高速公路隧道工程中的超前支護(hù)施工技術(shù)探析

高舉

摘 要：因高速公路隧道施工環(huán)境復(fù)雜，巖層強(qiáng)度不一，為此需應(yīng)用超前支護(hù)技術(shù)對(duì)巖層進(jìn)行加固，提高其承載力，避免隧道出現(xiàn)變形、塌方或地表下沉等問(wèn)題。本文對(duì)高速公路隧道工程中的超前支護(hù)施工技術(shù)進(jìn)行探究，首先闡述了超前支護(hù)施工技術(shù)概念，其次總結(jié)了該技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，然后結(jié)合實(shí)例論述技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)，為類(lèi)似隧道工程建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：隧道工程;超前支護(hù);超前小導(dǎo)管;超前錨桿

因我國(guó)國(guó)土面積中有70%為山區(qū)或丘陵，造成高速公路施工中需進(jìn)行大面積的隧道開(kāi)挖作業(yè)。但開(kāi)挖作業(yè)會(huì)擾動(dòng)土層、破壞周邊地層結(jié)構(gòu)，易引發(fā)隧道塌陷等病害[1]。為避免此類(lèi)事故的發(fā)生，需采用適宜的支護(hù)技術(shù)進(jìn)行加固，但是對(duì)于支護(hù)強(qiáng)度有較高要求，必須根據(jù)工程實(shí)際情況確定施工技術(shù)方案，因常規(guī)支護(hù)手段無(wú)法滿(mǎn)足施工要求，可利用超前支護(hù)承載力及強(qiáng)度等突出優(yōu)勢(shì)，提高工程施工質(zhì)量。

1 超前支護(hù)施工技術(shù)概述

所謂超前支護(hù)施工技術(shù)是指在工程面開(kāi)挖時(shí)通過(guò)錨桿與鋼管進(jìn)行支護(hù)，工作原理為利用導(dǎo)向架、管棚等專(zhuān)業(yè)構(gòu)件，在隧道開(kāi)挖時(shí)將鋼管頂入至一定深度，后通過(guò)錨桿固定等方式對(duì)圍巖進(jìn)行預(yù)支護(hù)，保證開(kāi)挖工作面結(jié)構(gòu)的完整性[2]。超前支護(hù)主要形式有：超前錨桿或超前小鋼管，長(zhǎng)度為3 m～5 m，多用于錨固前方圍巖結(jié)構(gòu);超前管棚，多與鋼架配合使用，適用于前方圍巖錨固或環(huán)境特殊路段，超前管棚又包括短管棚超前支護(hù)、長(zhǎng)管棚超前支護(hù)與鋼插板超前支護(hù)，短管棚超前支護(hù)為長(zhǎng)度<10 m的小鋼管，長(zhǎng)管棚超前支護(hù)即長(zhǎng)度為10 m～45 m的粗鋼管，鋼插板超前支護(hù)為長(zhǎng)度<10 m的鋼插板;注漿加固圍巖和堵截水，包括超前小導(dǎo)管注漿與超前深孔圍巖注漿，前者是順著開(kāi)挖面的外輪廓線按照規(guī)定角度置入特制導(dǎo)管（導(dǎo)管管壁附有小孔），以固定壓力向管內(nèi)注入漿液，漿液逐漸硬化變?yōu)閹r體，后者又稱(chēng)之為深孔注漿，借助漿液壓力將破碎圍巖或黏土層壓裂成縫，并用漿液充填于縫中，逐漸固結(jié)，以起到加固與堵水功能[3]。

若工程地質(zhì)復(fù)雜，為實(shí)現(xiàn)超前支護(hù)，需做好準(zhǔn)備工作，參照施工方案與設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行隧道明洞開(kāi)挖，參照工程現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、水文條件及氣候環(huán)境等合理布設(shè)支護(hù)構(gòu)件，后對(duì)明洞強(qiáng)度進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，若強(qiáng)度不足則必須按照現(xiàn)行規(guī)定進(jìn)行支護(hù)、二次襯砌，確保隧道結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度，作業(yè)面也必須平整。

2 超前支護(hù)施工技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

超前支護(hù)技術(shù)優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：第一，構(gòu)建支護(hù)結(jié)構(gòu)，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，為后續(xù)作業(yè)奠定基礎(chǔ);第二，施工結(jié)束后，超前支護(hù)可為隧道結(jié)構(gòu)提供足夠的支撐力，在隧道投入運(yùn)行后，巖體結(jié)構(gòu)與圍巖承載力均可達(dá)標(biāo)，確保安全使用。

