隧道爆破掘進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研發中心，四川 成都 610031；2.中鐵二局集團成都新技術爆破工程有限公司，四川 成都 610031)

0 引言

隨著經濟社會的快速發展，我國基礎設施建設迎來了新的發展熱潮。隨著公路工程、鐵路工程及水利水電工程建設項目的快速推進，加之我國地形地貌復雜多樣，隧道工程的規模越來越大。截至2019年底，僅中鐵二局集團有限公司(簡稱“中鐵二局”)在建隧道就有187座，其中鐵路隧道56座，盾構及TBM隧道48座，地鐵礦山法區間8座，地鐵車站31座，公路隧道38座，市政隧道6座。據隧道技術中心及中國中鐵爆破安全技術研發中心(簡稱“爆破安全技術中心”)統計，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，盾構施工隧道長110.361 km，礦山法暗挖區間長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。受地質條件、爆破工藝、爆破參數、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象十分常見[1]。

1 隧道爆破掘進超欠挖現狀

隧道及地下工程建設中，爆破后的超欠挖現象是亟待解決的普遍問題。為了分析及統計各隧道工程的超欠挖現狀，近年來爆破安全技術中心選取了行業內幾個具有代表性的隧道工程進行了數據統計及分析，結果見表1。

表1 典型隧道工程的超挖數據統計

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重，平均超挖約27 cm。爆破安全技術中心在不同圍巖條件下進行了大量的光面爆破試驗，通過技術與管理的嚴格控制可將隧道超挖范圍控制在10 cm左右。多年來，相關學者及技術人員均十分重視隧道爆破超欠挖的控制工作，提出了相應的技術措施，制訂了相關制度及管理辦法；但在實際施工中一直存在“重施工進度，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。爆破掘進時若出現欠挖，會增加處理欠挖所投入的機械、材料及人員費用；而發生超挖時，會大幅增加混凝土量及機械、人員費用[2]?？刂瞥吠诂F象不僅可以節約成本，還可以加快施工進度。

2 隧道超欠挖現象的危害

隧道超欠挖現象發生后，對隧道建設及運營過程中的成本、安全及質量均會產生不利影響。

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，也會相應增加初期支護的工程量，延長各工序的施工時間。

b.隧道超挖會造成圍巖不穩，若開挖后未按規范要求進行噴錨支護，將影響隧道施工的安全及質量。爆破安全技術中心的統計數據顯示，各類隧道爆破后的最大超挖部位大多出現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.當因爆破施工不當發生欠挖時，在欠挖處理過程中必須進行鑿巖、爆破，從而影響工程進度及施工成本。如在欠挖時未進行規范處理，易造成初支及二襯厚度不符合設計及相關規范要求，形成潛在的安全及質量隱患，影響隧道后期的施工及運營。

3 隧道爆破掘進超欠挖原因分析

隧道爆破掘進超欠挖產生的原因主要包括環境、技術、管理、獎罰、觀念等5個方面[2]，分別敘述如下。

3.1 環境因素

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

a.地質條件。巖體越堅硬、越完整，爆破時爆炸荷載對巖體介質做功就越均勻。如巖體過于堅硬，未及時調整爆破參數，常會造成爆破后隧道欠挖；另外由于圍巖存在明顯的節理、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，使原巖沿著節理裂隙及軟弱帶發生楔形塊裂破壞，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，要求初期支護緊跟掌子面，這樣就縮小了鑿巖鉆孔預留的空間，難以達到設計的角度，特別是設計有鋼架的初期支護，對鑿巖鉆孔限制更大。常用的處理方法有3種：一是外移鑿巖設備，鑿巖鉆孔偏離輪廓線，但僅依靠裝藥參數來調整爆破效果，爆破后一般都會發生超欠挖；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，孔間增設短孔以補償部分能量，但這樣會使周邊孔炸藥布設不均勻，導致超欠挖[4]。

3.2 技術因素

隧道爆破掘進后產生超欠挖的另一主要原因是爆破工藝及爆破設計參數選擇不當，其中爆破工藝、掏槽形式、循環進尺、最小抵抗線、炮孔間距、裝藥結構、線裝藥密度、單孔藥量、起爆網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；這樣在爆破作業后，加強裝藥部分必然將產生嚴重的超挖現象，且不利于爆破后的巖體自穩，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.循環進尺。根據現場施工經驗，當向內偏移炮孔輪廓線進行鑿巖鉆孔時，循環進尺設置越大，孔底所需裝填的炸藥量越大，孔口段發生欠挖的概率越大；當采用設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增加，爆破后必然產生超挖。

d.最小抵抗線。隧道爆破設計中，若最小抵抗線設置過大，則炸藥爆炸產生的能量不足以崩落巖體；若最小抵抗線設置過小，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。故抵抗線設置不合理也會導致隧道的超欠挖。

e.炮孔間距。在現場缺乏監督的情況下，作業人員為了減少鑿巖鉆孔工作量，常不按設計要求進行炮孔鉆鑿作業，使得炮孔鉆鑿的間距大于設計要求，炮孔數量少于設計值；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，常導致超欠挖。

f.裝藥結構及單孔裝藥量。隧道爆破施工中，周邊孔采用連續裝藥結構且單孔藥量過大時，易造成超挖；如果間隔裝藥距離設置過大、單孔裝藥量過小，爆破破碎效果較差，易導致欠挖。

g.起爆網路。對于光面爆破，周邊孔的起爆順序決定了爆破效果。當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，爆破后都易產生欠挖。工程經驗表明，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，由于炮孔數量較多，現場爆破作業人員為了節約裝藥時間，常僅對掏槽孔進行填塞，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、噪聲等有害效應的產生及傳播，導致欠挖。為了補償未填塞炮孔的耗散能量，現場作業人員又刻意增大單孔裝藥量，這將導致巖體的過度粉碎，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險[2,5]。

