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【摘 要】分析了公路隧道超欠挖产生的原因,提出了降低或减少隧道超欠挖的措施,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,可供隧道施工时参考。
【关键词】公路隧道；超欠挖；爆破；新奥法；控制措施
Reason analysis of Highway Tunnel Over excavation and Control Measures
Zhang Jian-xi
(Guangdong Province Changda Highway Engineering Co., Ltd Third Branch Guangzhou Guangdong 511431 )
【Abstract】Highway tunnel causes over break proposed to reduce or decrease the Tunnel Overexcavation measures, pointing out that the “new Austrian” technique, strengthen construction management is to control the Tunnel over excavation the key for the tunnel Construction of reference.
【Key words】Tunnel;Over excavation;Blasting;new Austrian law;Control measures
1. 工程概况
广梧高速公路河口至平台段是国家高速公路网布局方案第十八横向路线广东省广州至云南昆明的一段，路线呈东西走向。本阶段广梧高速公路主线全长64.471Km，其中隧道设置有茶林顶、三家寨（连拱）、旗山顶、石排口（左线）、鹅公髻、白石岭（连拱）、黄茅村（连拱）、牛车顶、亚婆髻、息村大山、百路须、正涌（连拱）、次步（小间距）隧道，共12576.05双洞m＼13座。全线路基宽度采用双向四车道高速公路公路标准，隧道单洞内轮廓净宽10.86m。
隧道围岩类别变化范围由Ⅱ级-Ⅴ级，其中Ⅲ级、Ⅳ级所占比例较大。因爆法费用低,灵活性大,几乎能应各类岩石的开挖，钻爆法施工技术已有近160 年的历史,则广梧高速本阶段的隧道施工大都采用钻爆法施工。
岩石隧道采用钻爆法施工,超欠挖不可避免。超挖引起多运洞碴,增加回填量,给支护、防排水、二衬等后续作业造成困难;欠挖则要清除,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。超欠挖影响隧道工程的综合效益,以现阶段双车道公路隧道为例,衬砌外轮廓开挖周长约为25m ,如每个开挖断面的平均超挖量为10cm ,每延米损失2000 元以上。严重的超欠挖对隧道洞室的稳定性也会产生一定的影响,因此必须对隧道超欠挖问题引起重视。
2. 影响隧道超欠挖的因素
2.1 围岩类别影响分析。
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、坍方或完整性差的地质情况,更易产生超挖。
2.2 钻孔设备及钻孔深度影响分析。
无论是人工手持风钻,还是凿岩台车钻孔,由于自动化程度低,必然影响到凿岩定位及钻进精度,使得周\边眼有一定外插斜率而产生向外或向上的超挖偏差,钻孔越深、外插角越大、自动化程度越低,超挖量越大。如钻孔为3m ,外插角为0°～3°,保持始点不能有欠挖,则钻孔前端需超挖0.16m ,平均超挖值为0. 08cm ,超挖形态如图1 锯状形。这也是规范建议深孔爆破深度取3～3. 5 m 的原因之一。(见图1)
2.3 钻眼精度影响分析。
钻眼精度是整个钻爆技术的首要环节,主要取决于设备外插角大小、开眼偏差、方向偏差、钻杆弯曲造成的误差、钻孔技术、台车就位正确性及台车钻臂推进器的水平性等。
2.3.1 开眼偏差；
开眼偏差即开眼中心与设计孔位中心间的偏差,开眼偏差多半是引起欠挖的主要因素。瑞典对质量要求较高的工程为4cm ,一般工程最大为10cm ,我国《公路隧道施工技术规范》规定炮眼开眼偏差不超过5cm。
2.3.2 方向偏差；
方向偏斜即开眼方向与隧道设计轴向轮廓线间偏差,方向偏差多半是引起超挖的主要因素。我国《公路隧道施工技术规范》中规定,周边眼外斜率不得大于5 cm/ 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。
2.4 爆破控制影响分析。
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。
2.4.1 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。
2.4.2 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。
2.5 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。
2.6 施工管理影响分析。
从以上诸多因素分析中看出,在某一隧道工程中,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,改善爆碴块度,提高炮痕保存率。爆破后,及时进行轮廓断面测量检查,找出各处超欠挖值,并反馈到施工中去,根据地质条件和爆破效果修改设计,以达到减少超欠挖的目的。对自稳能力差的软弱围岩更要注意因爆破设计不当造成的大量坍塌。
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。
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、有奖惩办法、定职定岗,形成制度,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. 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］ 《隧道施工技术规范》 JTJ042－2002.
［2］ 《隧道施工》于书翰杜谟远主编.
［3］ 《隧道工程施工——要点集》 关宝树主编.
［4］ 《隧道新奥法及其量测技术》 李晓红主编.
［5］ 《高等岩石力学》周维坦主编.
［6］ 《地下工程新奥法》 韩瑞庚主编.
［7］ 《隧道工程》王毅才 主编.
［8］ 《隧道围岩稳定系统分析》 中国铁道出版社李世辉.
［9］ 《土质学与土力学》高大钊 主编.
［10］ 《隧道施工管理实施指南》.
