隧道爆破掘進(jìn)超欠挖原因分析及控制措施*

楊 波，趙 軍，周明聰，張勤彬，石晨晨

(1.中國中鐵爆破安全技術(shù)研發(fā)中心，四川 成都 610031；2.中鐵二局集團(tuán)成都新技術(shù)爆破工程有限公司，四川 成都 610031)

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)迎來了新的發(fā)展熱潮。隨著公路工程、鐵路工程及水利水電工程建設(shè)項目的快速推進(jìn)，加之我國地形地貌復(fù)雜多樣，隧道工程的規(guī)模越來越大。截至2019年底，僅中鐵二局集團(tuán)有限公司(簡稱“中鐵二局”)在建隧道就有187座，其中鐵路隧道56座，盾構(gòu)及TBM隧道48座，地鐵礦山法區(qū)間8座，地鐵車站31座，公路隧道38座，市政隧道6座。據(jù)隧道技術(shù)中心及中國中鐵爆破安全技術(shù)研發(fā)中心(簡稱“爆破安全技術(shù)中心”)統(tǒng)計，中鐵二局在建隧道及地下工程總長373.665 km，其中鐵路隧道長175.919 km，盾構(gòu)施工隧道長110.361 km，礦山法暗挖區(qū)間長5.684 km，公路隧道長56.243 km，市政隧道長25.458 km。在長大隧道施工中，常采用鉆爆法。受地質(zhì)條件、爆破工藝、爆破參數(shù)、施工管理、測量放樣及鑿巖精度等影響，爆破施工后隧道超欠挖現(xiàn)象十分常見[1]。

1 隧道爆破掘進(jìn)超欠挖現(xiàn)狀

隧道及地下工程建設(shè)中，爆破后的超欠挖現(xiàn)象是亟待解決的普遍問題。為了分析及統(tǒng)計各隧道工程的超欠挖現(xiàn)狀，近年來爆破安全技術(shù)中心選取了行業(yè)內(nèi)幾個具有代表性的隧道工程進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析，結(jié)果見表1。

表1 典型隧道工程的超挖數(shù)據(jù)統(tǒng)計

由表1可以看出，各隧道及地下工程施工中的超挖問題均較為嚴(yán)重，平均超挖約27 cm。爆破安全技術(shù)中心在不同圍巖條件下進(jìn)行了大量的光面爆破試驗，通過技術(shù)與管理的嚴(yán)格控制可將隧道超挖范圍控制在10 cm左右。多年來，相關(guān)學(xué)者及技術(shù)人員均十分重視隧道爆破超欠挖的控制工作，提出了相應(yīng)的技術(shù)措施，制訂了相關(guān)制度及管理辦法；但在實際施工中一直存在“重施工進(jìn)度，輕超欠挖控制”的情況，爆破超欠挖控制措施未能得到有效落實。爆破掘進(jìn)時若出現(xiàn)欠挖，會增加處理欠挖所投入的機械、材料及人員費用；而發(fā)生超挖時，會大幅增加混凝土量及機械、人員費用[2]?？刂瞥吠诂F(xiàn)象不僅可以節(jié)約成本，還可以加快施工進(jìn)度。

2 隧道超欠挖現(xiàn)象的危害

隧道超欠挖現(xiàn)象發(fā)生后，對隧道建設(shè)及運營過程中的成本、安全及質(zhì)量均會產(chǎn)生不利影響。

a.隧道鉆爆法施工的控制難點便是超欠挖問題，如超挖則會增加出渣工程量，也會相應(yīng)增加初期支護(hù)的工程量，延長各工序的施工時間。

b.隧道超挖會造成圍巖不穩(wěn)，若開挖后未按規(guī)范要求進(jìn)行噴錨支護(hù)，將影響隧道施工的安全及質(zhì)量。爆破安全技術(shù)中心的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，各類隧道爆破后的最大超挖部位大多出現(xiàn)在巷道拱肩至拱頂處，要將回填的混凝土飽滿噴實于這些部位十分困難，因此這些超挖部位襯砌完成后往往會存在空洞或縫隙，不僅會降低圍巖穩(wěn)定性，而且還為以后地下水的滲漏提供了通道和存儲空間，從而成為隧道運營時的安全隱患。

c.當(dāng)因爆破施工不當(dāng)發(fā)生欠挖時，在欠挖處理過程中必須進(jìn)行鑿巖、爆破，從而影響工程進(jìn)度及施工成本。如在欠挖時未進(jìn)行規(guī)范處理，易造成初支及二襯厚度不符合設(shè)計及相關(guān)規(guī)范要求，形成潛在的安全及質(zhì)量隱患，影響隧道后期的施工及運營。