3.3 管理因素

測量、鑿巖、爆破作業時，施工現場管理不到位也會造成隧道爆破掘進的超欠挖。

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

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行定位，有的鉆孔位置巖石破碎、夾泥，容易出現夾鉆或塌孔等情況，只能在指定孔位附近再行補孔，加之各種人為因素，導致孔位存在偏差。此外，由于鑿巖鉆孔作業一般安排在零點以后，現場缺乏監督管理，造成鉆孔人員隨意鑿巖鉆孔，鉆孔后出現外插角過大、孔間不平行、孔底未落到同一平面、各孔位偏差大等情況，如不進行驗收及補打不合格炮孔而直接進行爆破，則很容易出現超欠挖。

c.現場管理。在控制隧道爆破掘進的超欠挖時，需建立一個比較完善、統一的質量保證體系，對作業全過程及相關因素實行嚴格、科學的管理；但當前絕大多數的現場管理均流于形式，未將交底內容落到實處，未對現場進行常態化管理，也未對現場存在的問題進行分析改進，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，應以每循環考核結果為參考依據，在經濟或物質上給予相關人員獎勵，有相應的激勵才能讓現場作業人員有動力落實超欠挖的各項技術及管理規定；但絕大多數情況下獎勵政策未落到實處，相關人員付出時間及精力后未被相關管理層肯定及褒獎，致使作業人員失去了超欠挖控制的熱情。

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

3.5 觀念因素

傳統觀念認為，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，由于相關標準規范僅對欠挖作了詳細規定。為預防欠挖的發生，測量人員常超出設計輪廓線進行炮孔放樣，從而使光面爆破效果就算再好也會造成隧道的超挖；現場作業班組也一直存在“寧超勿欠”的意識，故意加大單孔藥量，造成超挖。

4 隧道爆破掘進超欠挖控制措施

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

4.1 爆破參數選擇

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計說明進行炮孔布置及裝藥作業，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 光面爆破參數參考值

4.2 爆破施工工藝

隧道爆破施工中，傳統觀念認為僅有圍巖條件較好的隧道才能采用光面爆破技術。爆破安全技術中心在軟弱圍巖及破碎圍巖條件下采用弱爆破的方式進行了大量的光面爆破試驗，結果表明，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。為了控制爆破作業后的超欠挖，爆破安全技術中心積累了大量的光面爆破技術參數，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爆破與光面爆破效果對比

圖2 完整圍巖條件下傳統爆破與光面爆破效果對比

采用光面爆破技術時，應嚴格按照測量放樣、鑿巖鉆孔、炮孔驗收、炮孔清吹、裝藥、填塞、起爆網路連接、炮后檢查、排危、出渣及超欠挖復測等工藝流程進行[7]：

a.實施鉆孔作業前，監督測量人員準確標出炮孔布置點位。

b.開挖班組嚴格按照設計進行鑿巖鉆孔作業，嚴禁隨意鉆孔，嚴禁少鉆孔。

c.炮孔鉆鑿完成后嚴格執行驗收制度，精確控制炮孔深度、角度，對不合格的炮孔進行補充。

d.裝藥前對各炮孔進行高壓風吹洗，以保證炮孔的通順。

e.周邊孔裝藥時，應采用竹片或PVC線槽按設計將間隔綁扎的炸藥與導爆索捆扎牢固；為節約現場裝藥時間，可提前將周邊孔的炸藥綁扎好備用，周邊孔的裝藥結構示意圖如圖3所示。

圖3 周邊孔裝藥示意圖

f.嚴格按照設計進行掏槽、輔助及周邊孔的裝藥作業，裝藥完畢后采用炮泥或沙袋等材料進行炮孔填塞。

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

h.經炮后檢查及排危出渣后，應對開挖斷面進行復測，嚴格落實爆后超欠挖測量制度，不斷優化爆破參數，以達到最優的超欠挖控制效果[8-9]。

4.3 現場管理

隧道超欠挖的控制是一個持續改進的過程，各隧道施工項目現場應組織成立超欠挖控制專職機構及配備專職管理人員，建立強有力的考核獎罰體系，加強作業人員的交底及培訓教育；爆破設計完成后，應及時向現場技術人員、鉆爆作業人員等詳細講解設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格管理，實現對隧道超欠挖的有效控制。

5 結論

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爆破參數，將其控制在一定范圍內。本文通過系統總結當前隧道爆破掘進超欠挖現狀，提出了一系列控制措施，得到以下主要結論：

a.當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重，平均超挖值約為27 cm。

b.隧道超挖后造成圍巖不穩、噴錨支護困難，在隧道建設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.隧道爆破后發生超欠挖的原因主要包括環境、技術、管理、獎罰、觀念等5個方面，可從爆破參數、爆破施工工藝、現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，通過合理選擇爆破參數，嚴格按工藝流程施工，加強現場管理，可將隧道超挖控制在10 cm以內。