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摘要：本文以笔者实践中某高速公路隧道为例，以隧道支护施工技术的应用研究为主题，介绍了隧道开挖方法、初期支护方法，论述了在隧道推进中常用的支护施工技术，包括锚杆支护、长管棚、超前小导管注浆、喷射混凝土、构筑钢拱架等，以期望为相关人员提供借鉴。
关键词：隧道 开挖 初期支护 支护技术
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：
正文：
1 项目概况
某高速公路隧道，左线长 2 321 m，右线长2 322 m，隧道净空 10． 25 × 5 m。本隧道为重点工程，根据工程特点，分离式隧道采用出口向进口掘进; 形成开挖、支护、衬砌机械化作业线。本隧道地质情况复杂，隧道地质情况较差，基本以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，部分隧道穿越地层主要为第四系上更新统新黄土(Q2eol3)和第四系中更新统老黄土(Qeol2)。
2 开挖方法
在拱部超前支护施工后,采用正台阶法分上下台阶开挖施工。上台阶预留核心土,首先用CAT320C挖掘机初步开挖上部弧形导坑,然后人工手持风镐修边到位。开挖成型后,紧跟由锚杆、钢筋网、型钢拱架、喷射混凝土组成的初期支护。核心土保留2.5 m~3.5 m。上部导坑根据围岩类别及含水率和裂隙发育变化情况,Ñ类围岩每循环进尺0.5 m~1.0 m,ò类进尺1.5 m~2.25 m。上部导坑领先10 m~15 m,为下台阶机械施工提供操作空间,左右错开机械开挖下台阶,施作初期支护。下台阶单侧每循环进尺2 m~4 m。全断面初期支护成型后,及时左右错位开挖仰拱,浇注仰拱及填充混凝土,使初期支护闭合成环。
3 快速、分步进行初期支护
当含水量达到15 %以上时,在上部导坑实施开挖的过程中,侧壁就会伴随着小量的坍塌掉块。其实在这时候围岩总体是稳定的,因黄土的强度较低,垂直裂隙发育,随含水量增大,粘结力降低,仅产生表面剥落现象。洞室开挖成型后,迅速初喷混凝土3 cm~5 cm厚是必不可少的一道工序。首先它起到封闭围岩,延缓围岩风化,有效阻止地下水外渗的作用。在局部超挖处,用喷射混凝土将其补平,可减少因超挖造成的应力集中而引起进一步的掉块、坍塌现象。在短时间内能起到加固围岩变形的作用,为初期支护作业提供一个安全的操作空间。
在隧道开挖前,土体处于天然的应力平衡状态。隧道开挖后,土体原有的天然应力状态被破坏,围岩应力在洞周一定范围内产生了重新分布。黄土属于塑性围岩,当围岩应力超过其抗压强度后,产生径向塑性位移,形成塑性区,释放一部分应力,另一部分向外传递,导致塑性区周边继续产生塑性变形,塑性区向外扩大。
随着塑性变形发展到一定程度,围岩不断松动破碎,其粘结力和内摩擦角不断下降,围岩将出现松动失稳破坏现象,由松动土体自重形成松动压力。通过采用快速、分步进行初期支护的方法,效果非常明显,节省喷混凝土和锚杆施作的时间,缩短施工循环周期,加快施工速度。监控量测结果表明,初期支护变形收敛值若能控制在0.7 cm左右,最大不超过1.5 cm,就能有效控制初期支护变形、开裂等不良现象,达到全隧道初期支护表面无渗漏水。
4仰拱紧跟
