钻爆法施工铁路隧道允许超挖值研究.pdf

182023年7 月第38 卷第4 期铁路工程技术与经济钻爆法施工铁路隧道允许超挖值研究李一兵,曾红,马跃龙，周中中1（1.中铁五局集团有限公司，长沙410000;2.中国中铁股份有限公司，北京100000)摘要：长期以来，钻爆法施工铁路隧道超欠挖是铁路建设各方重点关注的问题，合理的超欠挖允许值对铁路隧道工程造价有着重大影响。本文通过采集正常条件下钻爆法施工铁路隧道超欠挖数据，运用误差极限值法进行分析研究，揭示了目前施工技术与装备条件下客观的超欠挖水平，提出超挖允许值建议，为科学确定类似铁路工程隧道超欠挖和工程造价提供借鉴。关键词：钻爆法；铁路隧道；超挖允许值中图分类号：U455.41文献标识码：A文章编号：1 0 0 7-9 8 9 0(2 0 2 3)0 4-0 0 0 4-0 6Research on the allowable overbreak value of railwaytunnel construction using drilling and blasting methodLI Yibing,ZENG Hong,MA Yuelong,ZHOU Zhong(1.China Railway no.5 Engineering Group Co.,LTD.,Changsha 410000,China;2.China Railway Group Limited,Beijing 100000,China)Abstract:For a long time,over-excavation and under-excavation in railway tunnel construction usingdrilling and blasting methods have been a key concern of all railway constructors.A reasonable allowancefor over-excavation and under-excavation is of great influences on the cost of railway tunnels.In thisarticle,data of over-excavation and under-excavation in railway tunnel construction using drilling andblasting methods are collected and analyzed using the error limit method,which reveals the actual over-excavation and under-excavation levels under current conditions related to construction technique andequipment.Over-excavation allowances are put forward to provide reference to scientifically conductsimilar over-excavation and under-excavation and cost engineering in tunnel works.Key words:drilling and blasting method;railway tunnel;over-excavation allowances0引言铁路隧道钻爆法施工是人机一法环（岩）交互作用和互相影响的复杂过程，超欠挖现象是不可避免的。国内有如刘国强、郭建、张旭、梁东彪等学者，在隧道光面爆破参数优化、钻爆法施工隧道超欠挖控制、隧道光面爆破施工超欠挖控制技基金项目：中国中铁股份有限公司科技研究开发计划重点课题(2022-重点-4 1)作者简介：李一兵，高级工程师，工学学士，现主要从事企业概预算，企业成本管理等工作。E-mail:术、周边孔爆破参数对隧道围岩损伤及超欠挖的影响等方面进行了深人研究，提出了许多隧道超欠挖控制措施，力求将隧道超欠挖对工程的影响降至最低，但从目前实际施工情况来看，铁路隧道实际超挖难以控制在现行规范允许值之内。1铁路隧道超欠挖概念及影响因素1.1铁路隧道超欠挖的概念隧道开挖断面尺寸应符合设计要求，开挖断面应以包括预留变形量在内的设计轮廓线为基准，考虑贯通测量误差和施工误差等因素适当放大。爆破后实际轮廓线位于设计轮廓线之外的部分称为超192023年7 月李一法施工铁路隧道允许超挖值研究第38 卷第4 期挖，位于设计开挖轮廓线之内的部分称为欠挖，超欠挖断面如图1 所示。实际开挖线允许超挖线设计轮廉线超挖超挖欠挖图1钻爆法施工铁路开挖断面超欠挖示意图.2影响钻爆法施工铁路隧道超欠挖的主要因素1.2.1爆破设计在隧道施工中，爆破设计需要结合围岩等级、爆破器材、施工工法等因素进行动态爆破设计。