矿山法隧道超欠挖原因分析及控制措施

　　摘要：文章通过赣深铁路部分隧道分析隧道建设中超欠挖形成的原因。针对上软下硬的不均匀地质，提出采用机械开挖辅以弱爆破的开挖方式及其他措施来降低隧道超欠挖程度。

　　1　工程概况

　　新建赣州至深圳铁路赣州至塘厦段站前工程GSSG-7标二分部，线路起讫里程为DK357+604.5~DK367+670，管段全长10.58km（不含434.483m短链），隧道长4.4km/11座，占正线41.6%；除阿公石二号隧道的长为2081m，其余隧道长度均在100~400m之间。隧道围岩长度分别为：III级围岩870m、IV级围岩675m、V级围岩2290.4m、Ⅴ级围岩占比52%。

　　2　隧道超欠挖产生的原因

　　2.1　地质条件影响

　　隧道的地质条件一般包括围岩的岩性、围岩结构及风化程度，在选择开挖方式时要充分考虑这些因素。根据相关研究，如果隧道线路方向与岩层发育走向垂直，围岩会整体破裂，则超挖量较少；但隧道线路方向与岩层走向平行时则超挖量较大；如遇软弱围岩、坍塌或者涉及到第四系全新统地层的则超挖更大。

　　2.2　钻爆施工中周边钻眼布置对超欠挖影响

　　钻爆施工隧道周边炮孔的钻孔位置（e）、深度（L）、外插角（θ）对隧道超欠挖有很大的影响，存在着如下的关系：H=e+Ltan（θ/ 2），可以看出超欠挖高度与外插角及钻孔深度成正相关。

　　施工过程中钻孔位置e存在3种情况：第一种情况，当钻孔位置e=0时周边眼开口位置正好位于设计轮廓线上，此时爆破超挖仅为钻杆外插角所形成的爆破台阶，是不可避免超挖量。第二种情况，当钻孔位置e＞0时周边眼开口位置将高于设计轮廓线，超挖量将增加一个外放区域。而第三种情况，当钻孔位置e＜0时钻孔位置小于轮廓设计线，此时将会出现部分欠挖。

　　相关技术指南提到孔深＜3m时外插角（θ）斜率范围：±5%倍孔深（初支厚度按照25cm计算，此时的超挖量约为30%）；孔深＞3m时外插角斜率范围：±3%倍孔深。实际施工过程中外插角的方向θ是很难控制的，普通的风钻在钻进过程中钻杆方向飘忽不定，一般的钻工水平很难达到这个要求；而开口位置e比较容易控制，但钻工为了避免欠挖而导致的补炮，会刻意放大开口位置从而造成更大的超挖。

　　由于钻杆外插角所形成的爆破台阶超挖量是不可避免的，所以与设计的隧道圆柱模型相比较，现实钻爆施工的隧道是一环一环的圆台叠加而成。

　　因此，为控制较小范围钻孔位置应先施工定位然后钻进作业，周边孔位置线在在掌子面明显位置标出；并应根据炮眼深度对斜率进行微调，以达到降低爆破台阶的影响。

　　2.3　开挖方式选择不当

　　隧道的地质情况是影响超欠挖的主要原因，也是确定隧道开挖方式的依据。在选择开挖方式时要充分考虑到围岩岩性、围岩结构等。一般情况下，隧道在进出洞口浅埋段地质自上而下变化较大，具有典型的上软下硬的特点。随着开挖埋深的增加，围岩风化程度也趋于均匀，在隧道围岩动态变化的过程中开挖方式也要变化，在隧道的建设中没有任何一种方法能够解决现场所有的问题。例如洞口浅埋软弱围岩段如果单一采用钻爆施工，则会造成超挖量过大，甚至引起沉降变形过大和坍塌的安全风险。

　　2.4　现场施工管理的影响

　　现场管理对隧道超欠挖的影响主要体现在以下几个方面：钻爆施工中轮廓线不标识；钻孔定位及角度偏差较大；少打眼多装药；开挖台架制作不合理；循环开挖进尺过大；不严格执行超前支护措施；一味追求进度等。

　　从以上不同因素分析不难发现，在隧道工程中除地质及外插角台阶等客观存在因素，其余均为人为主观因素。而这种不确定控制是对技术的严谨性和现场管理的精准把控，两者相辅相成才能完成对隧道超欠挖的控制。

　　3　控制超欠挖的办法及方式

　　3.1 抛弃“宁超勿欠”，建立“少欠少超”的新型观点

　　在控制隧道超欠挖技术研究中，首先要转变以前的施工观念和管理理念。即允许欠挖，避免扩大轮廓线，减少超挖。如铁路隧道施工规范中有相关规定：当围岩条件坚硬、完整时，允许部分部位最大欠挖值≤5cm，每平方米≤0.1m2。周边钻眼放线根据围岩情况适当调整：硬岩在轮廓线上；软岩可向内偏移5~10cm。

