隧道工程洞身初期支護(hù)施工方案探究

摘要 在隧道工程中，洞身初期支護(hù)是確保隧道穩(wěn)定和防止圍巖變形的重要措施，文章探討了隧道工程洞身初期支護(hù)的施工方案，包括支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇、支護(hù)參數(shù)、施工工藝等方面。通過對案例工程支護(hù)技術(shù)的綜合分析，旨在為類似洞身初期支護(hù)施工過程中存在的質(zhì)量控制、安全及施工技術(shù)等方面的難點(diǎn)提供一定參考，以確保隧道洞身初期支護(hù)施工的質(zhì)量與安全。

關(guān)鍵詞 隧道工程；洞身施工；初期支護(hù)

中圖分類號 U455 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）18-0132-03

0 引言

隧道工程是交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的核心部分，由于隧道工程多處于復(fù)雜的山地、河流或海底等環(huán)境中，施工過程中面臨著諸多挑戰(zhàn)，尤其是洞身初期支護(hù)問題。洞身初期支護(hù)作為隧道施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其質(zhì)量和效果直接關(guān)系到隧道整體的安全性和穩(wěn)定性，文章結(jié)合具體工程案例，通過對支護(hù)結(jié)構(gòu)、支護(hù)參數(shù)、施工工藝等方面的綜合分析，以期為其他隧道工程洞身初期支護(hù)施工項(xiàng)目提供理論支持。

1 工程概況

史家山隧道位于西昌市瑪增依烏鄉(xiāng)，隧道進(jìn)口位置為西昌瑪增依烏鄉(xiāng)，出口位置為西昌大興鄉(xiāng)史家山，區(qū)內(nèi)交通以鄉(xiāng)村公路、小道為主，鄉(xiāng)村道路交叉形成分支道路，整體由西北向東南分布。左線起止里程樁號：ZK3+373～K4+157，長784 m；右線起止樁號：K3+385～K4+060，長675 m；屬中隧道，隧道軸向走向183°～218°，設(shè)計(jì)路面標(biāo)高為1 908.65～1 930.53 m；隧道建筑限界：凈寬10.25 m，凈高5.0 m；左線洞頂最大埋深約145 m，右線洞頂最大埋深約136 m。

除明洞襯砌段外，其余段隧道遵循新奧法原理采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，襯砌采用曲墻結(jié)構(gòu)，Ⅴ級圍巖段采用曲墻帶仰拱結(jié)構(gòu)，洞口段、淺埋偏壓段、斷層破碎帶、自穩(wěn)性差的軟弱圍巖地層段及具有一定水壓的富水段采用加強(qiáng)復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。

2 初期支護(hù)

初期支護(hù)作業(yè)是建筑工程中不可或缺的一環(huán)，包括鋼架與鋼筋網(wǎng)的加工、安裝與掛設(shè)，系統(tǒng)錨桿與鎖腳錨桿的施作，以及噴射混凝土等關(guān)鍵步驟。鋼架與鋼筋網(wǎng)的加工需選用高質(zhì)量的鋼材，系統(tǒng)錨桿與鎖腳錨桿的施作能夠有效提升支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，噴射混凝土作業(yè)能夠在支護(hù)結(jié)構(gòu)表面形成一層密實(shí)的混凝土層，進(jìn)一步增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與耐久性。

2.1 錨桿施工

在系統(tǒng)錨桿方面，采用長度為300 cm、直徑為φ22 mm的藥卷錨桿，藥卷錨桿具有較高的承載能力和抗拉強(qiáng)度，適用于需要較大支護(hù)力的情況，藥卷錨桿的優(yōu)點(diǎn)在于其可以通過注漿工藝將錨桿與圍巖緊密結(jié)合，形成一個整體受力體系，從而提高支護(hù)效果。

定位錨桿采用的是直徑為Φ22 mm、長度為100 cm的藥卷錨桿作為定位錨桿，定位錨桿的主要作用是固定和定位其他錨桿，由于其長度較短，定位錨桿的承載能力相對較低，但其對于整個錨桿系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性具有不可替代的作用。

鎖腳錨桿作為一種特殊的錨桿類型，采用的是長300 cm、直徑為Φ42 mm的注漿小導(dǎo)管。鎖腳錨桿主要用于固定和支撐隧道拱腳部位，防止其發(fā)生變形或坍塌，注漿小導(dǎo)管作為鎖腳錨桿的一種，具有較好的抗腐蝕性和耐久性，能夠適應(yīng)惡劣的地下環(huán)境。

在系統(tǒng)洞身開挖工作完成后，進(jìn)行初噴混凝土作業(yè)，隨后用紅油漆標(biāo)定錨桿的具體位置，采用錨桿鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)，在鉆孔過程中，不符合設(shè)計(jì)要求的孔，需立即進(jìn)行補(bǔ)鉆操作。當(dāng)鉆孔達(dá)到預(yù)設(shè)深度后，進(jìn)行錨桿的安裝工作，錨桿的安裝必須與巖體的主結(jié)構(gòu)面形成足夠大的夾角，對于藥卷錨桿，除了按照標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行安裝外，還需確保墊板和螺母的配套安裝。