爆破参数不合理，炮眼间距过大、周边眼抵抗线不合理、炸药量过大、装药不合理等因素均会造成较差的爆破效果，未根据围岩变化情况及时动态调整爆破参数造成隧道超欠挖。1.2.2地质变化在隧道施工中，围岩裂隙、节理发育、软弱夹层、破碎带等地质因素影响会造成难以控制的超欠挖。如爆破后围岩不沿周边炮孔的切割线成形，水平岩层隧道拱部易产生吊块或溜帮，竖向或斜向节理隧道边墙易产生塌落或溜帮等。1.2.3钻孔精度钻孔精度包括炮孔位置、方向和深度，符合爆破设计要求的钻孔精度是获得平整、规则开挖轮廓的基本条件。在实际钻进过程中，一是受限于岩石节理发育、台架作业空间限制、钻头人岩瞬间振动等因素，开孔位置会有不可避免的微小偏差；二是受钻机的供气压力、围岩岩性、钻进照准方向振动等因素影响，孔身会不可避免的产生微小偏差；三是隧道仰拱施工受作业条件限制孔向偏差较大；四是无论采用人工手持风钻或凿岩台车钻眼施工，由于现有设备的技术限制，同时须考虑设备与围岩保持一定的安全距离，不同的施工设备钻孔方向均不能与设计隧道走向保持一致，存在一定的外插角，导致钻孔深度越深、与设计开挖线偏差值越大，造成开挖断面出现扇形外斜，形成不同程度的超挖。1.2.4施工管理隧道超欠挖一定程度上依赖于爆破人员、技术人员的经验与水平。如果施工管理不到位，工序管理发生偏差，隧道超欠挖水平会受到很大的影响，具体表现在超前支护措施不到位、工法工艺控制不到位、施工操作不到位、测量放线不到位等方面。2铁路隧道规范允许超挖值高速铁路隧道工程施工技术规程（Q/CR96042 0 1 5）（以下简称规范）规定的隧道允许超挖值详见下表1。表1隧道允许超挖规范值围岩级别IIIVVVI开挖部位平均线形超挖(cm）101510拱部最大超挖(cm）202515边墙平均线形超挖（cm）101010平均线形超挖(cm）10仰拱、隧底最大超挖(cm)25注：1.适用炮眼深度不大于3.0 m，炮眼深度大于3.0 m时，可根据实际情况另作规定；2.隧道平均线性超挖值=超挖横断面积/爆破设计开挖断面周长（不含隧底），最大超挖值是指最大超挖处至设计开挖轮廓切线的垂直距离。3钻爆法铁路隧道超欠挖数据测定3.1超欠挖测定方法本文采用三维激光扫描仪测量技术，由施工现场专业测量技术人员，采集正常施工条件下的铁路隧道拱部、边墙及仰拱三个部位的超欠挖数据。三维激光扫描仪工作原理是利用相位偏移技术测得扫描仪到测点的距离，利用角度编码器测量镜像旋转、水平旋转获得36 0 30 0 的视野内测点的三维坐标（,y,z）,几分钟内获得一个由数百万个点三维数据组组成的点云，该点云经专业软件处理后得到所需的断面扫描图像。三维激光扫描仪测量的隧道断面示意图如图2。3.2超欠挖原始数据测定通过近二年的时间，选取了宜兴、西康、渝昆、杭温、重黔、广湛、西延、西康等9 条铁路2 8 个隧道正洞工区，循环进尺不超过3米（炮眼深度不超过3.5m）的钻爆法施工铁路隧道开挖断面进行了超欠挖数据采集。共采集了凿岩台车钻爆法开挖铁路隧道拱部超欠挖断面4 0 4 8 个、边墙超欠挖断面4046个，手持风钻开挖拱部超欠挖断面1 353个、边20HJHHWIJUH2023年7 月第38 卷第4 期铁路工程技术与经济炳辉一斜右线开挖YDK357+469断面测量断面单位m10设井断面9分桥区域8最大超挖20720295213237309294012933246332409333862724955290/4380.2340.2590:3870.268O.2550.299o.265o.2410.2890.39530.24204610.24行10.4060,216o.42420.2570:4470.310.4920.3190.47811232.926m内轨面-1237-6-5-4-32隧道中线234567设计面积：101.892m分析面积：101.892m2测量面积：78.17.9m超挖面积：6.65m2欠挖面积：最大超挖：0.509m2023-02-27最大欠挖：0m线性平均超挖：0.312m测量时间：23:54:50工程名称：1断面名称：IV级围岩a型复合式衬砌断面施测单位：2监理单位：3测量人员：雀林鹏监理人员：于亚涛复核人员：曾磊打印比例：1:100备注：定位球坐标注册精度为3.8 mm（注册精度需要3mm），设计断面0 1 半径为5.2 54 6 m02半径为7.4589m03半径为2.7 m04半径为8.4 1 9 m图2三维激光扫描仪测量的隧道断面示音图墙超欠挖断面1 2 7 1 个；手持风钻开挖仰拱底部超欠挖断面7 4 0 个。实测超挖平均值详见表2。4超欠挖数据处理分析4.1原始数据误差处理方法铁路隧道超欠挖实测原始数据，采用误差极限值法识别粗大误差，处理步骤如下：a.记样本数据为x，“i=1,2，,n”,n 为样本数据个数。b.按式（1）计算样本数据的最大极限值，按(2）计算样本数据的最小极限值。