隧道施工中超前支護(hù)控制技術(shù)探析

楊小文

（華邦建投集團(tuán)股份有限公司，蘭州 730030）

1 隧道施工的特點(diǎn)

隧道工程是一項(xiàng)具有多元化綜合性特征的工作，因工程存在于天然土體中，容易受到土體內(nèi)復(fù)雜多變物理力學(xué)性質(zhì)和施工技術(shù)的影響。工程具有整體危險(xiǎn)性較大，隱蔽程度較高、循環(huán)強(qiáng)度也較大，施工難度很大等特點(diǎn)[1]。近些年，隨著道路工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，隧道施工往往要穿越一些十分復(fù)雜的地段，如大斷層、破碎、富水、軟弱、淺埋等，這些地段通常被稱為軟弱圍巖，也是引發(fā)隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)大變形，甚至造成塌方、冒頂安全事故的重要影響因素。同時(shí)，隧道施工作業(yè)空間相對(duì)局限，施工環(huán)境差，倘若沒有一個(gè)良好的支護(hù)工程，將進(jìn)一步增加施工人員進(jìn)洞作業(yè)難度，圍巖環(huán)境也會(huì)更加惡劣，對(duì)施工人員和工程安全性造成威脅，繼而影響工程建設(shè)周期[2]。另外，隧道施工并非靜態(tài)施工，施工過程中隧道土體力學(xué)狀態(tài)呈動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，圍巖物理力學(xué)特征也會(huì)隨之改變，這就要求施工過程中要嚴(yán)密監(jiān)測(cè)土體及圍巖變化情況，探究其變化規(guī)律，選擇適宜的超前支護(hù)控制技術(shù)，有效處理圍巖失穩(wěn)、變形引發(fā)的各種安全隱患，在保障工程安全和穩(wěn)定的同時(shí)，盡可能縮短工期。

2 超前支護(hù)控制技術(shù)的內(nèi)涵和優(yōu)勢(shì)

超前支護(hù)控制技術(shù)是在隧道開挖后，利用管棚、錨桿、導(dǎo)向管等設(shè)備，沿著隧道開挖線，約束和控制圍巖變形，加強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性，保障隧道開挖面的施工安全性和穩(wěn)定性。采用的人工措施主要有管棚支護(hù)、超前小導(dǎo)管和錨桿支護(hù)等技術(shù)。針對(duì)一些地形條件復(fù)雜的軟弱圍巖施工區(qū)域，為確保超前支護(hù)控制技術(shù)的實(shí)效性，必須做好施工前勘察、測(cè)量、放樣等準(zhǔn)備工作，基于施工開挖采用的技術(shù)以及隧道周邊環(huán)境、地質(zhì)條件等，統(tǒng)籌規(guī)劃，選擇適宜的支護(hù)控制技術(shù)[3]。

在隧道施工中應(yīng)用超前支護(hù)控制技術(shù)具有十分鮮明的優(yōu)勢(shì)，具體包括以下幾點(diǎn)：

1）承載力大。軟弱圍巖具有變形量大（拱頂最大沉降量可達(dá)到760 mm，水平收斂量可達(dá)到500 mm）、變形速率快、拱腳變形明顯、變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、掌子面擠出變形嚴(yán)重且壓力增長(zhǎng)快等特征，采用支護(hù)系統(tǒng)后，在短時(shí)間內(nèi)就能夠承受大量圍巖壓力，維持圍巖穩(wěn)定性。

2）滿足變形控制要求。根據(jù)隧道變形控制原則，當(dāng)圍巖因隧道開挖變形后，采用超前支護(hù)技術(shù)使得圍巖總變形量（U）小于圍巖容許變形量（[U]），便能達(dá)到控制變形，保證開挖洞室安全穩(wěn)定的目的。

