隧道施工中的超挖問題及其控制措施
[摘要]隧道鉆破法施工中，普遍存在超挖問題。超挖會增加施工成本，同時給隧道帶來質量隱患，如何控制超挖具有實際工程意義。在分析超挖帶來施工問題的基礎上，介紹實際工程中控制超挖的措施。
[關鍵詞]鉆爆法施工 超挖 掘進機施工 控制措施
據(jù)有關資料報道，截至上世紀未，我國建成的隧道超過1069座，單洞延長超過340km，單洞最長達4076m。隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，公路交通建設面臨跨越式發(fā)展的大好形勢，陜西、四川、吉林、廣東、浙江、福建、山西、貴州等省規(guī)劃和正在實施一批特長隧道和隧道群的建設，其中長度超過5KM的隧道將有5座，最長的達到38.6km；另外，一些跨江、跨海隧道方案也相繼提出。因此，在工程實踐的基礎上，不斷總結如何進行優(yōu)質、快速的隧道開挖的經(jīng)驗，具有十分重要的工程意義。
一、超挖對隧道工程施工的影響分析
目前，國內常用的隧道開挖方法包括鉆爆法、新奧法等。由于鉆爆法適用范圍廣、不受隧道斷面尺寸和形狀限制，對各類圍巖均能適用，當?shù)刭|條件變化時，各種參數(shù)和施工工藝可隨之變化，具有施工設備組裝和工地之間轉移方便、重復利用率高等優(yōu)點，因此在工程實踐中，應用相當廣泛。
隧道規(guī)范中對不同類別圍巖的允許超挖值作了不同的規(guī)定。在實際作業(yè)時，由于種種原因，超挖值很難控制在規(guī)范規(guī)定的范圍內。隧道超挖將對工程施工帶來一系列的問題。首先，是增加施工成本。超挖必然需要消耗炸藥，增加炸藥費用；超挖的巖渣需要運出洞外渣場，增加裝運費用；超挖造成開挖斷面不平整，給鋪設防水板帶來困難，使防水板松弛皺褶，增加防水板用量；超挖部分需要用同級砼回填，增加二襯費用。飛石嶺隧道施工，由于面質變化等綜合原因，局部地段光爆效果不太好。其中K29+195~K29+210段超挖較大。灌注K29+199~K29+208一模二襯時（9M模板臺車），該段屬于IV類圍巖，按設計的襯混凝土應為64.71m3（即每延米7.19M3/M），而實際施工混凝土用量為98.75m3，超過規(guī)范允許值17.19M3，即超挖16.85M3（每延米1.87m3）。超挖引起超挖石方費用1695.11元（挖方單價100.60元/m3）、超用混凝土成本6740.00元（混凝土成本400元/m3）、超用防水板費用1008.00元（超用防水板36m2、單價28元/m2）。上述三項費用合計9443.11元，即每延米1049.23元。按每延米造價18045元計算，那么超挖造成工程成本增加5.8%。其次，超挖容易引起隧道施工質量問題。超挖造成隧道斷面周邊輪廓不圓順，凹凸不平，在棱角突變處易產生應力集中；由于斷面凹凸不平、棱角突出容易刺破防水板，使防水層失效，造成滲漏。
因此，在實際隧道開挖施工作業(yè)中，控制超挖量，將隧道超挖量降到最低，對提高隧道施工質量、降低工程造價，具有非常重要的意義。
二、控制隧道超挖的措施
在實際施工中常采用光面爆破、機械化施工及全斷面隧道掘進機施工進行超挖控制。下面就各方法的原理、特點
以及筆者多年的隧道施工中積累的有關經(jīng)驗作一簡單的介紹。
?。ㄒ唬┕饷姹?