仰拱、填充超前于襯砌,紧跟掘进平行作业,首先,能使全断面初期支护尽早封闭成环,形成一个完整的受力结构,限制支护结构的侧向变形。其次,能尽早地封闭隧底基岩面,避免地下水及施工废水浸泡隧底及墙脚而降低土体承载力和产生湿陷。另外,还可减少机械、车辆行走对隧底的扰动,尽早提供硬化的行走道路,提高施工效率。
5 隧道推进支护技术
5.1锚杆支护技术
本隧道中锚杆支护采取中空注浆锚杆施工，先安装好锚头再将锚杆体送入锚孔并推到预定位置。这样一方面可以保证锚杆体位于锚孔正中，使包裹锚杆体的水泥砂浆达到设计要求，防止锚杆体的腐蚀，另一方面，也利用锚头倒刺将锚杆体固定在锚孔内; 将止浆塞套入锚杆体并封住锚孔外端口，以防止砂浆外溢; 采用快装注浆接头将锚杆体与注浆泵相连，选用挤压式注浆泵，其额定工作压力不低于 1． 5 MPa。支护的锚杆要求水泥砂浆标号不低于 20#，砂子应采用细砂，直径不大于 1 mm。为保证施工注浆顺利进行，可先不将锚杆体送入锚孔，而在露天开动注浆泵进行试注浆，以观察砂浆从锚杆体另一端能否顺利出浆，以调整合适灰砂比和水灰比; 安装垫板和螺母，若铺设有钢筋网，可利用垫板将钢筋网固定; 最后喷射混凝土，完成初期支护。
5.2超前大管棚支护技术
对于隧道所采取的超前长管棚一般设于两端洞口，通过注浆提高围岩自身承载能力，提高岩体对结构的弹性抗力，改善结构受力条件。管棚钢管均采用 Φ108 × 6 mm 热轧无缝钢管，环向间距40 ～50 cm。钢管设置于衬砌拱部，管心与衬砌设计外轮廓线间距大于 20 cm，平行路面中线布置。为有效地确保隧道开挖安全性，对于支护的每个施工流程均采取严格把握，对所采取的超前大管鹏制定详细的施工流程。
( 1) 钢架混凝土套拱: 套拱内埋设二榀工字钢拱架，导向管采用 Φ140 ×6 mm 无缝钢管，长0． 8 m，环向间距50 cm。为便于钻机钻孔、注浆作业，在作套拱前，土石开挖应分台阶，上台阶高度在起拱线附近，以满足工作高度。
( 2) 钻孔采用 GBZ—130 型地质钻机钻孔，Φ140 合金钻头。Φ42 钻杆，从导向管钻进，开孔时低速底压。钻机立轴方向准确定位，保证孔向正确，每钻完一孔即顶进一根钢管，注一孔浆。钻进中经常检查钢管钻机的偏斜度，发现偏差超过设计时，立即纠正。
( 3) 长管棚插入及孔口处理: 钢管采用 Φ108 × 6 mm 无缝钢管，节长、管环向间距、倾角、方向均按设计规定施作，同一横断面内接头数量不超过 50%，相邻钢管的接头错开不小于 1 m。钢管采用丝扣连接，丝扣长 15 cm，浅孔段采用人工推进，孔深阻力大时，采用机械顶进 。钢管就位后加以固定，钢管与导向管间隙用棉纱堵塞。钻空完成后检查，并进行扫孔，之后安装钢管。
( 4) 注浆采用 HFV －50 注浆机注浆。设计注浆浆液为水泥水玻璃双液浆，实际注浆时的参数需现场实验确定，注浆时钻一孔注一孔。开工前进行双液注浆实验，达到要求时报监理工程师。
5.3超前小导管注浆支护技术