［文章编号］1006-7619（2011）02-22-112
［作者简介］ 张建喜（1983.04-），男，职称：助理工程师，工作单位：广东省长大公路工程有限公司第三分公司。
【关键词】公路隧道；超欠挖；爆破；新奥法；控制措施
Reason analysis of Highway Tunnel Over excavation and Control Measures
Zhang Jian-xi
(Guangdong Province Changda Highway Engineering Co., Ltd Third Branch Guangzhou Guangdong 511431 )
【Abstract】Highway tunnel causes over break proposed to reduce or decrease the Tunnel Overexcavation measures, pointing out that the “new Austrian” technique, strengthen construction management is to control the Tunnel over excavation the key for the tunnel Construction of reference.
【Key words】Tunnel;Over excavation;Blasting;new Austrian law;Control measures
1. 工程概况
广梧高速公路河口至平台段是国家高速公路网布局方案第十八横向路线广东省广州至云南昆明的一段，路线呈东西走向。本阶段广梧高速公路主线全长64.471Km，其中隧道设置有茶林顶、三家寨（连拱）、旗山顶、石排口（左线）、鹅公髻、白石岭（连拱）、黄茅村（连拱）、牛车顶、亚婆髻、息村大山、百路须、正涌（连拱）、次步（小间距）隧道，共12576.05双洞m＼13座。全线路基宽度采用双向四车道高速公路公路标准，隧道单洞内轮廓净宽10.86m。
隧道围岩类别变化范围由Ⅱ级-Ⅴ级，其中Ⅲ级、Ⅳ级所占比例较大。因爆法费用低,灵活性大,几乎能应各类岩石的开挖，钻爆法施工技术已有近160 年的历史,则广梧高速本阶段的隧道施工大都采用钻爆法施工。
岩石隧道采用钻爆法施工,超欠挖不可避免。超挖引起多运洞碴,增加回填量,给支护、防排水、二衬等后续作业造成困难;欠挖则要清除,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。超欠挖影响隧道工程的综合效益,以现阶段双车道公路隧道为例,衬砌外轮廓开挖周长约为25m ,如每个开挖断面的平均超挖量为10cm ,每延米损失2000 元以上。严重的超欠挖对隧道洞室的稳定性也会产生一定的影响,因此必须对隧道超欠挖问题引起重视。
2. 影响隧道超欠挖的因素
2.1 围岩类别影响分析。
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、坍方或完整性差的地质情况,更易产生超挖。
2.2 钻孔设备及钻孔深度影响分析。
无论是人工手持风钻,还是凿岩台车钻孔,由于自动化程度低,必然影响到凿岩定位及钻进精度,使得周\边眼有一定外插斜率而产生向外或向上的超挖偏差,钻孔越深、外插角越大、自动化程度越低,超挖量越大。如钻孔为3m ,外插角为0°～3°,保持始点不能有欠挖,则钻孔前端需超挖0.16m ,平均超挖值为0. 08cm ,超挖形态如图1 锯状形。这也是规范建议深孔爆破深度取3～3. 5 m 的原因之一。(见图1)
2.3 钻眼精度影响分析。
钻眼精度是整个钻爆技术的首要环节,主要取决于设备外插角大小、开眼偏差、方向偏差、钻杆弯曲造成的误差、钻孔技术、台车就位正确性及台车钻臂推进器的水平性等。
2.3.1 开眼偏差；
开眼偏差即开眼中心与设计孔位中心间的偏差,开眼偏差多半是引起欠挖的主要因素。瑞典对质量要求较高的工程为4cm ,一般工程最大为10cm ,我国《公路隧道施工技术规范》规定炮眼开眼偏差不超过5cm。
2.3.2 方向偏差；
方向偏斜即开眼方向与隧道设计轴向轮廓线间偏差,方向偏差多半是引起超挖的主要因素。我国《公路隧道施工技术规范》中规定,周边眼外斜率不得大于5 cm/ 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。
2.4 爆破控制影响分析。
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。
2.4.1 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。
2.4.2 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。
2.5 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。
2.6 施工管理影响分析。
从以上诸多因素分析中看出,在某一隧道工程中,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,改善爆碴块度,提高炮痕保存率。爆破后,及时进行轮廓断面测量检查,找出各处超欠挖值,并反馈到施工中去,根据地质条件和爆破效果修改设计,以达到减少超欠挖的目的。对自稳能力差的软弱围岩更要注意因爆破设计不当造成的大量坍塌。
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。
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、有奖惩办法、定职定岗,形成制度,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. 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］ 《隧道施工技术规范》 JTJ042－2002.
［2］ 《隧道施工》于书翰杜谟远主编.
［3］ 《隧道工程施工——要点集》 关宝树主编.
［4］ 《隧道新奥法及其量测技术》 李晓红主编.
［5］ 《高等岩石力学》周维坦主编.
［6］ 《地下工程新奥法》 韩瑞庚主编.
［7］ 《隧道工程》王毅才 主编.
［8］ 《隧道围岩稳定系统分析》 中国铁道出版社李世辉.
［9］ 《土质学与土力学》高大钊 主编.
［10］ 《隧道施工管理实施指南》.
［文章编号］1006-7619（2011）02-22-112
［作者简介］ 张建喜（1983.04-），男，职称：助理工程师，工作单位：广东省长大公路工程有限公司第三分公司。