隧道工程开挖精度控制与优化策略

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一、隧道超欠挖的原因

在钻爆法施工中，隧道超欠挖现象不可避免，因此必须重视过量的超欠挖问题。超挖既增加了隧道的出渣量和衬砌混凝土的回填量，也给后续作业如喷锚挂网支护、隧道防水和二次衬砌等造成定的困难。这样不仅带来人力、机械和材料的超额消耗,而且还影响工程质量和进度。欠挖则需增加人力或机械清运，若加以补炮的话,更易形成超挖这样既影响施工进度，又增加隧道工程的成本，后时超欠挖严重时，对隧道围岩受力及稳定也会产生定的影响。

1、围岩地质条件

在地下隧洞的开挖工程中，不可避免的存在超欠挖现象，岩体的地质特征是造成超欠挖的主要因素之一。围岩地质条件主要指围岩的节理、裂隙、水等非主观因素。由于围岩存在明显的节理、裂隙、软弱夹层、溶洞等，爆破后岩体不沿周边炮孔的轮廓线破坏，而极有可能沿这些结构面或软弱面破坏，形成主观上很难控制的超欠挖。

2、测量放线

控制好开挖轮廓线的精度是测量放线的首要任务，也是控制超欠挖的一个重要因素。由于隧道内能见度有限,测量放线人员进人隧道内测量,前后视点照准困难导致误差。同时掌子面凹凸不平画轮廓线时容易出现偏离。掌子面开挖轮廓线的放样精度直接影响到爆破效果，因为周边孔的孔位是定位在放样的轮廓线上，轮廓线产生偏差，孔位自然会产生偏差,因而造成隧道超欠挖。

3、钻孔精度

钻孔精度是整个钻爆法施工的首要环节。由于工作面是一个不平整的岩石面，部分钻孔位置不容易在指定孔位定位,有的钻孔位置岩石破碎、夹泥，容易出现夹钻或塌孔等情况,只有在指定孔位附近再行补孔,加之各种人为因素，导致孔位存在或大或小的偏差。同时部分钻工只考虑开孔容易、操作方便而不在指定孔位钻孔，特别是周边孔距控制不当,或钻杆的外插角控制不好,容易导致超欠挖严重，这些情形多出现在拱顶、腰线和边墙底部等部位。

4、爆破技术

产生超欠挖的另一主要原因是爆破设计参数选择不当。其中包括

(1) 掏槽方式不合理,会直接影响掏槽爆破效果,由于没有爆出足够的临空面,影响其他孔的爆破效果。

(2)周边炮孔间距不合理,孔距过大容易造成欠挖。

(3)周边孔的装药结构和药量控制不当，如果单孔药量过大的话,容易造成超挖。

(4)起爆网络的设计和连接。

5、现场管理

在控制隧道超欠挖中,建立一个比较完善、统一的质量保证体系，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的2]。爆破作业现场管理主要指人员安排、作业组织、技术交底与指导、质量检测、信息反馈、经验总结及相应的规章和技术标准的制定等。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。

二、解决隧道超欠挖的措施

1 、根据围岩地质条件和爆破效果,进行爆破参数调整

围岩地质条件是客观存在的，是确定爆破参数的主要依据之一。在隧道施工中，围岩地质条件是不断变化的,时常有软弱夹层、溶洞等不良地质情况出现。目前,爆破设计主要是采用经验类法比并结合现场试验。在开挖过程中，随着围岩节理裂隙的变化,钻孔位置和角度、周边孔的参数等也应进行相应的调整。

鉴于在掘进过程中围岩情况是不断变化的，在每茬炮后应由地质工程师鉴定工作面围岩的变化每茬炮爆破后，应认真分析这一茬炮的爆破效果并结合围岩的变化情况，对一茬炮的爆破设计做出相应的参数调整。