光面爆破和預裂爆破是新奧法施工最基本的要求之一。從本質上講，預裂爆破也是一種光面爆破，兩者的區(qū)別只是分區(qū)起爆破順序不同。預裂爆破的分區(qū)起爆破順序為：周邊眼掏槽眼輔助眼底板眼。預裂爆破要求在周邊眼之間炸出貫通裂縫即預留光面層，所以爆破參數(shù)與光面爆破參數(shù)存在一定的差異。
實施光面爆破，應按照圍巖特點合理選擇圍邊眼間距及周邊眼的最小抵抗線，嚴格控制周邊眼的裝藥量，并盡可能使藥量沿炮眼全長均勻分部，周邊眼宜采用小直徑藥卷和低爆速炸藥。為滿足裝藥結構要求，可借助傳爆線以實現(xiàn)空氣間隔裝藥，采用毫秒微差有序起爆。應使周邊爆破時有最好的臨空面，周邊眼內段起爆雷管的時間誤差要求越小越好。根據(jù)上述要點，施工時必須做到三點：
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1．進行正確的光爆設計
應根據(jù)地質情況、炸藥種類及鉆孔機具等因素進行光爆設計。主要參數(shù)選擇采用工程類比法。設計內容包括爆破參數(shù)的選擇、炮眼布置圖、周邊眼裝藥結構等。光面爆破主要參數(shù)有周邊眼間距E、光爆層厚度w（最小抵抗線），周邊眼密集系數(shù)K（k=e/w），裝藥集中度q等。周邊眼間距是直接控制開挖輪廓平整度的主要因素?？s小周邊眼間距要視巖石的抗爆性、炸藥性能、炮眼直徑和裝藥量而定，一般可取E=（10-15）d，d為炮眼直徑。對于堅硬和破碎巖石宜取較小值，對于軟質或完整性好的巖石宜采取較大值。實際施工中，一般取42~63cm為宜；最小抵抗線W=E/K，一般取50~80cm；為了保證周邊眼孔貫通裂縫優(yōu)先形成，須使周邊眼的最小抵抗大于炮眼間距，通常周邊眼密集系數(shù)K為0.8；裝藥集中度是指每米炮眼的裝藥量。根據(jù)巖石的特性確定，一般為0.15~0.2㎏/m。光面爆破參數(shù)確定后，根據(jù)開挖斷面和擬定的循環(huán)進度，計算每循環(huán)的開挖量（m3），然后根據(jù)巖石類別，選定單位體積用藥量q(㎏/m3)。從而計算出每循環(huán)爆破總用量Q(㎏)，最后繪出炮眼布置圖和裝藥參數(shù)表。
上述工作完成后，選擇爆破器材亦很重要。光爆破器材主要有：炸藥、非電塑料導爆系統(tǒng)、毫秒雷管和導火索。光面爆破的周邊眼應選擇低爆速、低密度、低猛度、高爆力、小直徑、傳爆性好的炸藥，底板眼則宜選用高爆力炸藥，這樣既可以克服上覆巖渣的壓制，又起到翻渣的作用。
2．認真組織光爆施工
光爆施工的順序為施工放樣精確布眼鉆眼裝藥連線起爆。放樣布眼、鉆眼前，必須由測量技術人員用儀器測出掌子面的中線、水平。并用紅油漆準確繪出開挖斷面的中線和周邊輪廓線，標出炮眼位置，誤差不得超過5cm。鉆眼時，鉆工首先要熟悉炮眼布置圖，熟練操作鑿巖機械。特別是掏槽眼和周邊眼，要由技術熟練、經(jīng)驗豐富的鉆工司鉆。臺車下面要有專人值班指揮，以確保周邊眼有準確的外插角，盡可能使兩茬炮交界處臺階小于15cm，并保證炮眼底在同一平面內。應采用反向裝藥結構，以提高炮眼利用率，減少盲炮，減少石渣塊度，增大拋擲能力和降低炸藥用量。掏槽眼和輔助眼應采用大直徑藥卷孔底連續(xù)裝藥，周邊眼可采用小直徑藥卷或間隔裝藥。