超前小导管适用于分离式隧道Ⅴ级围岩地段、分离式隧道高水头压力段。通过小导管注浆提高围岩自身承载能力，提高岩体对结构的弹性抗力，改善结构受力条件，小导管采用外径 42 mm，长350 cm 的热轧无缝钢管，环向间距约 40 ～50 cm。在钢架上标定小导管施作位置，利用手持风钻造孔，严格控制外插角，再用风钻将已加工好的钢花管顶入，尾部与钢架焊成整体。超前预注浆设置在渗透性极大的高水压地段，每循环全断面共设置约 58 个注浆孔，分为三环，孔深12 ～ 30 m 不等。注浆孔前段设置 3m 套管，并采用 Φ115 mm钻头成孔，后续注浆段采用 Φ75 mm 钻头成孔。每循环注浆前需设置50 ～100 m 厚导向墙( 止浆墙) ，采用前进式分段注浆方式。每循环注浆完毕开挖施工后，预留 6 m 左右作为下阶段注浆止浆段。注浆过程中要随时观察注浆压力及注浆泵排浆量的变化，分析注浆情况，防止堵管、跑浆、漏浆，做好注浆记录，以便分析注浆效果，结束 5 h 后进行开挖。利用前次注浆的 1． 0 m 左右未开挖的加固段做为止浆墙再进行小导管注浆，重复以上工作。
5.4钢架加工制作及架设
为有效地加强钢架的整体稳定性，对于工程中所采用的钢架应采用纵向连接钢筋。而且要确保准确定位出钢架，则预先打设定位系筋。系筋一端与钢架焊接在一起，另一端锚入围岩中 0． 5 ～1． 0 m 并用砂浆锚固，当钢架架设处有锚杆时应尽量利用锚杆定位。钢架架立后应尽快施作喷混凝土，并将钢架全部覆盖，使钢架与喷混凝土共同受力。喷射混凝土应分层进行，每层厚度 5 ～6 cm 左右。
6 结 语
整个施工过程中存在纵多的安全隐患，为了防治安全隐患，需要做大量的地质探测工作，同时对本隧道支护施工工作相当重要。为有效地确保隧道支护的安全性，采取多种有效的支护技术措施。
参考文献:
［1］ 王新政，黄雄军． 林家溪隧道支护施工工艺研究［J］． 辽宁建材，2005，28( 5) : 118 －119．
［2］ 胡维维． 隧道初期支护施工技术探讨［J］． 科技与企业，2012，27( 3) : 31 － 33．
［3］ 张慧媛，吴沛． 公路工程Ⅴ级围岩隧道支护施工技术应用研究［J］． 中国新技术新产品，2011，31( 7) : 57 －58．
关键词：隧道 开挖 初期支护 支护技术
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：
正文：
1 项目概况
某高速公路隧道，左线长 2 321 m，右线长2 322 m，隧道净空 10． 25 × 5 m。本隧道为重点工程，根据工程特点，分离式隧道采用出口向进口掘进; 形成开挖、支护、衬砌机械化作业线。本隧道地质情况复杂，隧道地质情况较差，基本以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，部分隧道穿越地层主要为第四系上更新统新黄土(Q2eol3)和第四系中更新统老黄土(Qeol2)。
2 开挖方法
在拱部超前支护施工后,采用正台阶法分上下台阶开挖施工。上台阶预留核心土,首先用CAT320C挖掘机初步开挖上部弧形导坑,然后人工手持风镐修边到位。开挖成型后,紧跟由锚杆、钢筋网、型钢拱架、喷射混凝土组成的初期支护。核心土保留2.5 m~3.5 m。上部导坑根据围岩类别及含水率和裂隙发育变化情况,Ñ类围岩每循环进尺0.5 m~1.0 m,ò类进尺1.5 m~2.25 m。上部导坑领先10 m~15 m,为下台阶机械施工提供操作空间,左右错开机械开挖下台阶,施作初期支护。下台阶单侧每循环进尺2 m~4 m。全断面初期支护成型后,及时左右错位开挖仰拱,浇注仰拱及填充混凝土,使初期支护闭合成环。
