钻爆法隧道凿岩台车钻孔超挖原因分析

钻爆法隧道凿岩台车钻孔超挖原因分析
摘要：当前我国隧道工程多数采用钻爆法开挖，随着人员老龄化趋势的加大，钻孔作
业已经越来越多的采用大型机械化装备凿岩台车进行司钻，受钻孔设备结构及作业空间影响，周边眼钻孔时需设置一定的外插角，每循环开挖端头均大于设计开挖轮廓，造成隧道轮廓超挖，为缩小设备自身造成的超挖数值，本文结合不同厂家凿岩台车钻孔特点，对凿岩台车钻
孔超挖原因进行了深入的探讨，对设备不同钻孔状态和不同外插角度进行了详细的理论分析，为减少钻孔设备造成的超挖对症下药，制定有效的超挖控制措施，从而减少超挖对后续施工
安全、质量及成本的影响，也为类似工程的施工提供经验参考和借鉴。

关键词：隧道工程；凿岩台车；超挖；外插角；超挖控制措施。

0引言
当前，我国基础设施建设规模持续扩大，各铁路、公路、水利及城市轨道等建设项目的
隧道工程占比持续增加，除部分特殊情况隧道需采用盾构或TBM掘进机法施工外，大部分隧
道仍然以钻爆法掘进为主，因当前社会老龄化的问题日趋严重，传统的人工风镐钻爆施工已
经逐步被淘汰，以凿岩台车为龙头的大型机械化钻孔开挖方式逐步增多，也成为了未来钻爆
法施工的必然选择。

受隧道钻爆法施工自身特点、围岩构造和使用设备结构自身限制等因素
的影响，为满足隧道开挖设计轮廓和衬砌结构尺寸，施工现场必然会发生超挖现象。

郑万高铁、宜兴高铁等国家重点工程，在项目隧道工程施工建设中，大量采用了凿岩台
车大断面钻爆法施工工艺，减少了作业人员、改善了施工环境、提升了施工安全、降低了劳
动强度，但在隧道开挖过程中，受设备钻臂、推进梁、钻机结构特点的限制，超挖现象也较
以往人工风钻施工有所增加，为合理分析设备造成的超挖现象，制定应对措施，本文结合现
场施工实践和以往隧道工程钻爆法超挖控制经验，对凿岩台车钻爆法开挖隧道超挖问题进行
了全面分析和总结，为以后类似工程施工提供借鉴和参考。

1超挖概念
以设计隧道开挖轮廓线为基准线，实际开挖获得的断面轮廓在基准线以外的部分为超挖，以内的部分为欠挖，如图1所示。

实际超挖值一般采用平均线性超挖值进行描述和定量，即
每开挖循环平均线性超挖值=超挖横断面积/对应的爆破设计开挖断面轮廓线长度。

图1：隧道开挖轮廓线平面示意图
2超挖的危害
超挖危害较多，主要会影响隧道开挖轮廓的圆顺性，降低围岩自稳能力，增大安全风险；会造成洞渣、喷射混凝土、防水材料及模筑混凝土实际数量增大，降低进度指标，使施工成
本居高不下；还增大了隧道初支背后脱空的概率，影响初支平整度；超挖问题长久得不到控制，会降低各级人员管控成本的主动性和积极性，形成“超挖大、超耗多、成本高”的恶果。

超挖与开挖进尺长度及周边眼外插角度息息相关，三者成线性比例增长关系，详见表1
所示。

因此在隧道施工中，确定合理的开挖进尺及缩小周边眼外插角度尤为关键。

表1：隧道超挖数值与开挖进尺及周边眼外插角度关系表
3凿岩台车超挖原因分析
凿岩设备受设计存在限制，钻孔时需要同已成型的洞壁保持一定的作业空间和距离，增
大周边眼外插角度，或钻孔直径与炸药直径不配套，不耦合系数过大，影响光爆效果，造成
超挖量增大。

