卵形曲边墙结构特大断面隧道超欠挖影响因素及控制措施

卵形曲边墙结构特大断面隧道超欠挖影响因素及控制措施

段易宏

段易宏

温州市文泰高速公路有限公司浙江温州325211

摘要：本文阐述了卵形曲边墙结构特大断面隧道影响超欠挖的因素，结合大罗山隧道特殊断面结构形式，对隧道开挖断面超欠挖情况进行统计分析，根据现场实际施工经验，总结出卵形曲边墙结构特大断面隧道控制超欠挖的方法。实际应用表明，所采取的措施可有效控制超欠挖，同时保证了施工安全，节约了施工成本。

关键词：卵形；曲边墙；隧道；影响因素；控制措施

1工程概况

大罗山隧道穿越大罗山，位于温州市龙湾区瑶溪镇皇岙村，出口位于皇岙村国安寺西南侧220m，进口位于状元镇大岙溪村广济寺东侧约400m。隧道起讫里程桩号左洞为ZK1+375～ZK2+735，右洞为YK1+310～YK2+740，长约1.4公里。左右洞净距大于30米，机械开挖段：出口端左右洞约100m，进口段左右洞约30m。爆破采用新奥法（NATM）施工，爆破方量约39万m³。爆破工期约2年，采用从出口往进口单向掘进。

2对大罗山隧道开挖断面超欠挖数据统计

根据大罗山隧道地质报告及地层岩性，决定主要采用新奥法施工，Ⅴ级围岩采用双侧壁导坑法开挖，Ⅳ级Ⅲ级围岩采用中隔壁法开挖，隧道掘进采用单向掘进。

Ⅲ级围岩洞身中隔壁法开挖，采用组合式作业台架，人工手持风钻钻眼。2016年10月09日，对ZK2+198～ZK2+172开挖断面进行断面测量，通过实测数据采集整理，获得超欠挖参数、开挖轮廓凹凸不平，掌子面平整度较差，其中超挖10cm以上占了整个开挖断面的百分之五十。

3分析卵形曲边墙结构特大断面隧道影响超欠挖的因素

3.1断面结构形式的特殊性

（1）卵形结构。目前我国在建隧道及既有隧道大多采用圆拱状断面形式。圆拱状断面隧道以承压能力良好、施工简单、便利机械化施工作业及自动化施工作业的特点而得以大量应用。而长期的工程实践发现，隧道的承压能力主要取决于隧道断面的支承组合形式，圆拱状断面隧道并不是承压能力最好的隧道，承压能力最好的隧道是卵形（蛋拱状）断面隧道。卵形（蛋拱状）断面隧道拱壁支承力传递有其特殊的规律，受力形式也有其特殊性，因此在隧道开挖爆破过程中，对隧道超欠挖的有一定的影响。

（2）曲边墙结构。结合以往工程实例及资料数据，通过对直边墙隧道和曲边墙隧道进行变形量测（拱项下沉和净空收敛）所得到的实测数据，分析采用不同断面形式施工对隧道衬砌结构变形产生的影响，得出的结论为：曲边墙隧道结构比直边墙隧道结构设计更为合理，其对隧道拱脚下沉值的改善较大，较好地控制了拱脚下沉，结构受力较为理想，更有利于保障施工安全。

（3）特大断面。大罗山隧道出口端洞口段Ⅴ级围岩中S5JQ段，开挖断面约为172㎡。Ⅳ级和Ⅲ级围岩，开挖断面分别为160.45㎡、153.71㎡。最大断面在紧急停车带Ⅲ级围岩段，开挖断面达200.49㎡。根据国际隧道协会（ITA）定义的隧道的横断面积的大小划分标准，开挖断面大于100㎡时即为特大断面隧道。