3）適用范圍廣。超前支護(hù)控制技術(shù)的作用機(jī)理是新奧法，即充分調(diào)動(dòng)圍巖自身承載能力，維持圍巖基本狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上施加一定人為支護(hù)抗力，共同組成一個(gè)完整的支護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用范圍廣，能夠應(yīng)用在多種隧道圍巖類型中，如自身承載力和穩(wěn)定性差的軟圍巖，自承力大且自穩(wěn)性好的硬圍巖，以及處于軟硬圍巖過渡階段的圍巖，最終實(shí)現(xiàn)圍巖穩(wěn)定，隧道安全施工的目的。

3 工程概況

當(dāng)金山隧道工程，位于高寒干旱氣候區(qū)，季節(jié)性溫差較大，雨季和旱季較為明顯，年降水量較少，隧道全長(zhǎng)4 418 m，設(shè)計(jì)速度80 km/h，采用雙洞單向分離式設(shè)計(jì)，隧道進(jìn)出口兩段洞門形式均采用端墻式洞門，屬高寒干旱地區(qū)雙洞石質(zhì)特長(zhǎng)隧道。該隧道建筑限界凈寬為10.25 m，限界高度5.0 m，緊急停車帶建筑限界凈寬和凈高分別為13.25 m、5.0 m。隧道主洞內(nèi)輪廓拱部采用單心圓形式（半徑R=543 cm），側(cè)墻采用大半徑圓?。≧=793 cm），仰拱與側(cè)墻間用小半徑圓弧連接（R=100 cm），仰拱半徑為1 500 cm。

前期勘察發(fā)現(xiàn)，該隧道施工區(qū)域山體巖層經(jīng)歷過多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，山體地形凌亂破碎，山前現(xiàn)代溝槽發(fā)育，地下水多以基巖裂隙水為主，但受地形等多種因素影響，地下水分布存在明顯差異，主要分布在隧道進(jìn)、出口段。預(yù)計(jì)隧道單洞正常涌水量及單線最大涌水量約為1 000 m3/d 和4 026 m3/d，可見該隧道地質(zhì)條件特殊，必須對(duì)其進(jìn)行充分研究，選用切實(shí)可靠的超前支護(hù)控制技術(shù)，才能確保整個(gè)隧道工程順利完成。

4 隧道施工中超前支護(hù)控制技術(shù)實(shí)踐

在隧道施工支護(hù)體系中，一般包含超前支護(hù)、初期支護(hù)和二次襯砌3 種，其中超前支護(hù)和二次襯砌發(fā)揮主要支護(hù)作用，屬于永久支護(hù)。超前支護(hù)控制技術(shù)的核心是超前和預(yù)支護(hù)，主要用于初期支護(hù)之前，發(fā)揮著預(yù)先支護(hù)的作用。一般包含超前管棚、超前注漿小導(dǎo)管、超前錨桿、水平旋噴樁等技術(shù)，本文結(jié)合上述工程案例，對(duì)這些超前支護(hù)控制技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用展開詳細(xì)探討。

4.1 超前管棚支護(hù)技術(shù)

超前管棚支護(hù)技術(shù)主要應(yīng)用在軟弱圍巖等不良地質(zhì)中，通過各管棚之間的搭接和連接形成具有搭扣形式的管棚結(jié)構(gòu)[4]。詳細(xì)來說，就是在擬開挖隧道的外周邊襯砌隱形弧線上，沿著開挖輪廓利用管棚鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔并打入鋼管，隨后在管內(nèi)注入水泥砂漿，以提升圍巖物理參數(shù)，形成傘狀加固圈，改善圍巖所處應(yīng)力場(chǎng)和掌子面應(yīng)力場(chǎng)的一種支護(hù)技術(shù)（見圖1）。該技術(shù)具有支護(hù)距離長(zhǎng)、加護(hù)技術(shù)好、經(jīng)濟(jì)成本低、施工便捷等優(yōu)勢(shì)，是近些年新發(fā)展起來的一種隧道修建輔助技術(shù)。

