胡辰翔
（中铁隧道局集团有限公司，广东广州 511466）
0 引言
目前，在隧道的建设中，钻爆法是最主要的施工方法。钻爆法的选择需要根据不同的地质条件进行现场动态分析，针对不同的围岩等级选择设置合理的爆破参数，选用适合的爆破器材，完善爆破工艺参数，进而提高隧道施工爆破效果。爆破开挖时，由于钻孔设备、火工产品、施工技术的限制，光爆理论及爆破设计方案不合理等因素的叠加影响，可能导致爆破后的成型效果差，出现超欠挖现象。超欠挖会显着增加隧道建设的成本，并严重影响施工安全，因此，对超欠挖控制措施进行研究十分必要。
1 各类型雷管概述
传统的导爆管雷管依靠燃烧化学药剂实现爆破，其结构原理导致其延期时间不能任意设定。由于化学药剂燃烧的不可靠性决定了传统导爆管雷管对爆破控制的偏差较大，延期时间可能与爆破要求不相同，会严重影响隧道爆破成型效果。毫秒延期电雷管一般也是出厂设定好延期时间，无法实现延时的自由设定。各类型雷管构造如图1 所示。
图1 各类型雷管构造示意图
电子数码雷管是在原有电子雷管的基础上将雷管与电子芯片控制器相结合的产物，其延期装置不是采用传统的延期体，而是采用具有电子延时功能的专用集成电路芯片控制延时，实现毫秒级精确延时，且可以任意设置延期时间。在爆破减振方面，从被动的错峰减振变为主动的干扰减振，可有效控制雷管对炸药的作用过程及爆破能量的释放，具有操作便捷、抗外界干扰能力强、爆破效果良好、减震降噪、组网能力强、延期精度高、网路延期时间可精确设置、高安全性、起爆网路可靠性高等优点。
2 隧道超欠挖研究现状
目前隧道施工的主要方法有钻爆法、盾构法和TBM 法，钻爆法在当前隧道施工中占据约90% 的比例。钻爆法是通过钻孔、装填炸药进行爆破开挖的方法。如图2 所示，通常将爆破开挖后实际轮廓线位于隧道设计轮廓线之外的部分称为超挖，实际轮廓线位于隧道设计轮廓线之内的部分称为欠挖[1]。衡量爆破好坏的标准主要有：爆破后轮廓成型程度、爆破裂缝是否明显、超欠挖量是否满足标准等。爆破技术的核心在于选择合理的延期时间和利用延期时间精准地起爆。隧道超欠挖会增加隧道掘进的开挖方量，相应的初期喷射混凝土支护和二次衬砌混凝土回填的工程量也会增加，同时增加出渣运输和后续支护的施工工序、时间，欠挖的处理也比较烦琐，需要重新钻孔、安装爆破器材、二次起爆，严重影响施工效率。
图2 隧道超欠挖示意图
在改进超欠挖方面，孙浩等[2]针对施工过程中的爆振速度问题，提出优化爆破参数控制超欠挖的重要措施。杨波等[3]系统地分析了造成超欠挖的原因，建议采用光面爆破，按工艺流程施工可控制超挖。于涛等[4]通过对爆速进行控制，得到良好的整体爆破效果。郝广伟等针对较大循环进尺造成的超挖问题进行研究，得出进尺越小超挖越小成型越好的结论。张旭认为引起隧道超欠挖的原因是复杂的，光面爆破理论及爆破设计方案不合理等因素会影响爆破成型效果。田兴朝等[5]对爆破参数数据进行采集，分析了布孔参数对超挖的影响规律。郭建等[6]分析造成超欠挖的关键因素，得出精准爆破技术和综合管控措施可降低线性超欠挖的结论。尹文纲等[7]提出“长、短眼”布置方案，使得Ⅳ级围岩段超欠挖可控。张继春等[8]认为光面爆破可有效地控制围岩超欠挖及爆破损伤。王雁冰等在井下岩巷掘进中引入数码电子雷管，增加单循环进尺，减少单循环时间，使爆破过程可控。崔立明等[9]利用电子数码雷管延时精准可调的特性，将炮孔划分成多个单元，扩大了预裂爆破的应用范围。