3 快速、分步进行初期支护
当含水量达到15 %以上时,在上部导坑实施开挖的过程中,侧壁就会伴随着小量的坍塌掉块。其实在这时候围岩总体是稳定的,因黄土的强度较低,垂直裂隙发育,随含水量增大,粘结力降低,仅产生表面剥落现象。洞室开挖成型后,迅速初喷混凝土3 cm~5 cm厚是必不可少的一道工序。首先它起到封闭围岩,延缓围岩风化,有效阻止地下水外渗的作用。在局部超挖处,用喷射混凝土将其补平,可减少因超挖造成的应力集中而引起进一步的掉块、坍塌现象。在短时间内能起到加固围岩变形的作用,为初期支护作业提供一个安全的操作空间。
在隧道开挖前,土体处于天然的应力平衡状态。隧道开挖后,土体原有的天然应力状态被破坏,围岩应力在洞周一定范围内产生了重新分布。黄土属于塑性围岩,当围岩应力超过其抗压强度后,产生径向塑性位移,形成塑性区,释放一部分应力,另一部分向外传递,导致塑性区周边继续产生塑性变形,塑性区向外扩大。
随着塑性变形发展到一定程度,围岩不断松动破碎,其粘结力和内摩擦角不断下降,围岩将出现松动失稳破坏现象,由松动土体自重形成松动压力。通过采用快速、分步进行初期支护的方法,效果非常明显,节省喷混凝土和锚杆施作的时间,缩短施工循环周期,加快施工速度。监控量测结果表明,初期支护变形收敛值若能控制在0.7 cm左右,最大不超过1.5 cm,就能有效控制初期支护变形、开裂等不良现象,达到全隧道初期支护表面无渗漏水。
4仰拱紧跟
仰拱、填充超前于襯砌,紧跟掘进平行作业,首先,能使全断面初期支护尽早封闭成环,形成一个完整的受力结构,限制支护结构的侧向变形。其次,能尽早地封闭隧底基岩面,避免地下水及施工废水浸泡隧底及墙脚而降低土体承载力和产生湿陷。另外,还可减少机械、车辆行走对隧底的扰动,尽早提供硬化的行走道路,提高施工效率。
5 隧道推进支护技术
5.1锚杆支护技术
本隧道中锚杆支护采取中空注浆锚杆施工，先安装好锚头再将锚杆体送入锚孔并推到预定位置。这样一方面可以保证锚杆体位于锚孔正中，使包裹锚杆体的水泥砂浆达到设计要求，防止锚杆体的腐蚀，另一方面，也利用锚头倒刺将锚杆体固定在锚孔内; 将止浆塞套入锚杆体并封住锚孔外端口，以防止砂浆外溢; 采用快装注浆接头将锚杆体与注浆泵相连，选用挤压式注浆泵，其额定工作压力不低于 1． 5 MPa。支护的锚杆要求水泥砂浆标号不低于 20#，砂子应采用细砂，直径不大于 1 mm。为保证施工注浆顺利进行，可先不将锚杆体送入锚孔，而在露天开动注浆泵进行试注浆，以观察砂浆从锚杆体另一端能否顺利出浆，以调整合适灰砂比和水灰比; 安装垫板和螺母，若铺设有钢筋网，可利用垫板将钢筋网固定; 最后喷射混凝土，完成初期支护。
5.2超前大管棚支护技术
对于隧道所采取的超前长管棚一般设于两端洞口，通过注浆提高围岩自身承载能力，提高岩体对结构的弹性抗力，改善结构受力条件。管棚钢管均采用 Φ108 × 6 mm 热轧无缝钢管，环向间距40 ～50 cm。钢管设置于衬砌拱部，管心与衬砌设计外轮廓线间距大于 20 cm，平行路面中线布置。为有效地确保隧道开挖安全性，对于支护的每个施工流程均采取严格把握，对所采取的超前大管鹏制定详细的施工流程。
( 1) 钢架混凝土套拱: 套拱内埋设二榀工字钢拱架，导向管采用 Φ140 ×6 mm 无缝钢管，长0． 8 m，环向间距50 cm。为便于钻机钻孔、注浆作业，在作套拱前，土石开挖应分台阶，上台阶高度在起拱线附近，以满足工作高度。