3 隧道爆破掘進(jìn)超欠挖原因分析

隧道爆破掘進(jìn)超欠挖產(chǎn)生的原因主要包括環(huán)境、技術(shù)、管理、獎罰、觀念等5個方面[2]，分別敘述如下。

3.1 環(huán)境因素

由于隧道爆破掘進(jìn)是直接在原巖中進(jìn)行的，各類原巖在地質(zhì)內(nèi)外力的相互作用下產(chǎn)生了多種構(gòu)造形跡，巖體的堅硬程度及其完整程度決定了其質(zhì)量。長期的爆破實踐表明，地質(zhì)條件是影響隧道超欠挖的主要因素之一；此外在鑿巖作業(yè)時，鑿巖角度限制也是影響隧道超欠挖不可忽視的因素。

a.地質(zhì)條件。巖體越堅硬、越完整，爆破時爆炸荷載對巖體介質(zhì)做功就越均勻。如巖體過于堅硬，未及時調(diào)整爆破參數(shù)，常會造成爆破后隧道欠挖；另外由于圍巖存在明顯的節(jié)理、裂隙、軟弱夾層、溶洞等，爆破作用時爆生氣體沿巖體軟弱面高速入侵，使原巖沿著節(jié)理裂隙及軟弱帶發(fā)生楔形塊裂破壞，爆破后巖體不沿周邊炮孔的輪廓線破壞，從而造成嚴(yán)重的超挖[3]。

b.鑿巖工作面。隧道施工中為確保施工安全，要求初期支護(hù)緊跟掌子面，這樣就縮小了鑿巖鉆孔預(yù)留的空間，難以達(dá)到設(shè)計的角度，特別是設(shè)計有鋼架的初期支護(hù)，對鑿巖鉆孔限制更大。常用的處理方法有3種：一是外移鑿巖設(shè)備，鑿巖鉆孔偏離輪廓線，但僅依靠裝藥參數(shù)來調(diào)整爆破效果，爆破后一般都會發(fā)生超欠挖；二是增加外插角，但增加外插角時炮孔軸線偏離設(shè)計輪廓線的距離會隨外插角及鉆孔深度的增大而增大；三是拉大周邊孔間距，孔間增設(shè)短孔以補償部分能量，但這樣會使周邊孔炸藥布設(shè)不均勻，導(dǎo)致超欠挖[4]。

3.2 技術(shù)因素

隧道爆破掘進(jìn)后產(chǎn)生超欠挖的另一主要原因是爆破工藝及爆破設(shè)計參數(shù)選擇不當(dāng)，其中爆破工藝、掏槽形式、循環(huán)進(jìn)尺、最小抵抗線、炮孔間距、裝藥結(jié)構(gòu)、線裝藥密度、單孔藥量、起爆網(wǎng)路及炮孔填塞等對爆破施工均有一定程度的影響。

a.隧道爆破工藝。爆破工藝的選擇在很大程度上影響著爆破后的壁面平整度，傳統(tǒng)的隧道爆破工藝，其周邊孔裝藥較為集中，且孔口段一般均為未裝填的炸藥藥卷；為能有效地將巖體崩落，實踐中常采用加大炮孔中下部裝藥量的方式；這樣在爆破作業(yè)后，加強裝藥部分必然將產(chǎn)生嚴(yán)重的超挖現(xiàn)象，且不利于爆破后的巖體自穩(wěn)，不利于安全施工，如未加強裝藥，又必然會造成欠挖。

b.掏槽形式。隧道爆破施工中，掏槽形式選擇不當(dāng)會造成掏槽效果較差，直接影響輔助及周邊孔的爆破效果，造成隧道欠挖。

c.循環(huán)進(jìn)尺。根據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗，當(dāng)向內(nèi)偏移炮孔輪廓線進(jìn)行鑿巖鉆孔時，循環(huán)進(jìn)尺設(shè)置越大，孔底所需裝填的炸藥量越大，孔口段發(fā)生欠挖的概率越大；當(dāng)采用設(shè)置外插角的方式鉆孔時，隨著鉆孔深度的增加，孔底位置超出輪廓線的距離也相應(yīng)增加，爆破后必然產(chǎn)生超挖。