3.1凿岩台车施工影响超挖的主要因素
凿岩台车施工影响超挖的主要因素包括：凿岩机中心距顶面高度、周边孔开孔点精度、周边孔钻孔角度、钻孔参数设置、周边孔间距、装药方案、围岩情况等，若只考虑设备自身因素造成的原因，主要包括前4点，其中采用电脑凿岩台车施工时由周边孔钻孔角度和钻孔参数引起的误差基本可以避免，主要由凿岩机中心距顶面高度和周边孔开孔点精度引起，凿岩机中心距顶面高度一般在10cm左右，周边孔开孔点精度误差一般±5cm左右，同时为保证凿岩机的通过性一般人为加大3～5cm超挖。

凿岩台车钻臂推进梁设计为直线，详见图2，作业时推进梁需顶紧岩面，受钻机和钻杆空间距离L1及钻杆和推进梁中部、端部扶钎器距离L2、L3及台车司钻人员视线限制，造成周边眼外插角过大，使超挖值增大，影响开挖范围约10～15cm（考虑设备距洞壁最小距离
5cm）。

图2：凿岩台车机械臂推进梁结构侧面示意图
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L3 三个参数影响，该参数越小，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、L3三个参数值，并尽量确保L2、L3相等且不大于L1。

根据图1所示，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5cm），其对爆破超挖值的影响依然不可避免，会产生一个与L1数值相同的超挖值，而该数值远大于风动凿岩机对应位置的数值。

不同厂家凿岩台车设备结构自身设计影响超数值均有所不同，详见表2所示。

表2：不同厂家凿岩台车影响超挖数值统计表
3.2凿岩台车钻臂不同状态超挖数值分析
凿岩台车钻孔时推进梁必须顶紧掌子面，其刚度大、柔度小，并受初期支护厚度、推进梁长度、初支至掌子面的距离限制，施工现场如不预留该空间，钻杆无法沿设计开挖轮廓线钻进，将会造成较严重的欠挖；如需要保持设计位置钻孔，则周边眼钻孔的外插角度远大于传统人工手持风动凿岩机。

根据推进梁钻臂结构，周边眼施工时可呈现6中不同状态，详见图3～8所示。

图3：预留作业空间且外插角为0°状态下超挖成因分析示意图（状态1）
图4：不预留作业空间且外插角为0°状态下超挖成因分析示意图（状态2）
图5：不预留作业空间且设置外插角α状态下超挖成因分析示意图（状态3）
图6：不预留作业空间且设置外插角α状态下超挖成因分析示意图（状态4）
图7：预留作业空间且设置外插角α状态下超挖成因分析示意图（状态5）
图8：预留作业空间且设置外插角α并采用长短眼状态下超挖成因分析示意图（状态6）
上文图3凿岩台车机械臂司钻状态1作业时，需预留空间达8m左右，安全风险高，不
能用于施工；图4司钻状态2，欠挖大，需要二次爆破扰动，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；图5司钻状态3，虽然无超挖，但钻孔孔口位置
欠挖大，二次欠挖处理仍会造成一定程度的超挖，不适用；图6司钻状态4，有少量超挖，
欠挖较图4降低，但钻孔孔口位置欠挖仍然较大，二次欠挖处理仍会造成一定程度的超挖，
不适用；图7司钻状态5，预留了初支至掌子面距离，虽然消除了欠挖，但眼底超挖极大，
尤其时预留距离较小、开挖进尺越大时超挖值越大，如增大初支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；图8司钻状态6，采用长短
眼结合方式，在尽量缩短初支与掌子面间距离的同时，尽最大努力确保了开挖进尺的长度、
降低超挖数值。

周边眼采用长短眼形式，主要是利用短眼处理长眼后部的超挖，这样即减少了因外插角
大造成的超挖过大，又把欠挖处理工序和开挖合并减少了时间浪费，同时还可保持不减少循
环进尺，有利于台车钻眼工效的发挥。

通过上述情况综合分析、判断，采用凿岩台车钻孔时其影响超欠挖的因素较以往有所增加，超挖值较现有规范规程规定的数值加大，且根据《高速铁路隧道工程施工技术规程》
(Q/CR 9604-2015)“10.3.12”条第4款相关内容规定：“凿岩台车钻眼应符合台车构造性
能要求”，故采用凿岩台车开挖钻孔时，各级围岩平均线性超挖规定值需按照实际情况，重
新进行调整、修订。