(1)爆破后发现有较大超挖，无孔痕并在炮孔周围可见爆破裂隙,这说明药量偏高,需要调小药量。

(2)爆破后光爆孔出现凹面,说明抵抗线太小,应适当加大光爆层厚度;反之如出现凸面,说明光爆层过厚，应适当减小。

(3)爆破后孔口部分有半孔痕，其他部分出现破碎圈，这说明炸药线分布过于集中或耦合系数选择不当,应采取分散间隔装药。

本文依托工程中，HD13 + 164.1 处工作面围岩整体性较好,为弱风化的大理岩，下部有少量地下水渗出,为 I级围岩。根据地质条件,炮孔布置如图1 所示。爆破后效果为:残孔率达 70%孔底残留 100cm 左右。究其原因，主要是由于岩石较完整,掏槽部分岩体未完全爆出,拱顶出现超挖现象。

基于上述原因，在下一循环 HD13 +165.5 处的爆破设计中做出调整:在两排掏槽孔中间再增加排掏槽孔，加大拱顶周边孔的间距,在底部增加一排辅助孔,炮孔布置图如图 2 所示。HD13 +165.5 处调整后爆破效果为:孔痕率达到 80%孔底残留 5~10cm,钻孔深度 2.8m,实际进尺 2.5m爆破效果较好。可见经过认真分析上一循环的爆破效果,并结合围岩的变化情况,及时修正钻爆设计参数,能够在下一循环中达到良好的爆破效果。

图1 HD13 +164.1 炮孔布置图(单位:mm)

图2 HD13 +165.5 炮孔布置图(单位:mm）

2、提高钻孔精度

在光面爆破中,钻孔产生的超挖量远大于爆破产生的超挖量,因此提高钻孔精度是减少隧道超欠挖的重要途径之一。钻孔应严格按照爆破方案进行，掏槽孔根据爆破方案采取一定的倾角。但在实际施工中，由于受钻孔机械或人为的影响，或多或少的会形成一定的外插角。

根据长期的工程实践,可以采取以下方法减少超欠挖:

(1)必须对司钻人员进行培训，使其按照操作细则和设计要求进行施钻,保证规定的孔位、孔深和倾斜角。并由技术熟练的人员负责周边孔和掏槽孔的作业,在先钻的孔内插人导向管,依次作为基准钻其他炮孔。

(2)钻边时通过钻孔位置少量内移来减少外插角。依据测量放线人员在掌子面上画的轮廓线,将钻孔孔位定位在轮廓线内侧 1~3cm从而减小外插角带来的不利影响。

3 、提高测量放线的精度

控制超欠挖主要是控制好开挖轮廓线的精度在进行测量放样前应首先熟悉设计文件,掌握设计开挖断面各部位的尺寸，同时考虑预留沉落量和变形量。

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，因此首先要保证中线和标高的准确。

通过本文依托工程的应用实践证明,在直线隧道采用激光照准仪定出控制点再用支距法画出轮廓线,最后按照爆破设计画出孔位,是一个既经济又行之有效的方法。

4、采用合理的爆破技术

爆破技术主要指爆破方法、爆破参数、爆破器材和装药方法等,采取不同的爆破方法、爆破参数、爆破器材和装药方法均对爆破超欠挖产生不同程度的影响。普通爆破效果和光面爆破效果的比较发现，光面爆破明显优于普通爆破。光面爆破能最大限度地使开挖面符合设计轮廓线，同时减轻对围岩的扰动。按“新奥法”原则施工，实行光面爆破或预裂爆破等控制爆破措施是控制超欠挖的有效方法。

4.1装药结构

周边孔采取空气间隔、不耦合装药,其结构见图3。掏槽孔和辅助孔采用连续不耦合装药,雷管埋人孔底药卷,聚能穴朝孔口方向，其结构见图 4。

4.2起爆方法

在爆破网络设计中，用塑料童秒延期非电导爆管雷管引爆装药,每6-8 根导爆管捆成一,由 1发瞬发电雷管引爆。每束出来的电雷管再串联,保证全部电雷管都引爆,爆破网络图如图5 所示。