炮眼、藥卷直徑不偶合系數(shù)可控制在1.25~2.0之間。聯(lián)結起爆網(wǎng)絡，起爆網(wǎng)絡采用非電塑料導爆系統(tǒng)。這是一種安全可靠、操作方便的新型起爆系統(tǒng)，特別適用于隧道爆破施工。光面爆破采用分區(qū)起爆，起爆順序為掏槽眼輔助眼周邊眼底板眼。輔助眼應由里向外逐層起爆，為使光面爆破有較好的效果，應使輔助眼爆破后，盡可能接近開挖輪廓形狀，使光爆層厚度盡量一致；并注意不要使光爆落下的石渣堵死周邊眼的臨空面，影響周邊眼的光爆效果。周邊眼須同時起爆，若各炮眼的起爆時間差超過0.1秒時，就等于各個炮眼單獨起爆，并盡可能減少同段雷管的延期時間差（雷管的制造誤差），如使用高精度系列遲發(fā)雷管或用導爆索作為孔內傳爆。底板眼最后起爆，以起到翻渣作用。
3．注意光爆效果的檢驗
光面爆破效果主要檢查超、欠挖量、炮眼痕跡保存率和兩茬炮錯臺情況這三大指標。根據(jù)光面爆破效果這三項指標的檢查結果，認真進行分析，再結合掌子面圍巖變化情況，及時改變光面爆破參數(shù)，修正光爆設計，以達到最佳光爆效果。同時，要注意不斷收集和整理相關數(shù)據(jù)，為今后的光爆設計提供經(jīng)驗。
按照上述要求進行光爆施工控制，經(jīng)過多個工程的實施，效果良好。
?。ǘC械化施工
使用鑿巖車臺，將多臺鑿巖機安裝在鑿巖臺車上，實現(xiàn)多機同時作業(yè)、集中控制。無論采取人工控制、電腦控制或是電腦導向等，不管采用哪種方法，對于人工鑿巖來說，都能縮短鉆眼作業(yè)時間、提高鉆眼精度，從而大大減少超挖量。
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（三）光面爆破與機械化施工的效果分析
采用光面爆破及機械化施工，雖然可以部分控制隧道超挖量，減少超挖量，但難以從根本上杜絕。根據(jù)筆者實際工作經(jīng)驗，盡管施工時精心組織、嚴格控制，由于施工方法本身存在的問題，超挖情況依然存在。筆者在多個隧道施工項目過程中實際達到的控制效果見表1。
?。ㄋ模┧淼谰蜻M機施工
隧道掘進機施工方法是利用隧道掘進機切削破巖石，開鑿巖石隧道的施工方法。由于非爆炸開挖，因而開鑿出來的斷面標準規(guī)則、無超挖。采用掘進機施工具有快速、連續(xù)作業(yè)、機械化程度高、無超欠挖，安全、勞動強度小、對地層擾動小、襯砌支護質量好、通風條件好、無需輔助工程等特點。
掘進機施工也有對地質條件依賴性大，設備型號一旦決定開挖斷面尺寸不可改變，設備購置一次性投資大等缺點。盡管如此，掘進機施工，作為一種先進的施工方法，隨著施工技術的進步和掘進機本身的不斷完善，將在隧
道施工中展現(xiàn)出廣泛的應用前景。
三、結語
鉆爆法由于適用范圍廣、不受隧道斷面尺寸和形狀限制，對各類圍巖均能適用，地質條件變化時，各種參數(shù)和施工工藝可隨之變化，施工設備的組裝和工地之間的轉移方便，重復利用率高等特點，在隧道實際施工中應用廣泛。但是，鉆爆法由于方法本身的問題，超挖量難以控制。隧道超挖一方面將增加施工成本，同時也易引起一系列的隧道質量問題。所以，施工中在充分利用鉆爆法優(yōu)勢的基礎上，應推廣采用機械施工和全斷面掘進機施工。
參考文獻：
[1]JTJ042-94，公路隧道施工技術規(guī)范[S].