由于具有卵形、曲边墙、特大断面的特殊结构形式，隧道结构承受了很大的围岩压力，并且受力条件极其复杂，在开挖爆破过程中对围岩的超欠挖产生很大的影响。

3.2岩体工程地质条件

在爆破开挖过程中，节理特征是影响超欠挖的一个主要因素，这其中包括节理的方位、间距、节理的填充物、岩体的强度以及地应力条件等。

（1）节理的产状：与隧洞开挖边界相关的节理的产状是在爆破开挖过程中影响的主要因素之一。岩体节理愈发育，抵抗爆破的能力就愈弱，超挖现象就愈严重。当节理或断层的走向与隧洞的轴线接近垂直时，其对超欠挖的影响较小，而当节理的走向近乎平行于隧洞的轴线时，对超欠挖的影响较大。当节理走向与隧洞的开挖建议线接近平行，开挖时岩体将沿节理破裂，而不会沿着原设计的边界线破裂，两组节理的组合将会增大超挖现象的机会，在三组或更多组节理的组合下，超欠挖现象将更加突出。当岩层近水平方向上成层发育，而节理垂直发育时，大方量的超欠挖将会在隧洞开挖过程中出现。水平方向的节理将使隧洞顶部变得比较平，倾斜的地层或节理可以改变隧洞的开挖边界的形状，使得隧洞不能形成对称的形状，这样可能造成大方量的超欠挖现象的出现。

（2）节理间距：节理的间距与岩体超欠挖密切相关，对节理比较密集的岩体进行开挖要通过爆破的方式，大块的岩块则比较容易产生大方量的超挖，同时岩体稳定性也取决于有多少组软弱结构面的出现。

（3）黏土充填物：充填于节理或断面层的黏土对隧道边墙的稳定性是十分不利的，通过爆破使较完整的岩体破裂所需的能量要超过夹层的充填材料所需要的能量，因此在爆破设计时就要充分考虑软弱夹层中充填物对超挖的影响。

（4）岩体的强度：在一定的条件下，岩体的强度可能成为影响超欠挖方量的重要因素。一般说来，岩体的强度越高，越有可能造成岩体的超挖现象，与节理强度相比岩体完整性是决定超欠挖的主要因素。

（5）地应力的影响：地应力的方向和主应力比的大小也是影响超挖的主要因素，特别是地应力的大小接近节理化岩体的强度时，其影响更为显著。

3.3钻孔精度影响分析

钻孔的偏差是产生超欠挖的主要原因。钻孔的偏差一般由三部分组成：

（1）开眼偏差，即开眼中心与设计孔位中心之间的偏差。

（2）方向偏差，即开眼方向与隧道设计轴向轮廓线之间的偏差。

（3）岩石内的附加偏差，即由于岩层产状或岩石节理原因造成钻孔后的偏差加大量。

这三种偏差中，开眼偏差多半是引起欠挖的主要因素；方向偏差多半是引起超挖的主要因素。在方向偏差中，有两个原因容易造成大的超挖。①是由于钻孔过程中钻孔人员受操作环境影响，即钻机操作手柄均在左手边，左侧拱脚钻眼时，操作人员反手持钻，为避免手与墙相撞，只有加大外插角，造成了左侧拱脚处超挖严重。②是由于受施工手段制约，会出现人为现象，即拱部欠挖处理困难，而边墙欠挖易处理，故操作时有意识地加大拱部钻眼外插角，造成拱部超挖严重。同时方向偏差随钻孔深度增加而增加。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。

3.4测量精度及预留尺寸

测量精度不高致使开孔位置不正确造成的超欠挖。在布置掌子面炮孔时，常规做法是定出中心后用钢尺画出每个炮眼的位置，但因掌子面不在理想的垂直面上，测量精度较低，导致局部炮眼位置存在较大误差，从而造成超欠挖。在技术交底、测量放样中为了避免欠挖，往往又事先加大了开挖轮廓线。（1）测量误差：一般预留5cm；（2）施工误差：根据使用衬砌设备情况一般预留5～10cm；（3）预留变形量：根据围岩情况一般为5～10cm；（4）在绘制轮廓线中，由于开挖掌子面不平整，丈量尺子很难保证水平和垂直于隧道中线，为了防止欠挖，又自行放大5cm。以上合计预留量为20～30cm。扣除客观上必须预留者外，有资料统计，不必要的预留尺寸引起的超挖占超挖数量总和的19%左右。

3.5爆破方面

隧道围岩的情况、炮眼布置位置、爆破方法、爆破器材质量和装药量，也会直接影响超挖和欠挖，在实际施工中，多数是根据经验行事，因围岩千变万化，尽管做出很多爆破设计图，也不可能绝对合理，其中包括：（1）掏槽方式不合理，会直接影响掏槽爆破效，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。