2.1.1 錨桿施工工藝流程如圖1所示。

2.1.2 中空注漿錨桿安裝

錨桿體安裝至設(shè)計(jì)深度后，進(jìn)行孔洞的清洗，使用水和空氣對孔洞進(jìn)行徹底的沖洗，直到孔口有清水或空氣滲出，以確?？變?nèi)無殘留物。使用M20早強(qiáng)水泥砂漿作為注漿材料，其水灰比應(yīng)控制在0.4～0.5的范圍內(nèi)，注漿時漿料應(yīng)通過錨桿體中的中孔進(jìn)行灌注，對于上仰孔，需要設(shè)置止?jié){塞和排氣孔，螺母應(yīng)在砂漿初凝后擰緊，注漿壓力應(yīng)維持在0.3～0.8 MPa的范圍內(nèi)，當(dāng)排氣口有漿料流出時，即可停止灌漿。

2.2 鋼筋網(wǎng)片制作與安裝

初期支護(hù)采用單層Φ8 mm鋼筋網(wǎng)的形式，鋼筋網(wǎng)需要在系統(tǒng)錨桿安裝完成后進(jìn)行安設(shè)，通常是在洞外預(yù)先加工成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。根據(jù)巖面的實(shí)際起伏情況鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)，并在初噴混凝土后進(jìn)行安裝，鋼筋網(wǎng)與巖面之間的間隙應(yīng)控制在約3 cm。

在安裝過程中，鋼筋網(wǎng)的連接處以及與錨桿的連接點(diǎn)，使用細(xì)鋼絲進(jìn)行綁扎或進(jìn)行點(diǎn)焊，在鋼筋網(wǎng)安設(shè)之前，應(yīng)首先初噴一層厚度約為3 cm的混凝土，以形成鋼筋的保護(hù)層，制作鋼筋網(wǎng)前，還需要進(jìn)行一系列預(yù)處理工作，包括鋼筋的校直、除銹以及清潔油污等。

2.3 鋼拱架安裝

在完成初噴混凝土后，利用鋼拱架安裝臺車進(jìn)行鋼架的安裝作業(yè)，在此之前，需對掌子面的開挖凈空進(jìn)行檢查，并徹底清除鋼架底腳處的虛渣，為應(yīng)對高度差異，可在需要的位置穩(wěn)妥地墊上混凝土塊或鋼板[1]。

鋼架與圍巖之間的空隙用混凝土墊塊進(jìn)行充實(shí)，鋼架的安裝必須垂直于隧道中線，豎向不得傾斜，平面內(nèi)不得錯位或扭曲，為此鋼架的傾斜度被限制在2°以內(nèi)，且其任何部位偏離鉛垂面的距離均不得超過5 cm。

鋼架之間的連接鋼筋施工是提升整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)固性的關(guān)鍵步驟，其將各鋼架連接成一個整體，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的承載能力。在鋼架基腳部位，需預(yù)留一定厚度的原地基，并在架立鋼架時精準(zhǔn)挖槽就位，在鋼架基腳處設(shè)置槽鋼，旨在增強(qiáng)基底承載力，提高鋼架的穩(wěn)定性。

在采用臺階法施工時，鋼架拱腳的鎖腳錨桿施工能夠有效防止鋼架在受力時發(fā)生向內(nèi)位移變形，下臺階開挖后，鋼架必須及時落地，嚴(yán)禁鋼架腳懸空，開挖長度的控制需根據(jù)圍巖情況靈活調(diào)整。

對于高應(yīng)力軟弱圍巖段、斷層破碎帶、洞口淺埋段等特殊地質(zhì)條件，鋼筋的封閉成環(huán)工作應(yīng)迅速完成。當(dāng)鋼架因侵入限界而需要更換時，應(yīng)采用逐榀更換的方法，即先立新鋼架后拆除廢鋼架，嚴(yán)禁先拆后立或同時更換相鄰多榀鋼架，以防止支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

鋼架拱腳的位置必須位于牢固的基礎(chǔ)上，同時清除底腳下的虛渣及其他雜物，為減小初期支護(hù)閉合前的整體下沉量，在拱墻腳下墊設(shè)混凝土塊是一種有效的措施。鎖腳錨桿（管）作為確保初期支護(hù)安全的重要措施，其安裝和質(zhì)量控制應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，其不僅能有效防止工字鋼在受到側(cè)向力時發(fā)生向內(nèi)位移變形，還能抑制拱架整體下沉，從而保證初支結(jié)構(gòu)在施工過程中受力穩(wěn)定[2]。還可在鋼拱架落地位置增設(shè)錨管，并在工字鋼兩側(cè)設(shè)置鎖腳穿孔鋼板，以增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性和安全性。

2.4 超前支護(hù)施工

2.4.1 參數(shù)

