场试验。

现场施工超欠挖效果反馈结合施工水文地质超前预报信息、机械设备更新、施工工法优化等进行爆破参数及炮孔布置二次优化、现场施工管理调整控制超欠挖方案。

3.4 基于激光点云数据隧道超欠挖检测技术方案

目前在公路隧道常采用的超欠挖检测装置为全站仪、水准仪等监测仪器，检测方式通常是隧道爆破后，人工进入隧道布置监测点，通过全站仪、水准仪等传统仪器测量点位坐标。但在隧道复杂环境下，全站仪、水准仪所测数据太过庞大，采集每个断面的坐标花费的时间较多，同时施工人员生命安全得不到保证。

为应对以上情况[10]，现如今有学者已提出了基于三维激光点云数据隧道超欠挖技术的分析与应用。该技术利用三维点云数据进行隧道超欠挖检测，从而将三维激光扫描技术运用在实际隧道开挖工程中。具体方法为先利用三维激光扫描仪进行隧道开挖后断面的快速数据采集，在对采集数据进行拼接、去噪、曲面重建之后，再将隧道实际开挖后断面与隧道设计断面进行对比，计算分析得出隧道的超欠挖情况。

目前，三维激光扫描技术作为一种新兴技术，大大提高了超欠挖监测效率，克服了耗时、效率低、安全性差的缺点。根据此项技术进行施工调整后，可达到控制隧道超欠挖的目的。

4 结束语

板岩隧道施工是一个环环相扣的整体工程，一旦发生超欠挖，轻则直接影响隧道工作面的爆破效果，使隧道围岩稳定性降低，相应支护结构数量、混凝土量、工程预算增加；重则造成隧道开挖出现平顶、落石、坍塌等现象，极度危害隧道的安全性能。本文通过研究甘肃省凤县（陕西）—合作县（甘肃）高速公路项目工程，现将有关情况总结如下：①造成板岩隧道超欠挖的原因有很多，在实际工程中要综合围岩性质、含水特征、节理、施工技术、人为活动等多个方面的因素进行分析考虑；②为控制板岩隧道超欠挖的产生，现提出了改进与完善三叠系板岩高速公路隧道施工超欠挖控制技术的方案，可采取光面爆破施工破岩作用数值优化、现场试验段超欠挖控制效果优化、隧道施工超欠挖控制技术整理总结等措施，减少超欠挖现象；③为时刻监测隧道超欠挖的情况，可采用基于激光的超欠挖检测技术。