[2]蔣樹屏.我國公路隧道工程技術的現(xiàn)狀及展望[J].中國公路學會2001學術交流會，2001:353-360.
（中國混凝土與水泥制品網(wǎng) 轉載請注明出處）
[關鍵詞]鉆爆法施工 超挖 掘進機施工 控制措施
據(jù)有關資料報道，截至上世紀未，我國建成的隧道超過1069座，單洞延長超過340km，單洞最長達4076m。隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，公路交通建設面臨跨越式發(fā)展的大好形勢，陜西、四川、吉林、廣東、浙江、福建、山西、貴州等省規(guī)劃和正在實施一批特長隧道和隧道群的建設，其中長度超過5KM的隧道將有5座，最長的達到38.6km；另外，一些跨江、跨海隧道方案也相繼提出。因此，在工程實踐的基礎上，不斷總結如何進行優(yōu)質、快速的隧道開挖的經(jīng)驗，具有十分重要的工程意義。
一、超挖對隧道工程施工的影響分析
目前，國內常用的隧道開挖方法包括鉆爆法、新奧法等。由于鉆爆法適用范圍廣、不受隧道斷面尺寸和形狀限制，對各類圍巖均能適用，當?shù)刭|條件變化時，各種參數(shù)和施工工藝可隨之變化，具有施工設備組裝和工地之間轉移方便、重復利用率高等優(yōu)點，因此在工程實踐中，應用相當廣泛。
隧道規(guī)范中對不同類別圍巖的允許超挖值作了不同的規(guī)定。在實際作業(yè)時，由于種種原因，超挖值很難控制在規(guī)范規(guī)定的范圍內。隧道超挖將對工程施工帶來一系列的問題。首先，是增加施工成本。超挖必然需要消耗炸藥，增加炸藥費用；超挖的巖渣需要運出洞外渣場，增加裝運費用；超挖造成開挖斷面不平整，給鋪設防水板帶來困難，使防水板松弛皺褶，增加防水板用量；超挖部分需要用同級砼回填，增加二襯費用。飛石嶺隧道施工，由于面質變化等綜合原因，局部地段光爆效果不太好。其中K29+195~K29+210段超挖較大。灌注K29+199~K29+208一模二襯時（9M模板臺車），該段屬于IV類圍巖，按設計的襯混凝土應為64.71m3（即每延米7.19M3/M），而實際施工混凝土用量為98.75m3，超過規(guī)范允許值17.19M3，即超挖16.85M3（每延米1.87m3）。超挖引起超挖石方費用1695.11元（挖方單價100.60元/m3）、超用混凝土成本6740.00元（混凝土成本400元/m3）、超用防水板費用1008.00元（超用防水板36m2、單價28元/m2）。上述三項費用合計9443.11元，即每延米1049.23元。按每延米造價18045元計算，那么超挖造成工程成本增加5.8%。其次，超挖容易引起隧道施工質量問題。超挖造成隧道斷面周邊輪廓不圓順，凹凸不平，在棱角突變處易產生應力集中；由于斷面凹凸不平、棱角突出容易刺破防水板，使防水層失效，造成滲漏。
因此，在實際隧道開挖施工作業(yè)中，控制超挖量，將隧道超挖量降到最低，對提高隧道施工質量、降低工程造價，具有非常重要的意義。
二、控制隧道超挖的措施
在實際施工中常采用光面爆破、機械化施工及全斷面隧道掘進機施工進行超挖控制。下面就各方法的原理、特點
以及筆者多年的隧道施工中積累的有關經(jīng)驗作一簡單的介紹。
?。ㄒ唬┕饷姹?