目前钻爆法施工引起隧道工程超欠挖的问题可以总结归纳为以下三点：一是人的因素，即测量放样误差和培训、交底不够细致。二是机械因素，隧道内空间受限，凿岩台车机械臂打眼角度不到位，没有按爆破设计周边眼外插角进行精确开孔。三是爆破参数不合理，现场施工作业时没有及时调整相应的爆破参数。
3 电子数码雷管的应用特点
电子数码雷管自2008 年7 月在杭州市钱塘江引水入城隧道掘进爆破工程中首次试用以来，受到相关施工企业的关注，目前已在浅埋隧道爆破中得到广泛应用，不仅使炮孔利用率达到98%，而且使爆破振动降低了50%～60%，既降低了震速，又改善了爆破效果[10]。电子数码雷管的起爆原理是起爆器向每发雷管下发延期指令并向每发雷管充电，雷管接收到起爆指令后自动延期倒计时，到达延期时间后起爆，实现毫秒级延时微差爆破。电子数码雷管具有以下特点：一是利用延时微差叠加各相邻炮孔爆破应力波和爆炸气体膨胀的相互作用，增加对围岩剪切和拉伸的破坏效果。二是利用先爆破的掏槽孔为相邻的后延时爆破辅助孔制造自由面，一方面增加相邻炮孔爆破反向拉伸波的作用，另一方面控制周边眼同时起爆设定，引导爆渣运动方向和轨迹，减少飞石对隧道开挖后方已完成支护段落的破坏。三是可以降低炸药单耗，微差爆破与齐发爆破相比一般可减少炸药单耗，有利于洞渣的装运。四是微差爆破利用掏槽眼、辅助眼、周边眼分散于各段的特点精确延时起爆，爆震强度大为降低，可有效减轻爆震对周边环境的危害。五是可同时控制多组雷管，实现全断面或大跨度断面的微差爆破作业，提高现场施工效率。
4 应用效果与不足
以往周边眼爆破采用雷管代替导爆索的方法会产生以下几个问题：一是造成现场周边眼没有做到间隔装药；二是周边眼经常采用的13 段、15 段雷管达到±60ms 的误差，造成周边眼无法做到同时起爆。现场通过采用电子数码雷管可实现周边眼同时起爆。近两年来，对七个单位几十个项目中近百个采用钻爆法施工的掌子面进行统计，各围岩平均线性超挖情况如表1 所示。
表1 钻爆法施工隧道平均线性超挖统计表 单位：cm
经统计，Ⅲ级围岩平均线性超挖值为13.08cm；Ⅳ级围岩平均线性超挖值为14.22cm；Ⅴ级围岩平均线性超挖值为15.69cm。2022 年度现场超欠挖控制数据较2021 年有所下降，除Ⅴ级围岩线性超挖值略高于行业规范控制要求，其他级别类型围岩隧道超挖控制值均在可控范围内，较传统雷管引爆方式有明显提升。
当前电子数码雷管在隧道施工现场应用中还存在不足，需要进一步完善：一是电子数码雷管近年来才全面推广使用，单发成本较传统雷管高3～7 倍，虽然超欠挖处理成本显着降低，但每循环爆破器材使用成本明显上升。二是隧道施工地质复杂多变，钻孔后常常伴有裂隙水流出，炮孔内部环境潮湿多水。电子数码雷管防水性能不足，抗潮湿环境能力不够，在软弱富水段落适用性不强。三是现场布线完成后组网检测时经常发现个别信号丢失，需要反复连接确认。四是爆破后存在部分盲炮和残药，影响开挖效果，造成循环时间延长。
5 结语
综上所述，目前采用钻爆法施工的隧道不可避免会出现超欠挖的现象，通过新材料和新技术推广应用、优化爆破技术和爆破器材、加强人员培训和现场施工管理能够有效地将超欠挖控制在允许范围内。电子数码雷管的应用能更好地保障隧道施工爆破环节的安全，为后续通风、出渣及支护工序施工创造进一步提升效率的可能性，并能在一定程度上降低由于起爆、装药及爆破时差不匹配导致的隧道超欠挖问题的出现概率，能够减少隧道工程施工成本上非必要的投入，确保隧道工程实体质量满足设计要求。