超前支護(hù)技術(shù)缺點(diǎn)如下：第一，超前支護(hù)形式多種多樣，但是每種形式均有自身的缺陷，如管棚支護(hù)，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛度較大，而超前小導(dǎo)管注漿技術(shù)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是對(duì)于漿液配置要求較高，所以施工方案確立之前需做大量的勘察工作，方可確定最終的支護(hù)形式;第二，導(dǎo)管或錨桿前端多位于滑動(dòng)面內(nèi)，應(yīng)用超前支護(hù)技術(shù)加固效果會(huì)被削弱，不利于隧道結(jié)構(gòu)的整體控制。

3 工程實(shí)例應(yīng)用

某隧道工程位于剝蝕山地區(qū)域，中線最高與最低高程相差1 117 m，地面起伏較大，山體海拔較高，自然坡度均大于25°。該工程中隧道獨(dú)頭掘進(jìn)最大距離為6.2 km，左右線為反坡排水，合同段隧道埋深較大，Ⅲ級(jí)圍巖比重高。為此，支護(hù)難度較大，經(jīng)施工單位與設(shè)計(jì)單位反復(fù)協(xié)商，后確定超前支護(hù)方案如下。

3.1 超前支護(hù)與初期支護(hù)

該工程Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)域采用超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)技術(shù)，Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)域采用超前錨桿預(yù)支護(hù)技術(shù)，施工流程為噴混凝土封閉開(kāi)挖面→沿周邊布孔→鉆孔→小導(dǎo)管加工→插入小導(dǎo)管→漿液準(zhǔn)備→注漿→開(kāi)挖。

3.1.1 超前小導(dǎo)管注漿預(yù)支護(hù)施工方法

該工程鉆孔設(shè)備選用YT-28風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)，支護(hù)作業(yè)由人工完成，通過(guò)焊接對(duì)超前小導(dǎo)管與鋼架進(jìn)行連接加固;注漿作業(yè)主要通過(guò)注漿泵完成，注漿壓力控制標(biāo)準(zhǔn)為0.8 MPa。Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)域使用的小導(dǎo)管前端呈尖錐形，末端焊接有Φ8 mm的加勁箍。管壁每隔15 cm交錯(cuò)鉆射孔眼，如圖1所示。

鉆孔時(shí)外插角控制在10°～15°以?xún)?nèi)，鉆孔結(jié)束后在孔中適宜位置置入小導(dǎo)管，末端與鋼架焊接，形成預(yù)支護(hù)體系，作業(yè)流程如圖2所示。在注漿作業(yè)過(guò)程中必須跟蹤監(jiān)測(cè)周邊環(huán)境，詳細(xì)記錄作業(yè)數(shù)據(jù)。

3.1.2 超前錨桿預(yù)支護(hù)施工方法

因該工程施工段存在破碎地層圍巖，注漿時(shí)易出現(xiàn)注漿過(guò)量造成圍巖滑塌問(wèn)題，為此施工單位采用隔孔鉆進(jìn)模式。止?jié){塞置入孔洞10 cm及以上深度，排出其中空氣后及時(shí)使用快凝水泥砂漿進(jìn)行封堵。

3.2 超前支護(hù)施工技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

3.2.1 導(dǎo)向墻的施作

為有效提高導(dǎo)向墻施工質(zhì)量，需做好前期準(zhǔn)備工作。對(duì)于導(dǎo)向墻拱腳的外側(cè)區(qū)域，應(yīng)填筑漿砌片石，建設(shè)穩(wěn)固的基礎(chǔ)，其承載力最低值不得小于0.3 MPa。管棚搭建也是建立在導(dǎo)向前的基礎(chǔ)上，對(duì)工程實(shí)際施工流程進(jìn)行考量，需做好現(xiàn)場(chǎng)的放線測(cè)量工作，并對(duì)管棚與隧道開(kāi)挖線間的距離進(jìn)行嚴(yán)格控制，以降低管棚作業(yè)難度。該工程隧道管棚導(dǎo)向墻施工材料選用混凝土護(hù)拱，設(shè)計(jì)規(guī)格為2.5 m×0.7 m，明洞襯砌外必須加設(shè)套拱，布置于輪廓線外圍，且與隧道洞口的仰坡面相貼合。同時(shí)，套孔內(nèi)側(cè)設(shè)有環(huán)向支撐構(gòu)件，為工字鋼拱架。此外，通過(guò)將鋼管與骨架相連接，利用導(dǎo)向管控制外插角。導(dǎo)向管頂模位置有序安排木模板、邊模與底模拼裝作業(yè)。

