公路隧道超欠挖原因分析及控制处理措施

公路隧道超欠挖原因分析及控制、处理措施

徐超

摘要：在公路隧道的修建中，控制隧道的超欠挖对于提高质量、节约成本起着重要的作用。本文以新建鹤大高速公路大蒲柴河至砂子河设计段白水滩隧道为例 , 分析了公路隧道超欠挖产生的原因,浅谈降低或减少隧道超欠挖程度的措施,，介绍了隧道对于超欠挖的控制以及后续处理方法 ，指出采用“新奥法”技术、强化施工管理是控制隧道超欠挖的关键具体施工方法分别为光面爆破与人工处理。 关键词：隧道；超欠挖；新奥法光面爆破；人工处理

1 工程概况

新建鹤大高速公路大蒲柴河至砂子河设计段白水滩隧道设计为双洞分离式隧道该设计行车速度为80km/h。

隧道围岩类别变化范围由Ⅲ级~Ⅴ级,其中Ⅳ、Ⅴ级所占比例较大。因钻爆法费用低,灵活性大,几乎应用在各类岩石的开挖。本隧道全部采用钻爆法施工。

本人参与了新建鹤大高速公路大蒲柴河至砂子河设计段白水滩隧道的施工，结合在隧道实际施工的工作经验，对隧道的超欠挖有以下认识：

在隧道施工中，隧道超挖或者欠挖是不可避免的。一般来说，超挖是指实际开挖轮廓大于设计开挖轮廓，反之，欠挖是指实际开挖轮廓小于设计开挖轮廓。岩石隧道采用钻爆法施工，超欠挖不可避免，这对于隧道施工质量有重要影响，主要表现在以下方面：

对于超挖来说，首先，会引起多运洞渣。其次，如果不做处理或处理不当，初期支护背后留下空洞，在围岩松动或沉降的情况下，易将初支压碎，对于衬砌前施工安全极为不利。再次，如果超挖过大而紧贴岩面支护，便会提高初期支护甚至二次衬砌的混凝土工程量，增加成本。最后，严重的超欠挖对隧道洞室的稳定性也会产生一定的影响。

对于欠挖来说，如果未做处理，首先会减少二次衬砌混凝土的厚度，使二次衬砌作用大为削弱，起不到应有的作用。其次，清除造成人工、材料的超额消耗,处理欠挖更容易形成更大的超挖。再次，如果为提高衬砌混凝土的厚度而私自缩小二次衬砌的轮廓，造成其侵限，这在隧道施工中是明令禁止的。

2 影响隧道超欠挖的因素

2.1 钻眼精度影响分析

钻孔技术对隧道超欠挖的影响主要是周边炮孔的外插角θ、开口位置e和钻孔的深度L，他们与超欠挖高度h的有如下关系：

h=e+Ltan(θ/2) (2-1) 式（2-1）表面，随外插角θ、钻孔的深度L的增大，h增大。 2.1.1 外插角θ和钻孔的深度L

θ和L主要取决于司钻工的操作水平和所用钻机的某些性能。通常，钻机都有一个外缘高度，为保证后续掘进能正常钻孔，就必须有一个超挖高度hd（即超

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挖控制下限），钻孔需要的最小平均超挖约为7cm，这样，如L=3m,则外插角θ=4.55°；如L=5m，则θ=2.65°，显然，一般的人工操作水平有限是难以达到的。

2.1.2 周边孔开口位置e

在实际施工中，周边孔开孔位置e有如下三种情况，白水滩隧道为高速公路隧道，但我们按铁路隧道规范要求施工，我国《铁路隧道施工技术规范》中规定,周边眼外斜率不得大于5cm/m,并根据不同的炮眼深度适当调整斜率,保证眼底不得超出开挖断面轮廓线10cm,最大不得超过15cm。

图（2-1）

2.2 爆破技术

实际爆破中,多数是根据经验,难以完全根据隧道地质情况进行爆破设计,从而出现超欠挖现象,尤其在软岩地段爆破施工时,超挖现象更为严重。 2.2.1 炸药品种及装药结构

炸药与岩石阻抗不匹配,猛度过大对炮孔壁产生过量破坏;装药结构或线装药密度不合理也常常会造成对炮孔壁的局部或整体超爆破坏。 2.2.2 爆破设计不当

周边眼布置及周边眼(E)与内圈眼(W)的相对距(E/W)大了则可能产生欠挖,小了则可能产生超挖。同时，普通爆破相对于控制爆破，超挖比大。 2.3 施工操作影响分析