光面爆破和預裂爆破是新奧法施工最基本的要求之一。從本質上講，預裂爆破也是一種光面爆破，兩者的區(qū)別只是分區(qū)起爆破順序不同。預裂爆破的分區(qū)起爆破順序為：周邊眼掏槽眼輔助眼底板眼。預裂爆破要求在周邊眼之間炸出貫通裂縫即預留光面層，所以爆破參數(shù)與光面爆破參數(shù)存在一定的差異。
實施光面爆破，應按照圍巖特點合理選擇圍邊眼間距及周邊眼的最小抵抗線，嚴格控制周邊眼的裝藥量，并盡可能使藥量沿炮眼全長均勻分部，周邊眼宜采用小直徑藥卷和低爆速炸藥。為滿足裝藥結構要求，可借助傳爆線以實現(xiàn)空氣間隔裝藥，采用毫秒微差有序起爆。應使周邊爆破時有最好的臨空面，周邊眼內段起爆雷管的時間誤差要求越小越好。根據(jù)上述要點，施工時必須做到三點：
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1．進行正確的光爆設計
應根據(jù)地質情況、炸藥種類及鉆孔機具等因素進行光爆設計。主要參數(shù)選擇采用工程類比法。設計內容包括爆破參數(shù)的選擇、炮眼布置圖、周邊眼裝藥結構等。光面爆破主要參數(shù)有周邊眼間距E、光爆層厚度w（最小抵抗線），周邊眼密集系數(shù)K（k=e/w），裝藥集中度q等。周邊眼間距是直接控制開挖輪廓平整度的主要因素?？s小周邊眼間距要視巖石的抗爆性、炸藥性能、炮眼直徑和裝藥量而定，一般可取E=（10-15）d，d為炮眼直徑。對于堅硬和破碎巖石宜取較小值，對于軟質或完整性好的巖石宜采取較大值。實際施工中，一般取42~63cm為宜；最小抵抗線W=E/K，一般取50~80cm；為了保證周邊眼孔貫通裂縫優(yōu)先形成，須使周邊眼的最小抵抗大于炮眼間距，通常周邊眼密集系數(shù)K為0.8；裝藥集中度是指每米炮眼的裝藥量。根據(jù)巖石的特性確定，一般為0.15~0.2㎏/m。光面爆破參數(shù)確定后，根據(jù)開挖斷面和擬定的循環(huán)進度，計算每循環(huán)的開挖量（m3），然后根據(jù)巖石類別，選定單位體積用藥量q(㎏/m3)。從而計算出每循環(huán)爆破總用量Q(㎏)，最后繪出炮眼布置圖和裝藥參數(shù)表。
上述工作完成后，選擇爆破器材亦很重要。光爆破器材主要有：炸藥、非電塑料導爆系統(tǒng)、毫秒雷管和導火索。光面爆破的周邊眼應選擇低爆速、低密度、低猛度、高爆力、小直徑、傳爆性好的炸藥，底板眼則宜選用高爆力炸藥，這樣既可以克服上覆巖渣的壓制，又起到翻渣的作用。
2．認真組織光爆施工
光爆施工的順序為施工放樣精確布眼鉆眼裝藥連線起爆。放樣布眼、鉆眼前，必須由測量技術人員用儀器測出掌子面的中線、水平。并用紅油漆準確繪出開挖斷面的中線和周邊輪廓線，標出炮眼位置，誤差不得超過5cm。鉆眼時，鉆工首先要熟悉炮眼布置圖，熟練操作鑿巖機械。特別是掏槽眼和周邊眼，要由技術熟練、經(jīng)驗豐富的鉆工司鉆。臺車下面要有專人值班指揮，以確保周邊眼有準確的外插角，盡可能使兩茬炮交界處臺階小于15cm，并保證炮眼底在同一平面內。應采用反向裝藥結構，以提高炮眼利用率，減少盲炮，減少石渣塊度，增大拋擲能力和降低炸藥用量。掏槽眼和輔助眼應采用大直徑藥卷孔底連續(xù)裝藥，周邊眼可采用小直徑藥卷或間隔裝藥。炮眼、藥卷直徑不偶合系數(shù)可控制在1.25~2.0之間。聯(lián)結起爆網(wǎng)絡，起爆網(wǎng)絡采用非電塑料導爆系統(tǒng)。