d.最小抵抗線。隧道爆破設(shè)計中，若最小抵抗線設(shè)置過大，則炸藥爆炸產(chǎn)生的能量不足以崩落巖體；若最小抵抗線設(shè)置過小，則爆破后巖體沿最小抵抗線方向崩落，而不沿炮孔連線方向開裂，爆破后壁面呈鋸齒狀。故抵抗線設(shè)置不合理也會導(dǎo)致隧道的超欠挖。

e.炮孔間距。在現(xiàn)場缺乏監(jiān)督的情況下，作業(yè)人員為了減少鑿巖鉆孔工作量，常不按設(shè)計要求進(jìn)行炮孔鉆鑿作業(yè)，使得炮孔鉆鑿的間距大于設(shè)計要求，炮孔數(shù)量少于設(shè)計值；無論是按正常裝藥還是增大裝藥量，爆破后壁面的平整度都較差，常導(dǎo)致超欠挖。

f.裝藥結(jié)構(gòu)及單孔裝藥量。隧道爆破施工中，周邊孔采用連續(xù)裝藥結(jié)構(gòu)且單孔藥量過大時，易造成超挖；如果間隔裝藥距離設(shè)置過大、單孔裝藥量過小，爆破破碎效果較差，易導(dǎo)致欠挖。

g.起爆網(wǎng)路。對于光面爆破，周邊孔的起爆順序決定了爆破效果。當(dāng)周邊孔爆破時間過早時，臨空面未完全形成，周邊孔起爆過遲，不能充分利用輔助孔的爆破破碎能量，爆破后都易產(chǎn)生欠挖。工程經(jīng)驗表明，周邊孔起爆時間比輔助孔延遲100～150 ms時，爆破后能在較大程度上避免欠挖。

h.炮孔填塞。在隧道爆破施工中，由于炮孔數(shù)量較多，現(xiàn)場爆破作業(yè)人員為了節(jié)約裝藥時間，常僅對掏槽孔進(jìn)行填塞，這樣將使未填塞的炮孔的一部分能量用于爆破飛石、沖擊波、噪聲等有害效應(yīng)的產(chǎn)生及傳播，導(dǎo)致欠挖。為了補償未填塞炮孔的耗散能量，現(xiàn)場作業(yè)人員又刻意增大單孔裝藥量，這將導(dǎo)致巖體的過度粉碎，造成隧道超挖。炮孔不填塞不但不利于超欠挖的控制，還存在較大的安全風(fēng)險[2,5]。

3.3 管理因素

測量、鑿巖、爆破作業(yè)時，施工現(xiàn)場管理不到位也會造成隧道爆破掘進(jìn)的超欠挖。

a.測量誤差。由于隧道內(nèi)能見度較低，測量放線人員在隧道內(nèi)測量時，前后視點照準(zhǔn)困難導(dǎo)致出現(xiàn)誤差；同時掌子面凹凸不平，放樣至輪廓線時容易出現(xiàn)偏離。

b.鉆孔精度。由于掌子面是一個不平整的巖面，部分鉆孔位置難以在指定孔位進(jìn)行定位，有的鉆孔位置巖石破碎、夾泥，容易出現(xiàn)夾鉆或塌孔等情況，只能在指定孔位附近再行補孔，加之各種人為因素，導(dǎo)致孔位存在偏差。此外，由于鑿巖鉆孔作業(yè)一般安排在零點以后，現(xiàn)場缺乏監(jiān)督管理，造成鉆孔人員隨意鑿巖鉆孔，鉆孔后出現(xiàn)外插角過大、孔間不平行、孔底未落到同一平面、各孔位偏差大等情況，如不進(jìn)行驗收及補打不合格炮孔而直接進(jìn)行爆破，則很容易出現(xiàn)超欠挖。

c.現(xiàn)場管理。在控制隧道爆破掘進(jìn)的超欠挖時，需建立一個比較完善、統(tǒng)一的質(zhì)量保證體系，對作業(yè)全過程及相關(guān)因素實行嚴(yán)格、科學(xué)的管理；但當(dāng)前絕大多數(shù)的現(xiàn)場管理均流于形式，未將交底內(nèi)容落到實處，未對現(xiàn)場進(jìn)行常態(tài)化管理，也未對現(xiàn)場存在的問題進(jìn)行分析改進(jìn)，造成了隧道超欠挖未能得到有效控制[6]。