施工操作产生的超欠挖主要表现在：不放轮廓线、不准确放轮廓线、错误布置轮廓线和钻孔位置；放样中线和标高相对设计值的偏移；施钻人员技术不精或不认真;钻孔定位或钻进角度偏差控制不好;少打眼以及试图争取缩短钻眼时间,擅自减少钻孔深度;采用过多装药量;手持风钻施钻时工作平台高度不够而使钻孔向上偏斜过大等。 2.4 围岩类别影响分析

地质是客观条件，它是确定爆破参数的基本依据。围岩岩性(主要包括岩石的物理、力学特征等)、岩石结构(主要包括岩石成因演变过程特性,如节理裂隙等)对隧道施工超欠挖影响较大,据有关研究,如果隧道方向垂直于岩层走向,岩石整体破裂,超挖最多为16%;但当平行岩层走向时,则可能达40%。如遇软弱围岩、坍

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方或完整性差的地质情况,更易产生超挖。 2.5 施工管理影响分析

从以上诸多因素分析中看出,在隧道工程中,除地质及设备构造等客观因素外,其余均可凭人的主观能动性随机控制或改变。而这种随机控制或改变的前提即在于对技术的严肃性和施工的精确性两方面的重视程度。两者效果的良莠即可反应出施工管理水平的高低。

3控制超欠挖的措施

3.1 实施“新奥法”技术，改变“宁超勿欠”的传统观念

“新奥法”的基本原则“控制爆破、及时支护、监控量测”等与隧道超欠挖

的控制直接相关,“控制爆破”是隧道超欠挖控制的要点,不但使钻孔质量提高,炮孔误差减少,隧道开挖轮廓线成型质量提高,而且可基本消除爆破对围岩的挠动破坏影响。“及时支护”可以及早封闭围岩,避免隧道围岩应力的过度释放,从而避免隧道围岩节理性坍塌,形成过大的超挖量。同时,在现场施工中,应改变“宁超勿欠”的传统观念,树立“少超少欠”的观点,在规范容许的范围内,允许一定程度的欠挖,避免开挖轮廓线的无谓扩大,而使超挖得以减少。 3.2 优化每循环进尺，合理确定炮眼深度

炮眼深度的确定主要受隧道地质条件、施工组织能力、单循环作业时间、装碴机械及能力、工期及进度要求等的制约。深孔钻爆,虽然能获得较好的施工进度,但由于受钻孔倾斜率的影响,降低了炮眼利用率,增大了炸药消耗量,循环时间会加长,超挖值也会增大;减少炮眼深度就能减少外插角造成的超挖,如果炮眼深度由4m减少到2m,可以使平均超挖值减少50%。因此,无论是从超挖值还是从总体综合效应,在选择钻孔深度时要统筹考虑,优化每循环进尺,以获得最佳的施工进度和经济效益。 3.3 提高装药质量和爆破技术

超挖造成浪费,欠挖处理极为困难。隧道施工中,要充分运用光面爆破、预裂爆破和等差毫秒技术,精心进行钻爆设计,合理选择钻爆参数,提高装药质量。从实施光面爆破控制超欠挖出发,选择与岩石阻抗系数相匹配或相接近的炸药品种,周边眼可采用间隔装药方式,增加炮孔的线装药高度,改善爆渣块度,提高炮痕保存率。必要时可以采用红线爆破

3.4 提高测量技术，减少预留误差，控制人为超挖

测量是控制超挖的基础,提高测量精度,提高画线精度是控制隧道超欠挖的重要措施。施工中,要尽可能采用高精仪器和先进的测量手段,经常调试校核仪器,并将开挖轮廓线即设计轮廓线放样于掌子面上,以降低或取消预留和放样误差,减少人为超挖现象。放好，放准确线，是确保周边眼打好的基础，同时在初期支护完成后，及时的进行断面扫描，为下次的开挖，放线提供数据参考。 3.5 加强人员培训，提高钻孔精度

提高钻孔精度是防止超欠挖的最重要措施,为了使超欠挖值限制在最小范围内,必须加强对司钻人员的培训,使他们熟练掌握钻孔技术,做到按操作细则、设计要求和布置的孔位施钻,确保达到规定的孔位、孔深、倾斜度等。采用台车钻孔要实行定人、定钻、定眼,保证钻臂推进器水平,推力均匀适当。同时要严格工

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序间的检查和监督,坚持按图验收,不合格的坚决重打,以提高总体劳动成效和管理水平。