Lim,mmx=X+k(Xmx-Xmi(1)maxmin212023年7 月一法施工铁路隧道允许超挖值研究第38 卷第4 期表2钻爆法施工铁路开挖断面超欠挖实测平均值拱部边墙仰拱序围堰级别断面实测值断面实测值断面实测值备号注（个）(mm)（个）(mm)（个）(mm)1凿岩台车开挖404840461.1级围岩361518336131971.2级围岩3722033722201.3IV级围岩61470612612手持风钻开挖135312717402.1级围岩445158445134481602.2级围岩5721525721522801822.3IV级围岩1782041782002242412.4V级围岩15823176209188187Limmin:=x-k(xmXmin(2)max式中：Limmax为最大极限值；Limmin为最小极限值；Xmax为最大样本值；Xmin代为最小样本值；X为样本数据算术平均值；K为调整系数,按表3确定。表3误差调整系数K取值表观测次数(n)调整系数(K)观测次数(n)调整系数(K)51.311 150.961.216 300.8781.131530.79101.053以上0.6c.落在区间 Limmin，L i mma x 之外的值即为包含粗大误差数据。d.在样本数据中删除包含粗大误差数据。4.2误差处理后超欠挖有效断面经过上述步骤处理后，拱部断面数量减少2 6个，其中凿岩台车开挖断面数量减少1 2 个、手持风钻断面数量减少1 4 个；边墙断面数量减少38 个，其中凿岩台车开挖断面数量减少1 6 个、手持风钻断面数量减少2 2 个；仰拱开挖断面数量与原始数据一致，无差异。经误差处理后超挖平均值详见表4。表4钻爆法施工铁路开挖断面超欠挖平均值拱部边墙仰拱序备围堰级别断面实测值断面实测值断面实测值号注（个）(mm)（个）(mm)（个）(mm)1凿岩台车开挖403440281.1级围岩360318136001951.2级围岩3722033692161.3IV级围岩59360592662手持风钻开挖133912497402.1级围岩444157444134481602.2级围岩5631465581412801822.3IV级围岩1751991711872242412.4v级围岩157229762091881874.3有效断面实测值正态分布分析经过误差极限值法处理后，钻爆法施工铁路隧道不同围岩的平均线性超挖实测值呈正态分布规律，其频率正态分布见图3。手持风钻拱部I手持风钻拱部III隧道级拱部：手持风钻超挖值频率分布隧道级拱部：手持风钻超挖值频率分布柱状分布折线分布柱状分布折线分布45.00%50.00%40.00%40.00%35.00%30.00%30.00%25.00%20.00%20.00%15.00%10.00%10.00%5.00%0.00%0.00%50100150200250300350501000150200250300350400450500550600650区间值（mm)区间值（mm）手持风钻拱部IV手持风钻拱部V隧道IV级拱部：手持风钻超挖值频率分布隧道V级拱部：手持风钻超挖值频率分布桂状分布一折线分布柱状分布折线分布30.00%30.00%25.00%25.00%20.00%20.00%15.00%15.00%10.00%10.00%5.00%5.00%0.00%0.00%5010015020025030035040045050050100150200250300350400450500区间值（mm）区间值（mm）2023年7 月第38 卷第4 期铁路工程技术与经济凿岩台车拱部II凿岩台车拱部III隧道级拱部：凿岩台车超挖值频率分布隧道工级拱部：凿岩台车超挖值频率分布柱状分布一折线分布柱状分布一一折线分布30.00%35.00%30.00%25.00%25.00%20.00%20.00%15.00%15.00%10.00%10.00%5.00%5.00%0.00%0.00%50100 15020025030035040045050055060065050100150200250300350400区间值（mm）区间值（mm）凿岩台车拱部IV手持风钻边墙II隧道IV级拱部：凿岩台车超挖值频率分布柱状分布一一折线分布18.00%隧道工级边墙：手持风钻超挖值频率分布16.00%柱状分布一一新分布50.00%14.00%45.00%12.00%40.00%35.00%10.00%30.00%25.00%8.00%20.00%6.00%15.00%10.00%4.00%5.00%0.00%2.00%50100150200250300区阅值0.00%(mm)50100150200250300350400450500550600650700750区间值（mm）手持风钻边墙III手持风钻边墙IV隧道级边墙：手持风钻超挖值频率分布隧道IV级边墙：手持风钻超挖值频率分布柱状分布一一折线分布柱状分布折