圖1 超前管棚支護(hù)技術(shù)

超前管棚支護(hù)技術(shù)主要機(jī)械設(shè)備包括鋼管、管棚鉆機(jī)、夯管錘等，具體施工工序?yàn)槭┕?zhǔn)備→測(cè)量定位、施作套拱→鉆孔→插入鋼管→焊接外露段與鋼支撐→綜合檢查→注漿封孔。在管棚支護(hù)施工中，主要利用選裝鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)，在架設(shè)鉆機(jī)時(shí)，確保與鉆進(jìn)線路中心線保持一定仰角，避免出現(xiàn)偏移或者傾斜問題，繼而導(dǎo)致管棚偏離，無法充分發(fā)揮管棚支護(hù)作用。為避免這一問題產(chǎn)生，該項(xiàng)目施工人員決定采用水平導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)法，用棚管替代鉆桿，管棚選用長(zhǎng)度10~40 m 和管徑70~80 mm 的熱軋無縫鋼管。在棚管頂端安裝導(dǎo)向鉆頭和角度傳感器，然后通過水平定向鉆機(jī)將棚管打入土體中。在鉆進(jìn)過程中，角度傳感器持續(xù)傳出信號(hào)，施工人員根據(jù)信號(hào)鉆頭鉆進(jìn)角度，確保鉆進(jìn)線路符合設(shè)計(jì)圖紙要求，且注漿孔設(shè)置為梅花形，孔間距在15~20 cm，孔徑在10~16 mm。管棚施作之后，利用鋼尺測(cè)距儀檢查每節(jié)鋼管的方向和角度，確保其正確。值得注意的是，水平導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)法管棚施作范圍長(zhǎng)，每次至少能夠施作在長(zhǎng)度超過100 m 的長(zhǎng)管棚上，不需要進(jìn)行額外的擴(kuò)孔操作，而且施工作業(yè)精度高，能夠及時(shí)調(diào)整鉆進(jìn)角度進(jìn)行糾偏，還不會(huì)對(duì)周圍土體造成較大干擾和污染，也不需要另外設(shè)置管棚工作室，是目前道路隧道支護(hù)施工中較常應(yīng)用的一種施工作業(yè)方法。

4.2 超前錨桿支護(hù)技術(shù)

在隧道施工中，錨桿是十分常見的一種支護(hù)技術(shù)，發(fā)揮著穩(wěn)定圍巖和隧道的重要作用。國內(nèi)普遍使用的是普通砂漿錨桿，其錨固力容易受砂漿材料齡期影響，注漿質(zhì)量難以保障，無法在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到早期強(qiáng)度。再加上我國隧道超前支護(hù)技術(shù)整體發(fā)展水平不高，超前錨桿支護(hù)質(zhì)量難以保障，在抑制隧道圍巖變形方面能夠發(fā)揮的效果有限，必須加強(qiáng)對(duì)超前錨桿支護(hù)技術(shù)的研究實(shí)踐，最大程度上發(fā)揮該技術(shù)的支護(hù)作用[5]。

當(dāng)金山隧道工程斜穿當(dāng)金山和阿爾金山山脈，隧道施工區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，存在不同的巖性接觸帶、斷裂帶、向斜、巖層的片理、層理以及巖體的節(jié)理裂隙等，地形起伏大且較為破碎凌亂。為充分發(fā)揮超前錨桿支護(hù)技術(shù)作用，在該隧道工程施工中，施工人員根據(jù)工程建設(shè)需求采用了拱頂超前錨桿和邊墻超前錨桿兩種方法。

1）拱頂超前錨桿方法。在實(shí)際施工中，施工人員采用了螺紋鋼全長(zhǎng)黏結(jié)砂漿錨桿（直徑為22 mm）、自進(jìn)式注漿錨桿，基于隧道縱向分布，在拱頂部位開挖輪廓線外特定范圍內(nèi)，將錨桿按照一定角度插入土體中，向巖體施加徑向壓力，用以支撐臨空面圍巖，形成承載拱并融入支護(hù)系統(tǒng)中。