3.6 强化管理人员的科学意识，建立严格的施工管理制度

对一项工程综合评价的基本标准包括工程量与总工时之比最小、总劳材耗费指标最低、质量优良、无安全事故四个方面。因此,施管人员必须树立科学的观点,强化施工管理,措施上加大对施工质量监督与质量检查力度,组织上严格认真,行动上齐抓共管。对测量、钻眼和爆破设计,要有措施,有操作细则、有制度、有检查办法，把各项工作落到实处,只有这样,才能做到控制隧道超挖、降低施工成本。

4处理超欠挖的措施

在这里以白水滩为例，,原设计的Ⅲ级围岩，因洞内渗水严重，围岩强度较高，但由于围岩尚有竖向节理，整体性差，隧道掘进时超欠挖现象尤为严重，施工时常有巨大石块掉落，为保证施工安全，在围岩尚未变更的情况下加设钢架，采取Ⅳ级围岩支护初期支护。结合实际施工处理超欠挖的经验，论述如下。 4.1 超挖处理

在该隧道段掘进中，超挖程度为0cm~80cm不等，根据超挖程度不同，采取对应处理措施。当隧道超挖超过10cm以上，首先对其部位初喷素混凝土，然后根据其超挖程度确定是否要加设额外钢架或者钢筋网片。 4.1.1加设异形钢架

对超挖部位超过30cm以上（单位钢架间距面积1m2以上）的，先按照Ⅳ级围岩初期支护加工钢架并架立，再对超挖部位加设异形钢架，附加钢筋网片。采用砂浆锚杆（长度可取系统锚杆设计长度的1/2）将异形钢架锚固在超挖部位，同时其两端焊接到主钢架上，立即喷射纤维混凝土形成稳固的整体，防止处理部位无受力点。示意图如图1所示。

3561427 图1 加设异形钢支护示意图 1-初喷混凝土；2-主钢架（格栅钢架）；3-中空锚杆；

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4-异形钢架（I10工字钢）；5-附加锚杆；6-附加钢筋网片；7-钢筋网片

4.1.2加设钢架网片

对于超挖深度为10~30cm（单位钢架间距面积1m2以下）的，可对其挂网喷浆，同上，锚杆头做L形弯头，以便与钢架（或钢筋网片）连接，可靠受力。

当隧道超挖小于10cm的，可初喷后，按照未超挖处理，隧道整体支护后，喷射纤维混凝土。

隧道超挖必须及时处理，防止初期支护背后出现空洞，影响施工安全及质量。 4.2 欠挖处理

隧道欠挖是由两种情况造成，一是光爆效果不好，二是沉降变形。针对光爆效果不好的，可进行补炮或者人工机械凿除处理 4.2.1补炮

对于大面积、严重欠挖的部位（欠30cm以上），可对欠挖部位施作小炮眼，弱爆破处理，以免减少对其他合格成型部位的扰动； 4.2.2人工机械凿除

对于小面积、轻微超挖的部位（欠30cm以下），可对欠挖部位根据围岩情况做处理，一般来说，当围岩较软（Ⅴ级围岩）时，可采用挖掘机直接抠除，当围岩较硬（Ⅲ、Ⅳ级围岩）时，可采取人工钻孔以形成“支离破碎”情况，机械辅助排除。

当初期支护形成后，在监控量测过程中，发现由于沉降等引起的变形，影响二次衬砌施工标准时，应对其处理。 4.2.3人工凿除

对于发现局部变形轻微（＜5cm）时，可根据情况人工凿除初支混凝土，但不能拆除原有初支钢架或者钢筋网片。 4.2.4返工

发现大面积严重变形欠挖（≥5cm）时，可对欠挖部位返工，以确保二次衬砌混凝土厚度，防止衬砌断面侵限。

5结束语

防止或减少隧道超欠挖是所有隧道工作者的共识,隧道的超欠挖除了地质等客观因素外,其余均属于技术和管理方面的问题,其中施工管理意识和水平的提高是关键,若能更进一步强化施工管理,严格按“新奥法”技术施工,把众多的因素置于可控的状态,相信隧道施工超欠挖问题一定能得到较好的解决。

参 考 文 献

【1】现代隧道技术，崔年治,刘维宁. 2001, (06) 【2】隧道建设, 祝明洪，1999, (03) 【3】隧道施工技术规范.JTJ042-2002. 【4】于书翰，杜谟远，隧道施工； 【5】关宝树，隧道工程施工-要点集

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