3.6施工组织管理

隧道开挖掌子面狭小、作业空间有限，只能通过多次循环来求得进度，而每一循环都必须进行超欠挖控制。所以，建立一个较为完善、系统的开挖质量保证体系，对作业全过程及相关因素实行严格的科学管理非常必要。爆破作业现场管理主要包括人员安排、作业组织、技术水平、技术交底、跟踪指导、质量检测、信息反馈、经验总结和资料采集等。现场管理的组织水平，直接或间接影响到爆破作业过程的实施及效果。

4总结卵形曲边墙结构特大断面隧道超欠挖控制措施

4.1提前掌握地质情况

地质条件对超欠挖的影响，主要是节理裂隙等天然不连续面，裂隙密度越大，岩体越破碎，对超欠挖影响越大。应根据不同的地质条件，采取合理的爆破设计，并在施工中跟随掘进作地质观测与超前预报，依此调整钻爆参数与作业方法。

4.2提高炮眼钻孔精度

钻孔精度对超欠挖的影响主要是周边炮孔的外插角θ和开孔误差e，减小周边炮孔的外插角θ采取的措施是提高施钻手的操作水平和工作责任心，设置高精度钻孔方向标志、角度参照标志。提高开孔误差e的精度，对控制超挖非常重要，针对测量放样对超欠挖的影响因素，采用先进的全站仪免棱镜三坐标放样法（利用全站仪不用棱镜激光测距功能，进行周边孔准确放样，放样精度1cm），改进放样画线方法，坚决杜绝人为放大开挖轮廓线，提高施工精度。严格要求施钻工在规定的孔位上钻孔，并派专人指挥监督钻孔。

4.3提高测量技术，控制预留尺寸

（1）测量误差：目前我们有现代化的精密仪器和先进的测量手段，在施工测量中有三级复核制的制约，根据以往几座长大隧道的贯通测量误差一般都能控制在10mm以内。因此我认为今后的预留测量误差定为2cm即可。（2）施工误差：由于人工量测的误差是难免的，预留5cm是必要的。（3）预留围岩变形量：要经过量测反馈，一般VI、Ⅲ类围岩变形极小，可忽略不计。Ⅴ类围岩以下，也要根据实际情况而定，并要作到支护及时以减少变形。（4）坚持推广使用激光指向，以保证在绘制掌子面的开挖轮廓线时达到尽量准确。在大断面开挖应在拱顶、拱脚和边墙大跨处布置五台激光仪，并要经常调试校核，保证其中线、水平的可靠性以减少超欠挖，还能减少测量时间，可省循环时间15min以上。如果能做到以上四点，估算可减少线性超挖8cm左右。

4.4优化爆破设计

4.4.1炮眼结构形式的设置

由于两条隧道净距至少30m，爆破施工对左右洞隧道的施工安全基本无影响。

周边眼采用光面爆破，先行导坑采用Ⅴ形二级复式掏槽，非电导爆管起爆网络，非电毫秒雷管微差起爆。

4.4.2选用炸药品种和优化装药结构

由于周边眼的炸药爆炸直接扰动周边围岩，所以应采用小直径爆力低的炸药，如乳化炸药、铵油炸药等。周边眼应采用间隔装药，且相邻炮眼所用药串的药卷位应错开，使炸药在光爆孔内均匀分布，爆炸后可形成规整的壁面。采用反向装药结构可获得较好的石碴块度，因眼底夹制作用大一些，应在底部加强装药，避免周边眼留底现象。另外，在采用竹片串联安装药卷时，竹片应放置在靠边墙一侧，这样可以降低爆破对侧部围岩的扰动。

4.4.3加强对起爆顺序和光爆孔起爆时差的控制

①鉴于目前毫秒级雷管误差较大，其段间隔时间为25～300ms，在实际施工中，宜跳段使用，以免窜段。②光爆孔间隔装药宜采用导爆索连接，以免因沟槽效应造成熄炮现象。③光爆孔起爆的同时性十分重要，只有相邻孔之间同时起爆方可形成叠加应力，在垂直面的中心线方向上形成合力，最终产生平整的破坏面，所以必须选用高精度毫秒雷管，以减小起爆的时差。