2）邊墻超前錨桿方法。主要用于承載拱部荷載，并將荷載傳遞至圍巖深部。施工人員主要按照隧道橫向方向，依照提前設(shè)定好的角度，將錨桿打入拱腳處。另外，在進(jìn)行注漿操作時(shí)，為避免出現(xiàn)空洞問題，施工人員將采用一邊注漿一邊緩慢將注漿管抽出的方法，并在這一過程中，始終確保注漿口在砂漿之內(nèi)。注漿結(jié)束，抽出注漿管后，施工人員立即將錨桿插入砂漿之中，結(jié)合使用套筒和風(fēng)鉆幫助錨桿插入，當(dāng)錨桿達(dá)到指定位置后，施工人員用小石子將錨桿卡在孔洞中，避免錨桿滑出。最后，噴射混凝土完成錨桿支護(hù)。

4.3 超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)技術(shù)

在隧道支護(hù)體系中，超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)技術(shù)占據(jù)一定比重，主要依據(jù)隧道橫向或縱向，按照一定角度在拱頂下部或者開挖輪廓線上方特定范圍內(nèi)，打入密排注漿鋼花管，以達(dá)到一定支護(hù)效果。在該隧道工程中，某施工區(qū)域圍巖自穩(wěn)性差、強(qiáng)度低，地表沉降變形大，有一定坍塌風(fēng)險(xiǎn)，施工人員決定采用超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)技術(shù)，在圍巖中插入管壁厚度為5 mm、φ42 mm 的熱軋無縫鋼管，外插角為10°~21.5°，并預(yù)留梅花形注漿孔，用以提升圍巖物理學(xué)性能，提升圍巖穩(wěn)固性。在工程實(shí)踐中，施工人員在開挖時(shí)采用臺(tái)階法工藝，利用鉆機(jī)在掌子面進(jìn)行鉆孔，安裝超前小導(dǎo)管，最后利用壓漿機(jī)進(jìn)行注漿，形成鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，加固隧道拱頂部位。

4.4 排水輔助支護(hù)技術(shù)

在隧道超前支護(hù)技術(shù)應(yīng)用中，做好排水設(shè)施是保障支護(hù)和工程順利實(shí)施的關(guān)鍵。根據(jù)前期勘察，該工程施工區(qū)域地下水主要為基巖裂隙水，分布區(qū)域存在較大差異，且第四系松散堆積層孔隙潛水主要分布在隧道進(jìn)、出口段，預(yù)計(jì)隧道單洞正常涌水量為1 000 m3/d。為盡可能降低地下水對(duì)隧道支護(hù)施工的干擾，施工人員根據(jù)隧道設(shè)計(jì)圖設(shè)置適當(dāng)橫向排水管和排水濾層，將隧道內(nèi)和隧道進(jìn)出口段的水流引向盲溝，取得了良好的排水效果。同時(shí)，施工人員還應(yīng)用了防水板全自動(dòng)鋪掛臺(tái)車，鋪設(shè)美觀、平順，而且自動(dòng)掛設(shè)，大大提高了工作效率，節(jié)省了人工成本，具有節(jié)省時(shí)間、提高質(zhì)量和效益的效果。

5 結(jié)語

在道路隧道施工中，超前支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用具有加固圍巖、抑制巖體裂縫、保障隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的作用，但同時(shí)，該技術(shù)施工工序復(fù)雜，施工難度高，施工人員必須加強(qiáng)工程前期勘察工作，全面了解施工區(qū)域地質(zhì)條件、氣候、施工條件等，選擇適宜的超前支護(hù)技術(shù)，嚴(yán)格遵循施工工序，最大程度上發(fā)揮超前支護(hù)控制技術(shù)作用，助力隧道工程順利開展。