這是一種安全可靠、操作方便的新型起爆系統(tǒng)，特別適用于隧道爆破施工。光面爆破采用分區(qū)起爆，起爆順序為掏槽眼輔助眼周邊眼底板眼。輔助眼應由里向外逐層起爆，為使光面爆破有較好的效果，應使輔助眼爆破后，盡可能接近開挖輪廓形狀，使光爆層厚度盡量一致；并注意不要使光爆落下的石渣堵死周邊眼的臨空面，影響周邊眼的光爆效果。周邊眼須同時起爆，若各炮眼的起爆時間差超過0.1秒時，就等于各個炮眼單獨起爆，并盡可能減少同段雷管的延期時間差（雷管的制造誤差），如使用高精度系列遲發(fā)雷管或用導爆索作為孔內傳爆。底板眼最后起爆，以起到翻渣作用。
3．注意光爆效果的檢驗
光面爆破效果主要檢查超、欠挖量、炮眼痕跡保存率和兩茬炮錯臺情況這三大指標。根據(jù)光面爆破效果這三項指標的檢查結果，認真進行分析，再結合掌子面圍巖變化情況，及時改變光面爆破參數(shù)，修正光爆設計，以達到最佳光爆效果。同時，要注意不斷收集和整理相關數(shù)據(jù)，為今后的光爆設計提供經(jīng)驗。
按照上述要求進行光爆施工控制，經(jīng)過多個工程的實施，效果良好。
?。ǘC械化施工
使用鑿巖車臺，將多臺鑿巖機安裝在鑿巖臺車上，實現(xiàn)多機同時作業(yè)、集中控制。無論采取人工控制、電腦控制或是電腦導向等，不管采用哪種方法，對于人工鑿巖來說，都能縮短鉆眼作業(yè)時間、提高鉆眼精度，從而大大減少超挖量。
[Page]
（三）光面爆破與機械化施工的效果分析
采用光面爆破及機械化施工，雖然可以部分控制隧道超挖量，減少超挖量，但難以從根本上杜絕。根據(jù)筆者實際工作經(jīng)驗，盡管施工時精心組織、嚴格控制，由于施工方法本身存在的問題，超挖情況依然存在。筆者在多個隧道施工項目過程中實際達到的控制效果見表1。
?。ㄋ模┧淼谰蜻M機施工
隧道掘進機施工方法是利用隧道掘進機切削破巖石，開鑿巖石隧道的施工方法。由于非爆炸開挖，因而開鑿出來的斷面標準規(guī)則、無超挖。采用掘進機施工具有快速、連續(xù)作業(yè)、機械化程度高、無超欠挖，安全、勞動強度小、對地層擾動小、襯砌支護質量好、通風條件好、無需輔助工程等特點。
掘進機施工也有對地質條件依賴性大，設備型號一旦決定開挖斷面尺寸不可改變，設備購置一次性投資大等缺點。盡管如此，掘進機施工，作為一種先進的施工方法，隨著施工技術的進步和掘進機本身的不斷完善，將在隧
道施工中展現(xiàn)出廣泛的應用前景。
三、結語
鉆爆法由于適用范圍廣、不受隧道斷面尺寸和形狀限制，對各類圍巖均能適用，地質條件變化時，各種參數(shù)和施工工藝可隨之變化，施工設備的組裝和工地之間的轉移方便，重復利用率高等特點，在隧道實際施工中應用廣泛。但是，鉆爆法由于方法本身的問題，超挖量難以控制。隧道超挖一方面將增加施工成本，同時也易引起一系列的隧道質量問題。所以，施工中在充分利用鉆爆法優(yōu)勢的基礎上，應推廣采用機械施工和全斷面掘進機施工。
參考文獻：
[1]JTJ042-94，公路隧道施工技術規(guī)范[S].
[2]蔣樹屏.我國公路隧道工程技術的現(xiàn)狀及展望[J].中國公路學會2001學術交流會，2001:353-360.
（中國混凝土與水泥制品網(wǎng) 轉載請注明出處）
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