( 2) 钻孔采用 GBZ—130 型地质钻机钻孔，Φ140 合金钻头。Φ42 钻杆，从导向管钻进，开孔时低速底压。钻机立轴方向准确定位，保证孔向正确，每钻完一孔即顶进一根钢管，注一孔浆。钻进中经常检查钢管钻机的偏斜度，发现偏差超过设计时，立即纠正。
( 3) 长管棚插入及孔口处理: 钢管采用 Φ108 × 6 mm 无缝钢管，节长、管环向间距、倾角、方向均按设计规定施作，同一横断面内接头数量不超过 50%，相邻钢管的接头错开不小于 1 m。钢管采用丝扣连接，丝扣长 15 cm，浅孔段采用人工推进，孔深阻力大时，采用机械顶进 。钢管就位后加以固定，钢管与导向管间隙用棉纱堵塞。钻空完成后检查，并进行扫孔，之后安装钢管。
( 4) 注浆采用 HFV －50 注浆机注浆。设计注浆浆液为水泥水玻璃双液浆，实际注浆时的参数需现场实验确定，注浆时钻一孔注一孔。开工前进行双液注浆实验，达到要求时报监理工程师。
5.3超前小导管注浆支护技术
超前小导管适用于分离式隧道Ⅴ级围岩地段、分离式隧道高水头压力段。通过小导管注浆提高围岩自身承载能力，提高岩体对结构的弹性抗力，改善结构受力条件，小导管采用外径 42 mm，长350 cm 的热轧无缝钢管，环向间距约 40 ～50 cm。在钢架上标定小导管施作位置，利用手持风钻造孔，严格控制外插角，再用风钻将已加工好的钢花管顶入，尾部与钢架焊成整体。超前预注浆设置在渗透性极大的高水压地段，每循环全断面共设置约 58 个注浆孔，分为三环，孔深12 ～ 30 m 不等。注浆孔前段设置 3m 套管，并采用 Φ115 mm钻头成孔，后续注浆段采用 Φ75 mm 钻头成孔。每循环注浆前需设置50 ～100 m 厚导向墙( 止浆墙) ，采用前进式分段注浆方式。每循环注浆完毕开挖施工后，预留 6 m 左右作为下阶段注浆止浆段。注浆过程中要随时观察注浆压力及注浆泵排浆量的变化，分析注浆情况，防止堵管、跑浆、漏浆，做好注浆记录，以便分析注浆效果，结束 5 h 后进行开挖。利用前次注浆的 1． 0 m 左右未开挖的加固段做为止浆墙再进行小导管注浆，重复以上工作。
5.4钢架加工制作及架设
为有效地加强钢架的整体稳定性，对于工程中所采用的钢架应采用纵向连接钢筋。而且要确保准确定位出钢架，则预先打设定位系筋。系筋一端与钢架焊接在一起，另一端锚入围岩中 0． 5 ～1． 0 m 并用砂浆锚固，当钢架架设处有锚杆时应尽量利用锚杆定位。钢架架立后应尽快施作喷混凝土，并将钢架全部覆盖，使钢架与喷混凝土共同受力。喷射混凝土应分层进行，每层厚度 5 ～6 cm 左右。
6 结 语
整个施工过程中存在纵多的安全隐患，为了防治安全隐患，需要做大量的地质探测工作，同时对本隧道支护施工工作相当重要。为有效地确保隧道支护的安全性，采取多种有效的支护技术措施。
参考文献:
［1］ 王新政，黄雄军． 林家溪隧道支护施工工艺研究［J］． 辽宁建材，2005，28( 5) : 118 －119．
［2］ 胡维维． 隧道初期支护施工技术探讨［J］． 科技与企业，2012，27( 3) : 31 － 33．
［3］ 张慧媛，吴沛． 公路工程Ⅴ级围岩隧道支护施工技术应用研究［J］． 中国新技术新产品，2011，31( 7) : 57 －58．