3.2.2 鉆孔施工

該工程鉆孔施工要點(diǎn)如下：第一，采用逐節(jié)鉆進(jìn)模式，正式施工前需保證現(xiàn)場(chǎng)為低壓低速狀態(tài)，鉆進(jìn)1 m后勻速提高鉆進(jìn)壓力，施工單位使用測(cè)斜儀對(duì)鉆孔位置進(jìn)行觀測(cè);第二，鉆孔質(zhì)量控制，鉆孔前需先均勻噴涂混凝土，構(gòu)筑止?jié){墻，墻體厚度為15 cm，因鉆孔會(huì)受機(jī)械運(yùn)作影響，易發(fā)生塌孔的作業(yè)區(qū)域需實(shí)施泥漿護(hù)壁作業(yè)，鉆進(jìn)困難則聯(lián)合跟管鉆進(jìn)法進(jìn)行施工;第三，清孔與驗(yàn)孔，工程采用巖芯鉆桿形式進(jìn)行掃孔，通過(guò)高壓風(fēng)清除孔底雜物與沉淀物，后檢查孔位，施工單位設(shè)定的偏差控制標(biāo)準(zhǔn)為≤±50 mm。

3.2.3 注漿施工

為了防止施工中巖面漏漿現(xiàn)象，在注漿前期應(yīng)做好噴射工作，所使用的混凝土強(qiáng)度應(yīng)處于C25水平以上，噴射對(duì)象除了開(kāi)挖作業(yè)面外，還應(yīng)涉及到拱圈、孔口巖面等區(qū)域。①?lài)?yán)選注漿材料以固化收縮性良好的材料為佳，同時(shí)其與圍巖等結(jié)構(gòu)的黏合性以及可灌性均是需要著重考慮的指標(biāo)。為提升注漿固結(jié)體牢固性以及抗?jié)B性，在選擇注漿材料時(shí)應(yīng)對(duì)當(dāng)?shù)厮臈l件進(jìn)行充分了解。②提升注漿施工工藝水平水泵試漿與注水測(cè)試是后續(xù)正式注漿作業(yè)的前提，此外準(zhǔn)備的漿液均需使用曬網(wǎng)進(jìn)行過(guò)濾處理。漿液對(duì)應(yīng)的參數(shù)較多，諸如擴(kuò)散度、壓力等均需要控制在合理范圍內(nèi)。在單鋼管注漿過(guò)程中，可以依據(jù)方法①進(jìn)行。

為避免施工作業(yè)面出現(xiàn)巖面漏漿問(wèn)題，在注漿施工前需先進(jìn)行噴射，使用的混凝土強(qiáng)度控制在C25以上，噴射作業(yè)面應(yīng)涵蓋開(kāi)挖作業(yè)面、拱圈與孔口巖面等區(qū)域。對(duì)此，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇注漿材料，以固化收縮性能良好的為最佳，且需將與圍巖結(jié)構(gòu)的粘合性和可灌性作為重要參考指標(biāo)。為強(qiáng)化注漿固結(jié)體的強(qiáng)度與抗?jié)B性，需根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)水文條件進(jìn)行選擇。此外，為保證注漿施工效果，需有序開(kāi)展水泵試漿、注水測(cè)試，必要時(shí)需使用篩網(wǎng)對(duì)漿液進(jìn)行過(guò)濾處理，并關(guān)注漿液擴(kuò)散度、壓力等參數(shù)的變化。單鋼管注漿時(shí)，可參照公式確定具體數(shù)值。

式中：L-鋼管總長(zhǎng)度，單位為m;r-鋼管半徑，單位為m;R-漿液擴(kuò)散半徑，單位為m;-隧道地層孔隙率;-漿液損耗系數(shù);-漿液有效填充系數(shù)。

該工程選用水泥砂漿，設(shè)計(jì)水灰比為1：1，注漿壓力控制標(biāo)準(zhǔn)為初壓1.0 MPa、終壓2.0 MPa～2.5 MPa。注漿施工采用雙重控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)注漿壓力與注漿量進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，注漿結(jié)束后對(duì)管內(nèi)殘留漿體進(jìn)行清除，并用M30號(hào)水泥砂漿進(jìn)行填充處理。因該工程施工環(huán)境復(fù)雜，異常情況較多，為此施工單位采用以下措施進(jìn)行處理：首先，小裂漿，使用經(jīng)過(guò)浸泡的麻絲對(duì)裂縫進(jìn)行填塞，后對(duì)注漿配比進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，確保漿液性能;壓力檢測(cè)，若壓力值超出控制范圍，則需立即注入純水泥漿，或注入適量的清水;堵管，開(kāi)啟孔口位置的泄壓閥，并關(guān)閉進(jìn)漿閥，停止施工設(shè)備運(yùn)行，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行處理。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文基于超前支護(hù)多種形式分析其優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)例對(duì)于超前支護(hù)施工技術(shù)進(jìn)行分析，從初期支護(hù)、鉆孔、注漿等多個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)施工要點(diǎn)進(jìn)行論述，以實(shí)現(xiàn)對(duì)施工質(zhì)量的有效控制，確保隧道施工質(zhì)量符合質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)，為隧道工程的安全運(yùn)營(yíng)奠定基礎(chǔ)。

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