4.4.4爆破参数的选取

本隧道断面为卵形，其中S5JQ衬砌类型下的开挖断面长半轴为8.26m，短半轴为6.596m，隧道进口端开始爆破时需爆破的断面积约为172㎡。隧道出口端洞口段Ⅴ级围岩采用人工配合机械开挖，爆破施工主要为Ⅳ级和Ⅲ级围岩，断面分别为160.45㎡、153.71㎡。

下表为Ⅳ级和Ⅲ级围岩中隔壁法开挖时，上导先行导坑（左上导）爆破参数选取值，参数选取按Ⅴ形二级复式掏槽形式设计。除先行导坑（左上导）外，其余导坑由于具备临空面，均按台阶法爆破。

4.4.5炮眼数量

中隔壁法循环进尺上导为3.3m，掏槽眼孔深5m，辅助眼孔深4米，周边眼孔深3.5m。根据工程类比，经计算和画图后，中隔壁法炮眼数目取181个；结合实际情况，周边眼间距约为50cm，辅助眼间距约80～100cm，掏槽眼间距约为40cm。中隔壁法掏槽眼倾角为75.07°，起爆顺序为1段、3段、5段。

4.4.6设计药量

本隧道光爆钻孔直径为42mm，掏槽眼设计单孔药量为3000g，辅助眼设计单孔药量为1800g，底板眼设计单孔药量为1800g，周边眼设计单孔药量为800g，其均为直径为Φ32cm的乳化炸药。在钻爆开挖过程中，应该随围岩的变化，对爆破设计的参数进行适时的调整，达到合理控制超欠挖的目的。

4.5加强现场施工管理和组织

良好的施工管理和组织，对减少超欠挖有着十分重要的现实意义。隧道超欠挖问题不仅是技术问题，还是施工管理问题，只有建立一套严格的施工管理制度，才能保证技术的顺利实施。管理的目的就是要把众多的因素处于可以控制的状态，达到爆破设计的基本要求。在爆破质量管理中，应做到以下几点：（1）建立一套比较健全的质量保证体系，对作业全过程及相关因素实行严格科学的管理。（2）加强组织保障，对钻爆手实行定人定岗。必须对钻孔人员进行岗前培训，并组织熟练钻工进行经验交流，通过岗前培训使钻孔人员均熟练掌握炮孔的角度、周边孔外插角和间距控制等技术。（3）必须要做到及时检测，有问题及时反馈，制定专人抓这项工作，保证测量、钻孔和爆破设计等工序之间的衔接和呼应。

5效果成效

在优化了爆破参数，制定实施了上述措施后，2016年10月09日至2016年10月21日，对ZK2+166～ZK2+132段落隧道爆破开挖质量检查的情况进行了统计，通过实测数据采集整理，获得相关超欠挖参数，开挖轮廓较平整，炮眼残留率大大提高，其中超挖10cm以上占了整个开挖断面的百分之二十九。

通过对两个阶段实施的爆破数据对比分析，制定相应的措施后，大罗山隧道超欠挖得到了有效控制。提高了工程质量，进一步保证了施工安全，取得了良好的经济效益。

6结语

本文通过对大罗山隧道断面超欠挖情况的统计，分析影响卵形曲边墙结构特大断面隧道超欠挖的因素，总结出卵形曲边墙结构特大断面隧道控制超欠挖的关键措施，通过实施关键措施，有效控制了隧道施工的超欠挖量，并节约了施工成本。在以后的施工中，应不断地进行总结，推动隧道施工中超欠挖控制技术的发展与进步。

参考文献

[1]姜晨光，贺勇，崔专等.卵形(蛋拱状)断面隧道拱圈支承力衰减规律的理论分析.江苏交通，2003，（10）：30-32.

[2]胡小明，江文凌，彭鹏.某大断面隧道断面形式的比选分析.南宁.广西交通科学研究院，2016.

[3]刘冬，高文学，刘明高.隧道超欠挖成因及其控制技术[J].地下空间与工程学报，2007,12（8）：3-5.