大跨度隧道主動支護(hù)施工體系及現(xiàn)場應(yīng)用研究

岳楹沁

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

1 引言

大跨度隧道因其覆蓋面積廣、受力復(fù)雜、地質(zhì)條件多變等特點，施工技術(shù)要求極高，而主動支護(hù)技術(shù)在現(xiàn)代隧道工程中的應(yīng)用能保證施工過程的安全性，確保工程的長期穩(wěn)定性和可靠性。鑒于此，深入分析大跨度隧道主動支護(hù)施工體系及其現(xiàn)場應(yīng)用的各個方面，對于工程師、設(shè)計師以及施工管理者來說具有重要意義。

2 不同類型的主動支護(hù)方法

2.1 錨桿支護(hù)

錨桿支護(hù)廣泛應(yīng)用于隧道、礦山、地下工程以及巖土工程中，以增強(qiáng)巖土體的穩(wěn)定性和承載能力，基于鋼制錨桿的力學(xué)性能，通過將錨桿預(yù)置于地下巖土體中，并將其牢固固定于巖土體內(nèi)，可以抵抗地下壓力和位移，提供穩(wěn)定的支護(hù)效果。錨桿支護(hù)的基本組成包括錨桿本體、錨固端頭和注漿材料。錨桿本體通常由高強(qiáng)度鋼材制成，具有較大的抗拉強(qiáng)度，以承受地下巖土體的拉力；錨固端頭位于錨桿的末端，通過與巖土體產(chǎn)生摩擦或錨固力來傳遞拉力；注漿材料用于填充錨孔，增加巖土體與錨桿之間的黏結(jié)和摩擦力，提高支護(hù)效果。錨桿支護(hù)需預(yù)先鉆孔并安裝錨桿，施加預(yù)定的張力來使錨桿與巖土體緊密結(jié)合。張力的施加可以通過液壓或機(jī)械力量來實現(xiàn)，錨桿與巖土體充分結(jié)合后即成為受拉桿件，抵抗地下壓力的作用，穩(wěn)定地支撐地下結(jié)構(gòu)[1]。

2.2 預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)

預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)主要目的是通過提前施加作用力來增強(qiáng)隧道周圍巖體的穩(wěn)定性，在隧道周圍巖石中預(yù)先設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨桿或預(yù)應(yīng)力錨索，以此在隧道開挖之前形成預(yù)支護(hù)力，有效控制巖體的變形和位移。預(yù)應(yīng)力支護(hù)的設(shè)計需考慮巖石的力學(xué)特性、地質(zhì)條件、隧道尺寸及其所處的環(huán)境條件，以確保施加的預(yù)應(yīng)力既能達(dá)到預(yù)期的支護(hù)效果，又不會導(dǎo)致巖體破壞。預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)的實施過程中，需要進(jìn)行詳盡的地質(zhì)勘查和力學(xué)分析，以確定最佳的錨桿或錨索布局方案，采用高精度的鉆孔設(shè)備進(jìn)行鉆孔，確保每一個錨點都能準(zhǔn)確地按照設(shè)計位置施工。錨桿或錨索安裝完成后，通過液壓設(shè)備對其施加預(yù)定的張力時，需精確控制，以避免超過巖體的承受能力；施加預(yù)應(yīng)力后，應(yīng)定期對錨桿或錨索的狀態(tài)進(jìn)行檢測，以確保長期的穩(wěn)定性和有效性。

2.3 其他主動支護(hù)技術(shù)

除常見的錨桿支護(hù)和預(yù)應(yīng)力支護(hù)系統(tǒng)之外，大跨度隧道施工領(lǐng)域還采用了多種其他主動支護(hù)技術(shù)，以應(yīng)對復(fù)雜多變的地質(zhì)條件和確保工程的安全與穩(wěn)定。（1）噴射混凝土支護(hù)技術(shù)是在隧道開挖面噴涂混凝土層，形成堅固的支護(hù)結(jié)構(gòu)，防止巖土松動和崩落，其施工迅速且靈活，能即時適應(yīng)不同形狀的隧道斷面，尤其適用于巖石質(zhì)量較差或地質(zhì)條件復(fù)雜的區(qū)域。但噴射混凝土的質(zhì)量控制對施工質(zhì)量影響極大，需要精確控制混凝土的配比、噴射厚度和固化時間。（2）管棚支護(hù)技術(shù)則是在隧道開挖前，在其上方預(yù)先施工一層管棚結(jié)構(gòu)，形成“傘”形支護(hù)體系，以減少開挖過程中的地表沉降和保護(hù)隧道上方的建筑物或其他結(jié)構(gòu)[2]。管棚技術(shù)的關(guān)鍵在于管棚的布置和安裝精度，需要根據(jù)地質(zhì)條件和隧道的設(shè)計參數(shù)精心規(guī)劃。（3）凍結(jié)法支護(hù)技術(shù)主要用于處理含水量高或地質(zhì)條件特別復(fù)雜的土質(zhì)。在地層中注入冷卻介質(zhì)，使周圍的土壤或巖石凍結(jié)，增加其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。其挑戰(zhàn)在于對冷卻系統(tǒng)和溫度控制的精確要求，以及對周邊環(huán)境的影響評估。

