隧道超欠挖的影响因素与控制措施

开挖是隧道施工中的关建工序，超挖过多不仅会导致因出渣量和衬砌 量增多而提高工程造价，而且由于局部超挖会产生应力集中，影响围岩稳 定性。欠挖则直接影响衬砌厚度，处理起来费时、费力。所以隧道开挖必 须控制好超欠挖，以利于下道工序的正常进行。
1、超欠挖的概念及允许值：
隧道超欠挖是以设计的隧道开挖轮廓线为基准线，实际开挖获得的断面在基准线 以外的部分为超挖，在基准线以内的部分则称为欠挖。如下图 1：
Байду номын сангаас
3、控制超欠挖的解决方法与途径
（1）改变传统的施工观念和管理理念 在控制超欠挖技术的研究中，首先应改变观念，即必须改变“宁超勿欠”的传统 观点，树立“少欠少超”的观点。也就是说，应容许一定程度的欠挖，这样就可以避 免开挖轮廓线的无谓扩大，而使超挖得以减少。如铁路隧道施工规范（TB 10204 — 2002）中就有相关规定：当围岩完整、石质坚硬时，容许岩石个别突出部分（每 1m² 不大于 0.1m²）侵入衬砌，侵入值应小于衬砌厚度的 1/3，并小于 10cm；对喷锚衬砌 应不大于 5cm。 （2）提高钻孔技术水平 钻孔技术对隧道超欠挖的影响主要是周边炮孔的外插角（ ）、开口位置（e） 和钻孔的深度（L），它们与超欠挖高度(h)有如下的关系： h= e + L tan( / 2) (1) 该式表明随外插角θ和钻孔深度 L 的增大，h 也随之增大。θ和 L 主要取决于司 钻人员的操作水平和所采用钻机的某些性能，为确保控制θ和 L，一定要努力提高司 钻人员的操作水平和责任心。 实际施工中，周边孔开口位置 e 有三种情况（图 2），其出现机率和差值大小则 主要决定于钻孔水平。第一种情况（a）不影响超欠挖；在第二种（b）的情况时，将 使超挖增加一个 e 值，而第三种情况（c），将使超挖减小一个 e 值，而出现欠挖。 因而，钻孔时应先定位，后钻进，并在掌子面上完整醒目地标出周边孔位线，把 e 控 制在较小范围内（约在 3cm）是可能的。
拱 部 边 墙
仰拱、隧底 平均 100，最大 200 注：1、最大超挖值系指最大超挖处至设计开挖轮廓线切线的垂直距离。 2、表列数值不包括测量贯通误差、施工误差。 3、炮孔深度大于 3m 时，允许超挖值可根据实际情况另行确定。
2、原因分析：
（1）人员因素 ①测量放样误差较大。因隧道内光线暗，照明条件较差，致使测量人员在放样 时误差较大，甚至错误，造成隧道外轮廓线偏离，从而产生超欠挖。 ②钻孔人员操作不熟练。钻孔人员眼位钻得不正确，周边眼距、钻杆外插角控 制不好，钻孔眼底深浅不一，也不在同一平面上，导致超欠挖严重。 ③施工人员质量意识差。施工人员质量意识淡薄，只图省时省力不按设计施工。 ④人员装药不严谨，炸药、导爆索不起爆，导致欠挖。 （2）机械因素 ①风钻出现故障。风钻出现故障，致使钻孔质量差，从而影响爆破质量。
图3
h-q，h-k，h- 关系图
图4
h-g
k-g 关系图
周边孔的布置，在其他因素一定时，超挖高度 h 随周边孔间距 E 的增大而增加； 而对最小抵抗线 W 而言，它与超挖高度 h 则有近似抛物线的关系。
图5
E-h
W-h 关系
图6
E/W-h
E/W-k 关系
由此可见，较小的 E（某一范围内）将有助于减少超挖，并提高轮廓的光滑性； 而对 W 则是 处于 某一范 围内 ，才能 使超 挖控制 在要求 的目 标范围 内。 因此， 为获 得 较小的超挖和光滑的轮廓就必须使相对间距 E/W 处于合理的范围内。 由施工实验统计，当 E, W 一定、且 L＝3.5m，g＝0.25kg/m 时，E/W 与 h,k 有图 6 的关系。可见，相对间距 E/W 对超挖和轮廓成形的影响是很大的。根据实验，在 IV 类围岩中，合理相对间距 E/W 在 0.65～1.10 之间，周边孔间距 E＝45～80cm，最小抵 抗线 W＝50～80cm 之间。
图2
周边孔开口误差的几种情况
由（1）式可知：当 、L 一定时，e 作为一个独立参数，当 e 为正值时（即孔口 位置在设计线外时），随 e 的增加，h 增加；而当 e 为负值（在设计线以外）时，随 e 的减小，h 则减小。