　　3.2　根据地质情况选择合适的开挖方式

　　地质条件是客观存在的，无法改变，但可以根据地质条件的变化改变相应的开挖方式。比如岩质均匀的隧道采用钻爆施工，特别软弱的围岩或者土质隧道采用机械开挖，这两种开挖方式只要规范施工，超欠挖量是可以控制的。鉴于这两种地质之间上软下硬的地质，在开挖方式的选择中不能单纯采用一种方式对待，如果采用钻爆施工很容易造成拱顶围岩破坏，从而造成超挖；如果单纯采用机械开挖，则拱脚及仰拱处硬质围岩将难以开挖或者工效很低。

　　赣深铁路项目所处隧道区出露的地层有第四系全新统（Q4）、侏罗系（J1In）、泥盆系（D3m），主要岩性为砂岩，其中牛角窝隧道分布有燕山期（γ52）花岗岩。隧道长度较短、埋深浅，拱部以粉质黏土及全风化砂岩为主围岩破碎，拱脚及仰拱存在中风化、弱风化砂岩或少量花岗岩，围岩较完整、岩质硬，具有典型上软下硬的特点。这种地质如果仅采用钻爆施工很容易造成拱部超挖；如果仅使用机械开挖会造成拱脚及仰拱处进度缓慢或者难以开挖。结合赣深铁路隧道的地质特点，洞口浅埋段采用机械开挖，根据地质的软硬程度分别采用挖机、单钩及破碎头，拱脚及仰拱位置辅以弱爆破。根据施工工效施工及成本，施工中动态调整开挖方法，把隧道超挖量控制在一定范围内。

　　3.3　改进每循环进尺，精准计算炮眼深度

　　炮眼深度影响因素：地质条件、人员组织、单循环时间、机械配置、工期进度要求等。深孔钻爆能有效地加快施工进度，但炮眼的利用率因钻孔倾斜影响而降低，增加炸药量，每循环进尺大且超挖量增加。外插角的超挖能因炮眼的深度减小而减少，对4m深度的炮眼如果减少至2m，则可使平均减少50%的超挖量。因此，精准计算炮眼深度对隧道超挖量有较大的影响，在选择钻孔深度时要综合考虑各种因素，合理改进每循环进尺，以达到最佳施工进度和社会效益。

　　3.4　充分利用超前小导管控制破碎地层的超欠挖

　　超前小导管是广泛用于隧道穿越浅埋、软弱破碎等不良地质施工的一种超前预支护技术，它施工工艺简单，沿着隧道纵向方向倾斜一定角度，在拱部开挖轮廓线外一定范围内向打入密排注浆钢花管，在有限的空间内利用简单的工具便可钻眼施工及布管工作，遇到地层变化时可随时调整施工角度、间距及注浆参数，在软弱地层中得到大量的应用。

　　在破碎地层中超前小导管施工工法对控制超欠挖主要有以下作用：①通过注浆浆液扩散到岩体裂隙中，在裂隙中形成固结体，增强岩体颗粒之间的粘结力，从而提高岩体强度稳定性；②小导管也发挥着的棚架和锚杆的支护作用，使颗粒较大的破碎岩体不至于掉落；③小导管的钻进角度精确控制起到很好的爆破导向切割作用，岩体在爆破作用力下沿着小导管方向切割，从而达到控制超欠挖的目的。

　　3.5　引进新工装、新设备，减少人为因素造成的超欠挖

　　隧道施工目前仍然处于劳动密集型状态，打眼、立架、喷射混凝土大多数靠人工，由于隧道工作环境差、劳动强度大，造成项目部管理难度大，形成了“隧道超欠挖的好坏关键看队伍”的无奈。要想解决此问题必须减少人为因素的影响，即用机器代替人工。随着科技的进步，一大批隧道工装设备涌现出来，比如在常规的开挖支护过程中，为更好地保证炮眼定位准确可采用激光布孔仪；为保证钻孔外插角斜率采用多臂凿岩机；为确保拱架安装精确定位采用拱架拼装机；为确保喷射混凝土的强度及平整度应采用湿喷操作手。在软弱围岩中采用的悬臂掘进机进行分部开挖、在均匀的岩层中采用的TBM掘进机或盾构机进行全断面开挖，掘进机的应用是隧道施工的一个飞跃，它避开钻爆施工中外插角台阶超挖，也把大量劳动力解放出来，减少人为因素的影响。

　　4　结语

　　控制或者减小隧道超欠挖是所有隧道工程人的共同认识，能否根据工程地质变化动态地选择开挖方法显得尤为关键。另外，在隧道的进度、成本及质量三者关系中要找到黄金分割点，不能一味提高循环进尺而使超挖量加大；要利用好施工中的超前措施，做到提前保护、综合治理，把众多因素统筹把控；要大胆引进新工装、新设备，减少人为因素影响，相信隧道的超欠挖问题一定会得到较好的解决。

　　作者简介：刘义（1986-），男，山东菏泽人，中交第三航务工程局有限公司工程师，研究方向：高铁、地铁施工技术。

　　参考文献

　　[1]郭忠．隧道光面爆破及超欠挖现象分析与控制技术措施[J]．低碳世界，2019（11）：234-235．

　　[2]秦立鹏，刘志强．浅析层状片麻岩隧道超欠挖施工控制技术[J]．工程建设与设计，2019（4）：135-136．

　　（责任编辑：刘振敏）