3 大跨度隧道主動支護(hù)施工體系的整體設(shè)計原則

3.1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性原則

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性原則是大跨度隧道主動支護(hù)施工體系設(shè)計的核心。其要求在設(shè)計和施工過程中要確保工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，為此，需要進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘探和分析，精確評估隧道沿線的地質(zhì)條件，包括巖土的物理和化學(xué)性質(zhì)、地下水情況以及潛在的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險。基于這些數(shù)據(jù)，設(shè)計時需選擇合適的支護(hù)方法和材料，確保隧道在整個施工和使用周期內(nèi)都能維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.2 環(huán)境適應(yīng)性

環(huán)境適應(yīng)性原則強(qiáng)調(diào)隧道主動支護(hù)施工體系需要考慮到周圍環(huán)境的特性和對環(huán)境的影響，包括對地質(zhì)環(huán)境的深入了解和對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。施工設(shè)計階段，應(yīng)充分考慮地下水位、土壤類型、地震活動、降雨量等自然因素對施工和未來運營的影響。例如，在地下水位較高的區(qū)域，需要設(shè)計有效的排水系統(tǒng)和防水措施；在地震多發(fā)區(qū)，應(yīng)加強(qiáng)隧道的抗震設(shè)計。施工過程中，盡量減少對周邊環(huán)境的干擾和影響，控制施工噪聲、減少塵土飛揚(yáng)和合理處理施工廢棄物[3]；穿越生態(tài)敏感區(qū)域的隧道工程時需要采取特殊措施以保護(hù)當(dāng)?shù)氐纳锒鄻有院妥匀痪坝^，保護(hù)了自然環(huán)境，也為隧道工程的順利實施和長期運營提供了保障。

4 大跨度隧道主動支護(hù)施工過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

4.1 鉆孔作業(yè)

鉆孔作業(yè)的目的是為安裝錨桿、錨索或噴射混凝土等支護(hù)結(jié)構(gòu)提供必要的孔位，基于詳細(xì)的工程設(shè)計和地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)，精確規(guī)劃鉆孔的布局，考慮隧道的具體尺寸、預(yù)期的負(fù)載情況、巖石的性質(zhì)及其他相關(guān)的地質(zhì)因素，使用專業(yè)的鉆孔設(shè)備進(jìn)行作業(yè)。設(shè)備的選擇應(yīng)考慮到巖石的硬度、鉆孔的深度和施工環(huán)境的復(fù)雜性。鉆孔過程中應(yīng)持續(xù)監(jiān)控鉆進(jìn)速度、鉆頭的磨損情況以及鉆孔的質(zhì)量，以確保每一孔位都符合預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)。鉆孔作業(yè)的質(zhì)量控制是確保施工安全的重要環(huán)節(jié)，應(yīng)對鉆孔的直徑、深度和方向進(jìn)行精確測量，以及對鉆出的巖石樣本進(jìn)行分析，評估地質(zhì)條件是否與預(yù)先的調(diào)查結(jié)果一致，采取措施防止孔壁塌陷或水土流失，特別是在松散或含水量高的土層中。

4.2 安裝支護(hù)結(jié)構(gòu)

支護(hù)結(jié)構(gòu)的安裝旨在確保隧道開挖過程中巖土的穩(wěn)固性，防止塌方或松散，為隧道的最終結(jié)構(gòu)提供必要的支撐，此過程涉及多種支護(hù)技術(shù)，包括錨桿、錨索、噴射混凝土和預(yù)應(yīng)力支護(hù)等。支護(hù)結(jié)構(gòu)安裝應(yīng)確定支護(hù)結(jié)構(gòu)的類型、規(guī)格、布置方式及材料選擇，綜合考慮隧道所處的地質(zhì)條件、預(yù)期的負(fù)載情況、施工環(huán)境特點以及工程的整體成本效益，施工團(tuán)隊需使用專業(yè)的設(shè)備和技術(shù)進(jìn)行安裝，確保每一項支護(hù)要素都嚴(yán)格按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

4.3 施工監(jiān)測與調(diào)整

施工監(jiān)測與調(diào)整是大跨度隧道主動支護(hù)施工過程中關(guān)鍵環(huán)節(jié)，確保整個工程的安全性、穩(wěn)定性以及最終的施工質(zhì)量，應(yīng)對隧道施工過程中的各項關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以確保施工過程符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和安全規(guī)范。施工監(jiān)測主要包括對隧道周圍巖體的位移、應(yīng)力、變形等物理量的測量，以及對支護(hù)結(jié)構(gòu)，如錨桿、錨索的張力和噴射混凝土的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)控，一般采用先進(jìn)的監(jiān)測設(shè)備和技術(shù)，如地質(zhì)雷達(dá)、應(yīng)變計、測斜儀等，收集數(shù)據(jù)對隧道施工的實時情況進(jìn)行全面了解，并據(jù)此評估隧道的整體穩(wěn)定性和安全性。隨著施工的進(jìn)行，監(jiān)測數(shù)據(jù)可能顯示出與設(shè)計預(yù)期或安全標(biāo)準(zhǔn)有所偏差的情況，應(yīng)及時調(diào)整，更改支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計、增強(qiáng)或減少支護(hù)力度、調(diào)整施工方法等。除了對物理量的監(jiān)測和調(diào)整外，施工監(jiān)測還需要考慮環(huán)境因素和工人安全，對隧道施工產(chǎn)生的噪聲、振動、塵埃等進(jìn)行監(jiān)測，確保施工活動不對周圍環(huán)境造成過大影響。