线分布40.00%40.00%35.00%35.00%30.00%30.00%25.00%25.00%20.00%20.00%15.00%15.00%10.00%10.00%5.00%5.00%0.00%0.00%5010015020025030035040045050050100150200250300350400450区间值（mm）区间值（mm）手持风钻边墙V凿岩台车边墙I隧道V级边墙：手持风钻超挖值频率分布隧道工级边墙：凿岩台车超挖值频率分布柱状分布一一折线分布柱状分布一一折线分布60.00%35.00%50.00%30.00%40.00%25.00%20.00%30.00%15.00%20.00%10.00%10.00%5.00%0.00%0.00%5010015020025030050100150200250300350400450500550600650区间值（mm）区间值（mm）凿岩台车边墙III凿岩台车边墙IV隧道级边墙：凿岩台车超挖值频率分布隧道IV级边墙：凿岩台车超挖值频率分布柱状分布一柱状分布折线分布新线分布30.00%25.00%25.00%20.00%20.00%15.00%15.00%10.00%10.00%5.00%5.00%0.00%50100 150 200250 3003504004505005506000.00%50100150200250300350400450500550600650区间值（mm）区间值（mm）图3平均线性超挖实测值频率正态分布图22232023年7 月李一法施工铁路隧道允许超挖值研究第38 卷第4 期根据以上正态分布结果，统计超挖实测值累计频率在8 0%以上的部分作为计算参与值。重新计算不同围岩条件下拱部、边墙、仰拱超挖实测值如表5。表5钻爆法施工隧道开挖实测值拱部超挖(mm)边墙超挖(mm)仰拱超挖(mm)序号项目名称备注上限下限平均上限下限平均上限下限平均1凿岩台车开挖1.1级围岩3001001803001001901.2级围岩3501002103501002101.3IV级围岩650150350450502202手持风钻开挖2.1级围岩250100160200501302241721602.2级围岩2005016020050130286831822.3IV级围岩350100180300100170953752412.1V级围岩3001001903001502201022201875研究结论5.1钻爆法铁路施工隧道超挖规律5.1.1超挖与围岩级别的关系钻爆法施工铁路隧道各类围岩普遍存在超挖，级围岩超挖值最小，V级围岩超挖值最大，超挖值在I V 级围岩之间呈线性关系。5.1.2超挖与开挖部位的关系通过采集的数据显示，正常施工状态下，仰拱超挖值大于拱部超挖值，拱部超挖值大于边墙超挖值。5.1.3超挖与施工工艺的关系凿岩台车开挖的超挖值大于手持风钻开挖的超挖值。实践表明，凿岩台车自身液压臂和推进梁比手持风钻占用作业空间大，造成周边孔钻孔时外插角大，产生的超挖现象较为严重。5.2钻爆法铁路施工隧道超挖允许建议值根据现场跟踪和本超欠挖数据采集分析，结合隧道超欠挖影响综合因素，参考行业内施工单位隧道超欠挖控制水平，拟提出铁路隧道允许超挖值的建议值供大家参考，详见表6。表6隧道允许超挖值建议（cm）开挖施工方法允许超挖值IIVV.VI部位规范值1015151510手持风钻实测平均值16161819建议值1015161818拱部规范值1015151510凿岩台车实测平均值/182135一建议值1018203033续表6开挖施工方法允许超挖值1VV.VI部位规范值1010101010手持风钻实测平均值/13131722建议值1012141620边墙规范值1010101010凿岩台车实测平均值/192122/建议值1018202230规范值10仰拱、隧底实测平均值20建议值20注：1.本表适用炮眼深度不大于3.5m。炮眼深度大于3.5m时，可根据实际情况另作规定。2.平均线性超挖值=超挖横断面积/爆破设计开挖断面周长（不含隧底）。3.因未对I级围岩采集超欠挖数据，隧道I级围岩允许超挖值建议值参考规范值。参考文献：1刘国强，刘彬，张庆明，等岩溶隧道光面爆破参数优化及其应用研究 J.隧道建设（中英文）：1 1 0.2郭建，李兵，刘桂勇，等，钻爆法施工隧道超欠挖控制研究J.工程爆破,2 0 2 1,2 7(1):7 9-8 4.3张旭：隧道光面爆破施工超欠挖影响因素分析及控制技术研究 D.北京：北京交通大学，2 0 2 0.4张运良，孙宁新，毛雨，等软弱夹层对隧道光面爆破效果影响机理研究J.铁道科学与工程学报，2 0 2 0，1 7（1）：1 4 8-158.5梁东彪周边孔爆破参数对隧道围岩损伤及超欠挖的影响研究 D.成都：西南交通大学，2 0 1 9.6陈锋临近既有线隧道悬臂式掘进机施工技术经济分析 J.工程造价管理，2 0 2 1（6）：8 2-8 8.