3.3凿岩台车超挖控制措施及现场统计数据分析
以郑万高铁使用的铁建重工ZYS113凿岩台车为例，其机械臂推进梁长度均在7.5m左右，钻臂作业时初支端头至掌子面预留空间越长，周边眼外插角度将会降低，同时开挖进尺越短，其超挖数值将越小，但缩短进尺会严重影响各级围岩的进度指标。

为控制超挖，在隧道工程施工时，周边眼采用了预留作业空间及长短眼布置方式，取得
了较好的效果。

凿岩台车按不同钻眼方式造成的理论超挖值，以及现场实测统计的开挖断面
超挖值情况分析如下：
3.3.1传统司钻方式超挖理论值分析
传统钻进作业时，使钻杆沿设计开挖轮廓线，按照设备构造与开挖面的外插角度进行司钻，具体设备钻眼情况布置示意图如图9所示：
图9：传统
司钻方式钻杆布置示意图
根据不同围岩等级设计参数、开挖进尺、初支与掌子面距离、设备固定参数（铁建重工ZYS113凿岩台车L1=10cm），理论计算分析各级围岩平均线性超挖值如表3所示：
表3：传统司钻方式理论超挖值计算表
3.3.2采用长短眼钻进超挖理论值分析
郑万高铁隧道工程周边眼采用了长、短眼结合钻进的方式，降低超挖值。

具体长短眼钻
孔布置形式如图10所示：
图10：长短眼钻孔钻杆布置示意图
长眼、短眼环向间距，按照钻爆设计周边眼间距的1/2交错布置；长眼、短眼径向投影
距离，考虑凿岩台车机械臂结构尺寸可取光面爆破周边眼间距的1/2（郑万高铁湖北段经验
取值20～24cm，图中取平均值22cm）；短眼掘进长度一般为长眼掘进长度的0.3～0.4倍，
同时根据不同围岩等级初支设计厚度、开挖进尺、初支与掌子面距离（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），可计算出理论平均线性超挖值，具体数据参
照表4所示：
表4：长短眼司钻方式理论超挖值计算表
3.3.3确定凿岩台车超挖值控制标准
根据《高速铁路隧道工程施工技术规程》(Q/CR 9604-2015)“10.2.1条”表10.2.1的要求，传统人工手持风动凿岩机钻孔时，各级围岩无可避免的会产生10～15cm平均线性超挖数值，结合上文分析，凿岩台车钻孔计算的平均线性超挖值需加上原规程规定的平均线性超挖值，故凿岩台车钻孔长短眼结合计算理论超挖值如表5所示：
表5：凿岩台车开挖理论超挖值标准统计表
3.3.4现场开挖后实测断面超挖值统计分析
根据郑万高铁湖北段30个配备凿岩台车的工作面、不同围岩等级开挖断面测量、超挖数据统计所得：Ⅲ级围岩拱墙平均超挖值21cm，Ⅳ级围岩拱墙平均超挖值24.3cm，Ⅴ级围岩拱墙平均超挖值26cm。

具体超挖值统计见表6。

表6：各机械化工区已施工段的超挖值统计表
4结论及建议
4.1凿岩台车开挖各级围岩的平均线性超挖值均较传统人工风钻开挖有所增加，但减少了人员的劳动强度、投入数量，同时凿岩台车钻臂距离掌子面约10m以上，人员安全得到了大幅改善，作业人员位于驾驶室，作业环境大大改善，提升了个人职业卫生健康。

4.2通过长短眼措施理论分析和现场实际数据统计结果对比分析，超挖数值相互吻合，故建议调整隧道技术规程中各级围岩控制标准，建议Ⅱ、Ⅲ级围岩拱墙平均线性超挖限值取20cm，Ⅳ、Ⅴ级围岩拱墙平均线性超挖限值取25cm；仰拱开挖受凿岩台车机械臂自身设计影响外插角大，造成的平均线性超挖更大，结合现场实际情况及原规程规定，各级围岩仰拱平均线性超挖限值取30cm。

4.3随着我国人口老龄化趋势的不断增加，传统的劳动力资源将会越来越紧缺，采用凿岩台车代替人工开挖已经是隧道钻爆法施工未来发展的必然之路，通过选择不同厂家的凿岩台车，对设备钻臂结构的持续优化，结合现场管控措施，凿岩台车钻爆法施工超挖值也将得到持续的改善和降低。

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