5 大跨度隧道主動支護(hù)施工現(xiàn)場監(jiān)測分析

5.1 施工現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

大跨度隧道主動支護(hù)施工中，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對于確保施工安全和質(zhì)量至關(guān)重要。位移監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示了隧道壁和周圍巖土體在施工過程中的移動趨勢。如果在進(jìn)行爆破作業(yè)后，某個區(qū)域的巖土體位移量顯著增加，應(yīng)立即采取加固措施，以防止進(jìn)一步的位移導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定。支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的監(jiān)測數(shù)據(jù)能確保施工安全，如果數(shù)據(jù)結(jié)果表明支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平接近或超過了設(shè)計極限，是警示信號，需要立即采取行動，如加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)或改變施工方法，以減輕結(jié)構(gòu)上的壓力。土壤壓力的監(jiān)測可預(yù)防隧道壁的塌陷，揭示了由地下水位變化或其他因素導(dǎo)致的土壤壓力異常，應(yīng)及時調(diào)整防水和排水措施，加固隧道結(jié)構(gòu)。環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，如溫度和濕度，對材料性能和施工條件有顯著影響，如可顯示在高溫高濕條件下，某些支護(hù)材料的性能降低，要求工程師調(diào)整材料選擇或施工時序。

5.2 現(xiàn)場監(jiān)測的困境

苛刻的施工環(huán)境中，監(jiān)測設(shè)備，如位移傳感器和應(yīng)力計，可能受到物理損害或環(huán)境因素（如極端溫度、濕度和振動）的約束影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，導(dǎo)致對隧道安全狀況的錯誤評估。隧道施工現(xiàn)場，尤其是在地下深處，信號干擾和連接問題可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定或中斷，重要的監(jiān)測數(shù)據(jù)可能會延遲傳送或完全丟失，影響對隧道穩(wěn)定性和安全性的即時評估。此外，隧道施工是復(fù)雜的過程，即使是收集到準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，如何正確解讀這些數(shù)據(jù)，以使做出合理的施工調(diào)整，也需要豐富的專業(yè)知識和經(jīng)驗，錯誤的數(shù)據(jù)解讀可能導(dǎo)致不必要的施工延誤或不恰當(dāng)?shù)陌踩胧?。隨著施工進(jìn)展和技術(shù)發(fā)展，監(jiān)測系統(tǒng)需要升級，以適應(yīng)新的施工條件和監(jiān)測需求，但系統(tǒng)升級需要額外的時間和資源，可能會影響施工進(jìn)度。

5.3 現(xiàn)場監(jiān)測困境的對策

解決監(jiān)測設(shè)備準(zhǔn)確性和可靠性的問題，可以通過采用更高標(biāo)準(zhǔn)的、更能適應(yīng)惡劣環(huán)境的設(shè)備來實現(xiàn)。使用抗振動、耐高（低）溫的傳感器，以及加強(qiáng)設(shè)備的物理保護(hù)，可以顯著減少由環(huán)境因素造成的設(shè)備故障，定期的設(shè)備校準(zhǔn)和維護(hù)也是確保監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。針對數(shù)據(jù)收集和傳輸中的技術(shù)障礙，采用更可靠的通信技術(shù)，如高頻無線通信設(shè)備或建立更穩(wěn)定的有線連接，可以減少數(shù)據(jù)傳輸中的干擾和中斷，并建立數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)，確保在信號中斷時，重要的監(jiān)測數(shù)據(jù)不會丟失。監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和解讀方面，建立由經(jīng)驗豐富的工程師和地質(zhì)專家組成的專業(yè)團(tuán)隊負(fù)責(zé)監(jiān)控數(shù)據(jù)，對潛在的問題做出專業(yè)的分析和反應(yīng)，利用先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析軟件和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)準(zhǔn)確地解讀復(fù)雜的監(jiān)測數(shù)據(jù)，做出更有效的決策。

6 結(jié)語

通過對大跨度隧道主動支護(hù)施工體系及現(xiàn)場應(yīng)用的全面分析可知，高質(zhì)量的隧道工程不僅依賴于先進(jìn)的技術(shù)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計，還需細(xì)致的施工管理和質(zhì)量控制，每一個步驟都是確保隧道安全、穩(wěn)定和高效的關(guān)鍵。此外，對環(huán)境的深入理解以及對安全管理的持續(xù)關(guān)注同樣不可或缺。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和實踐經(jīng)驗的積累，大跨度隧道主動支護(hù)施工體系將繼續(xù)優(yōu)化和發(fā)展，為隧道工程成功實施提供更堅實的基礎(chǔ)。