3.4 獎懲因素

a.獎勵措施。在控制隧道爆破掘進(jìn)的超欠挖時，需要建立強有力的獎懲制度。對于超欠挖控制較好的班組、管理人員，應(yīng)以每循環(huán)考核結(jié)果為參考依據(jù)，在經(jīng)濟或物質(zhì)上給予相關(guān)人員獎勵，有相應(yīng)的激勵才能讓現(xiàn)場作業(yè)人員有動力落實超欠挖的各項技術(shù)及管理規(guī)定；但絕大多數(shù)情況下獎勵政策未落到實處，相關(guān)人員付出時間及精力后未被相關(guān)管理層肯定及褒獎，致使作業(yè)人員失去了超欠挖控制的熱情。

b.懲罰措施。隧道超欠挖發(fā)生后相應(yīng)的懲罰制度雖然制訂了，但在現(xiàn)場一直未得到有力落實，這就造成了現(xiàn)場作業(yè)人員為減少麻煩而采用傳統(tǒng)的爆破工藝及方法進(jìn)行爆破，施工周期雖有所縮短，但爆破后的超欠挖現(xiàn)象十分普遍。

3.5 觀念因素

傳統(tǒng)觀念認(rèn)為，只要光面爆破效果好，隧道爆破后的超欠挖一定控制得較好，噴射的混凝土量就消耗得少，但事實并非如此。隧道光面爆破后噴射混凝土的用量相應(yīng)減少是建立在鑿巖鉆孔精確、噴漿人員操作水平較高的前提下。此外，在實際的隧道施工中，由于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范僅對欠挖作了詳細(xì)規(guī)定。為預(yù)防欠挖的發(fā)生，測量人員常超出設(shè)計輪廓線進(jìn)行炮孔放樣，從而使光面爆破效果就算再好也會造成隧道的超挖；現(xiàn)場作業(yè)班組也一直存在“寧超勿欠”的意識，故意加大單孔藥量，造成超挖。

4 隧道爆破掘進(jìn)超欠挖控制措施

隧道爆破掘進(jìn)超欠挖控制措施中，排除地質(zhì)條件、圍巖性質(zhì)等客觀因素外，可在爆破參數(shù)選擇、爆破施工工藝及現(xiàn)場管理等方面進(jìn)行完善和改進(jìn)，以不斷改善隧道爆破效果，達(dá)到有效控制超欠挖的目的。

4.1 爆破參數(shù)選擇

隧道爆破施工中，炮孔直徑一般選擇38～45 mm，掏槽及輔助孔炸藥直徑采用32 mm，周邊孔裝填25 mm炸藥；掏槽及輔助孔按照設(shè)計說明進(jìn)行炮孔布置及裝藥作業(yè)，周邊孔采用間隔裝藥的方式，以減小爆破作用對圍巖的擾動及破壞，利于對隧道超欠挖的控制。周邊炮孔的鑿巖角度、炮孔間距、最小抵抗線及裝藥密度是對爆破效果影響最大的因素。不同圍巖的外插角和鑿巖偏移值的選取參考表2[4]，光面爆破參數(shù)參考值見表3。

表2 外插角、圍巖類別及鑿巖偏移的參考值

表3 光面爆破參數(shù)參考值

4.2 爆破施工工藝

隧道爆破施工中，傳統(tǒng)觀念認(rèn)為僅有圍巖條件較好的隧道才能采用光面爆破技術(shù)。爆破安全技術(shù)中心在軟弱圍巖及破碎圍巖條件下采用弱爆破的方式進(jìn)行了大量的光面爆破試驗，結(jié)果表明，無論是破碎圍巖還是較為完整的圍巖，均可以采用光面爆破。為了控制爆破作業(yè)后的超欠挖，爆破安全技術(shù)中心積累了大量的光面爆破技術(shù)參數(shù)，不同圍巖光面爆破效果對比如圖1、圖2所示。