从实际施工的经验看，控制 是比较困难的，但控制 e 值是可能的。如规范要求 容许一定的欠挖，即有意识地使 e 为负值（图 2 中的 c）情况），对减少超挖是有效 的。 现场施工也应该采用先进的钻孔设备，增加钻孔效率。如照片 1
隧道超欠挖的影响因素与控制措施
中铁十四局集团第一工程发展有限公司 鲍沪望
内容摘要： 从目前隧道施工的现状看由爆破造成的超欠挖是个严重而普遍的问题，它对隧 道施工速度和成本有着不容忽视的影响。 在超欠挖相对严重的情况下， 对隧道的稳定性也会 产生一定的影响。 由于爆破引起的断面超欠挖虽然是不可避免的， 但可以控制在相对理想的 状态。 良好的爆破技术可以使超欠挖控制在一定的水平之内， 也就是说可以把对围岩的损伤 控制在一定的水平之内。因此，研究和实施控制超欠挖的技术是十分必要的。 关键词： 隧道开挖 爆破技术 超欠挖控制
表5 装药方法 集中装药 间隔装药 连续装药 药包直径（mm） 40、35 32 20～25 不同药包和装药方法的爆破效果 平均超挖（cm） 14.80 12.72 10.68 炮眼保存率（％） 68 70.5 70.1 炮眼利用率（％） 92.0 93.5 93.3
由表 3 可以看出：小药包连续装药对控制超挖效果最好，比间隔装药和集中装药 分别减少超挖 16％和 28％。因此，在爆破中宜推广采用小直径药包的连续装药。 近年来， 国内外已研究实验用聚能药管或切槽孔装药， 实现定向断裂爆破新技术， 在少量的实验中，获得了非常好的开挖效果，但成本较高。 （4）现场施工管理和组织 良好的施工管理和组织，对减少超欠挖具有十分现实的意义。在控制隧道超欠挖 中，建立一个比较完善、系统的质量保证体系，对作业全过程及相关因素实行严格科 学的管理是非常重要和必要的。现场管理与组织是指人员组织，作业安排，技术交底、 施工指导，质量检测、信息反馈以及相应规章、技术标准等的制定等。管理的目的就 是要把众多的因素置于可控的状态，达到爆破设计的基本要求。 在爆破质量管理中，应坚持以下基本原则和管理措施： ①必须采用控制爆破（光面爆破、预裂爆破等），通过工程类比和现场实验，优 化爆破参数设计； ②在满足技术经济要求的情况下，应优先考虑采取操作简单且精度高、有良好性 能的钻孔机械、测量放线仪器、断面检测仪器以及爆破器材等； ③应严格控制断面的测量放线精度，特别是要避免随意放大或缩小断面的现象； ④必须严格控制钻孔精度，重点是控制周边眼的外插角、开口误差以及炮眼在断 面分布的均匀性； ⑤必须严格控制重要爆破作业质量，特别是要控制装药量，并保证正确的起爆顺 序； ⑥必须做到及时检测和及时反馈； ⑦必须强化施工组织管理、推行作业标准化并经常加强作业人员文化和责任心的 教育等。 （5）测量放线 控制超欠挖主要是开挖轮廓线（或周边孔线）的精度要控制好。为此，首先要保 证中线和标高的准确，其次是要通过正确的方法来保证轮廓线位置的准确。中线和标 高的偏移，将使断面轮廓线向一侧偏移，造成开挖断面一侧超挖、一侧欠挖。通常隧 道掌子面都是倾斜的，会引起放线误差。放线精度不好，就会引起断面的超欠挖。因 此，应提高放线精度，减少对超欠挖的影响。其方法是：采取激光指向仪控制隧道掘 进方向，提高中线和标高的精度；并配合放线提高轮廓线放线精度；提高作业人员的 操作水平；增强责任心。
表3 爆破方式 全断面、台阶法 预留光面层 导洞先行扩大 超挖值（cm） 10.8～14.5 12.88 7.2～10.5 不同爆破方式效果比较 炮孔保存率（％） 60～80 75 81～86 作业条件 作业方法和地质条件大致 相同的情况下 欠挖值（％） 3～13 2～7 0.3～0.6
在控制爆破中，主要的技术参数包括：单位岩石炸药消耗量 q、周边孔线装药密 度 g、周边炮孔布置等，合理地解决这些参数之间的匹配，对减少超欠挖是至关重要 的。
表2 爆破方法 普通爆破 控制爆破 平均超挖（cm） 38.70 20.40 爆破方法的比较 欠挖（cm） 无统计 无统计 比较（％） 100 52.7 备注 最大 76cm 最大 37cm
②爆破方式的影响 视开挖方式的不同，爆破方式有：全断面一次爆破、台阶法爆破、导洞先行扩大 爆破和预留光面层爆破等方式。通常认为地质条件许可时，全断面一次爆破方式（包 括台阶法）有利于减少爆破重复振动、减少工序转换和干扰，便于快速施工。而从减 少超挖，改善开挖成形看，预留光面层、导洞先行开挖的爆破方式是比较好的。表 3 是三种爆破方式的效果比较。