圖1 破碎圍巖條件下傳統(tǒng)爆破與光面爆破效果對比

圖2 完整圍巖條件下傳統(tǒng)爆破與光面爆破效果對比

采用光面爆破技術(shù)時，應(yīng)嚴(yán)格按照測量放樣、鑿巖鉆孔、炮孔驗收、炮孔清吹、裝藥、填塞、起爆網(wǎng)路連接、炮后檢查、排危、出渣及超欠挖復(fù)測等工藝流程進(jìn)行[7]：

a.實施鉆孔作業(yè)前，監(jiān)督測量人員準(zhǔn)確標(biāo)出炮孔布置點位。

b.開挖班組嚴(yán)格按照設(shè)計進(jìn)行鑿巖鉆孔作業(yè)，嚴(yán)禁隨意鉆孔，嚴(yán)禁少鉆孔。

c.炮孔鉆鑿?fù)瓿珊髧?yán)格執(zhí)行驗收制度，精確控制炮孔深度、角度，對不合格的炮孔進(jìn)行補充。

d.裝藥前對各炮孔進(jìn)行高壓風(fēng)吹洗，以保證炮孔的通順。

e.周邊孔裝藥時，應(yīng)采用竹片或PVC線槽按設(shè)計將間隔綁扎的炸藥與導(dǎo)爆索捆扎牢固；為節(jié)約現(xiàn)場裝藥時間，可提前將周邊孔的炸藥綁扎好備用，周邊孔的裝藥結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 周邊孔裝藥示意圖

f.嚴(yán)格按照設(shè)計進(jìn)行掏槽、輔助及周邊孔的裝藥作業(yè)，裝藥完畢后采用炮泥或沙袋等材料進(jìn)行炮孔填塞。

g.嚴(yán)格按照掏槽孔先爆、輔助孔其次、周邊孔最后起爆的總體順序進(jìn)行起爆網(wǎng)路的連接；周邊孔起爆順序宜遲于輔助孔100～150 ms，孔外可采用復(fù)式網(wǎng)路連接，以保證爆破網(wǎng)路的安全可靠。

h.經(jīng)炮后檢查及排危出渣后，應(yīng)對開挖斷面進(jìn)行復(fù)測，嚴(yán)格落實爆后超欠挖測量制度，不斷優(yōu)化爆破參數(shù)，以達(dá)到最優(yōu)的超欠挖控制效果[8-9]。

4.3 現(xiàn)場管理

隧道超欠挖的控制是一個持續(xù)改進(jìn)的過程，各隧道施工項目現(xiàn)場應(yīng)組織成立超欠挖控制專職機構(gòu)及配備專職管理人員，建立強有力的考核獎罰體系，加強作業(yè)人員的交底及培訓(xùn)教育；爆破設(shè)計完成后，應(yīng)及時向現(xiàn)場技術(shù)人員、鉆爆作業(yè)人員等詳細(xì)講解設(shè)計思路及爆破施工的要點和具體要求[10]；通過對測量放樣、鑿巖鉆孔及裝藥爆破等過程的嚴(yán)格管理，實現(xiàn)對隧道超欠挖的有效控制。

5 結(jié)論

隧道鉆爆法施工中超欠挖問題雖然是不可避免的，但是可以通過不斷改進(jìn)爆破參數(shù)，將其控制在一定范圍內(nèi)。本文通過系統(tǒng)總結(jié)當(dāng)前隧道爆破掘進(jìn)超欠挖現(xiàn)狀，提出了一系列控制措施，得到以下主要結(jié)論：

a.當(dāng)前各類隧道及地下工程中采用鉆爆法施工時的超挖問題較為嚴(yán)重，平均超挖值約為27 cm。

b.隧道超挖后造成圍巖不穩(wěn)、噴錨支護(hù)困難，在隧道建設(shè)及運營中的安全隱患較大，且大幅增加了噴射混凝土量，而欠挖時則會增加施工時間及施工成本。

c.隧道爆破后發(fā)生超欠挖的原因主要包括環(huán)境、技術(shù)、管理、獎罰、觀念等5個方面，可從爆破參數(shù)、爆破施工工藝、現(xiàn)場管理等方面制訂控制措施。在隧道爆破中提倡采用光面爆破技術(shù)，通過合理選擇爆破參數(shù)，嚴(yán)格按工藝流程施工，加強現(xiàn)場管理，可將隧道超挖控制在10 cm以內(nèi)。