照片 1
槽孔钻机
（3）进一步解决好爆破技术参数的合理匹配 对国内外 100 多座隧道的超欠挖统计结果表明：爆破技术对超欠挖影响也是很大 的。这里所谓的爆破技术指：爆破方法、爆破方式以及各种爆破参数的选择。 ①爆破方法的影响 在表 2 的统计中可以看出：即使采用控制爆破也仍然有相当数量的隧道超欠挖。 但与普通爆破比较，超挖约降低 47.3%。
普通爆破与预裂爆破的试验比较结果列于表 4。
表4 爆破参数 爆 破 参 数 总炸药量（ｋｇ） 单位炸药量（ｋｇ／ｍ３） 炮眼数（个） 单位炮眼数（个／ｍ ） 水平 振动速度（m/s） 爆 破 掏槽 振 动 Ｋ值 水平 扩大 垂直 149 29 0.19 138 23 0.17 垂直 655 47 0.07 垂直 水平 2.75 478 0.30 39 0.11 0.08
３
预裂爆破与普通爆破的参数比较 普通爆破（A） 44.4 0.90 93 2.8 1.00 预裂爆破（B） １６.５ .0.３４ ６９ ２.１ 0.32 降低比（B/A） 0.37 0.37 0.74 0.75 0.32
外周槽孔爆破在炸药量上减到 1/3，振动值减到 1/5～1/14，效果是显著的。 一般来说，单位岩石炸药消耗量 q 与平均线性超挖 h 呈线性正相关关系，过大或 过小都不能获得较好的结果。 图 3 是平均线性超挖 h 与炮孔保存率 k、 炮孔利用率 及 单位炸药消耗量 q 之间的关系。在孔深 3.0m、IV 类围岩、液压钻孔台车等实验条件 下，且 h＝7cm，h＝15cm，k＝0.7， ＝0.9 时，最优的 q 值为 1.05~ 1.2kg/m3、 周边孔线装药密度 q 与超挖 h 大体上呈幂函数的关系，而与炮眼 保存率 k 则呈抛物线相关关系（图 4）。在与相同的条件下，最优的 g 值为 0.18~ 0.28kg/m 。
图 1 超欠挖概念图
在《公路隧道施工技术规范》（JTG F60-2009）中对超欠挖有如下规定：应严格 控制欠挖。拱脚和墙脚以上 1m 内范围内严禁欠挖。应尽量减少超挖，不同围岩地质 条件下的允许超挖值规定见下表 1：
表 1 平均和最大允许超挖值（单位：mm） 项目 规定值或允许值 破碎岩、土（IV、V 级围岩） 平均 100，最大 150 中硬岩、软岩（II、III、IV 级围岩） 平均 150，最大 250 硬岩（I 级围岩） 每侧 全宽 平均 100，最大 200 +100，-0 +200，-0
②钻孔台架设置不合理。台架各层平台设置不合理 ，预留空间过大或过小， 使得钻孔操作困难，周边炮眼外插角度难以控制，造成超欠挖严重。 （3）工艺方法 ①爆破参数不合理。爆破参数未随围岩的改变而及时调整，从而产生超欠挖。 ②装药量及装药结构不合理。施工人员不按设计的装药结构装药，错误地认为 只要加大药量就可以提高炮眼利用率，就能得到较好的爆破效果 ，从而产生超挖。 为了使超挖得到控制又盲目地减少装药量，从而又导致了欠挖。 ③爆破网路连接不规范。爆破网络联接不规范，使得爆破未能按设计的次序起 爆或拒爆，导致隧道局部欠挖。 （4）地质因素 隧道断面较大，围岩节理发育，结构复杂。
③爆破器材及装药方法的影响 采用合理的爆破器材（雷管和炸药）和装药方法，可以减少由于爆破产生的振动 和应力波叠加对围岩的破坏作用，因而有利于减少超欠挖，提高轮廓质量。 测试表明，当相邻段位炮孔起爆时差小于 50ms 时，振动波会在围岩中产生叠加 作用，从而加大对围岩的扰动和破坏，使超挖增大，隧道成形变差。这在节理发育的 围岩中，更为明显。在条件大体相同的条件下，用等差雷管、半秒雷管和毫秒雷管所 作的现场对比实验表明，以“等差”雷管爆破效果最好、振动小。采用毫秒雷管跳段 使用也可以获得较好的效果。因此，从控制超欠挖的角度看，宜推广“等差“雷管和 应注意配置好毫秒雷管的段别。 装药方法有：1、体积不耦合装药，即药包直径与掘进炮眼药包直径一样，药包 集中在孔底部分；2、空气间隔装药；3、小直径药包，全孔均匀装药。孔口均用炮泥 堵塞。三种装药方法的实验爆破效果见表 5。