開挖前應(yīng)施作超前支護(hù)，上下臺階預(yù)留核心土法開挖采用單層注漿小導(dǎo)管，小導(dǎo)管采用φ42 mm無縫鋼管，壁厚4 mm。拱部120°范圍內(nèi)布置，外插角緩傾角5°～12°，陡傾角控制在10°～30°。

注漿材料采用早強(qiáng)單液水泥漿，水灰比w/c=0.6～0.8，注漿水泥采用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級為42.5。注漿量以壓力控制為主，注漿量控制為輔，注漿壓力0.5～1 MPa，每孔注漿壓力達(dá)到1.0 MPa，繼續(xù)保持10 min以上即可停止注漿[3]。

2.4.2 超前小導(dǎo)管施工工藝流程

超前小導(dǎo)管施工工藝流程如圖2所示。

2.4.3 施工方法

小導(dǎo)管選材為φ42 mm熱軋無縫鋼管，壁厚4 mm，前端30 cm范圍內(nèi)不鉆孔，其余部分每隔10 cm環(huán)向鉆四個梅花形布置的孔，孔徑8 mm，相鄰孔口交錯45°以增強(qiáng)注漿效果，管尖10 cm需加工成尖端并焊接。

鉆孔作業(yè)采用錨桿臺車或風(fēng)槍，用自制鉆桿和連接套接長，直徑比管徑大3～5 mm，利用高壓風(fēng)清孔，再用帶沖擊的風(fēng)鉆將小導(dǎo)管頂入，外露端安裝注漿閥門，清孔后用塑膠泥封堵裂隙。

水泥漿攪拌在高速攪拌機(jī)中進(jìn)行，按施工配合比投料，存放于帶低速攪拌器的儲漿罐中，防沉淀。注漿終壓控制在1.0～2.0 MPa，初凝時間4～6 min，速凝劑參量2%。

單孔注漿量估算基于圍巖孔隙率：

Q=πR²Lnβ （1）

式中，Q——單孔漿液注入量（m³）；R——擴(kuò)散半徑（m）；L——注漿段長度（m）；n——巖石空隙率（0.1～0.3）；β——有效充填系數(shù)（0.6～0.9）。

通過試驗(yàn)確定具體注漿量，注漿遵循“先下后上”“先單液漿再雙液漿”等原則，用分漿器精確控制，防止串漿和跑漿。定位偏差<5 cm，孔底偏差≤孔深1%～2%，注漿前用高壓風(fēng)水清洗管內(nèi)雜質(zhì)。

高壓注漿泵是關(guān)鍵設(shè)備，提供足夠壓力使?jié){液滲透到巖石孔隙中，注漿壓力控制在1.0～2.0 MPa。拌漿時防止雜物混入，漿液需過濾，未過濾的不得進(jìn)入泵體，注漿過程中要關(guān)注泵口及孔口壓力變化，及時處理問題。記錄鉆孔、注漿數(shù)據(jù)，分析注漿效果，優(yōu)化施工方案，注漿結(jié)束后清洗泵體和管路，防止?jié){液殘留影響下次注漿。

2.5 噴混凝土施工

在完成開挖后立即對巖面進(jìn)行混凝土噴射，先噴射3 cm厚的混凝土以封閉巖面，形成初步支護(hù)，隨后進(jìn)行錨桿的搭設(shè)、鋼筋網(wǎng)的掛設(shè)以及鋼架的架立工作，以增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。在初噴巖面0KcaAc5dbzicVs6e9HoTZw==清理完成后，再進(jìn)行復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度，噴射混凝土作業(yè)采用濕噴機(jī)械手進(jìn)行，混凝土在洞外拌和站進(jìn)行集中拌和。

在噴射混凝土過程中，需要注意鋼架與圍巖之間的填充情況，鋼架間混凝土應(yīng)飽滿平順，與圍巖緊密貼合，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，同時噴射混凝土的回彈物嚴(yán)禁重復(fù)利用。

噴射作業(yè)應(yīng)分段進(jìn)行，自下而上連續(xù)進(jìn)行，噴射角度應(yīng)與巖面垂直，噴嘴距離巖面的距離控制在0.6～1.2 m。這樣可以確保混凝土能夠均勻噴射到巖面上，形成良好的支護(hù)效果，當(dāng)噴射混凝土緊貼開挖作業(yè)面時，下一循環(huán)的爆破作業(yè)應(yīng)在混凝土終凝3 h后進(jìn)行。

2.5.1 噴射混凝土施工工藝

噴射混凝土施工工藝流程如圖3所示。

2.5.2 噴射作業(yè)

噴射混凝土作業(yè)應(yīng)采取分段、分片、分層的方式進(jìn)行，分段長度不宜超過6 m，自下而上進(jìn)行噴射。在噴射過程中，應(yīng)先將低洼處大致噴平，然后自下而上順序分層、往復(fù)噴射，以形成良好的支護(hù)效果，在分段噴射混凝土?xí)r，上次噴射的混凝土應(yīng)預(yù)留一個斜面，斜面寬度控制在200～300 mm，此斜面需要用壓力水進(jìn)行沖洗潤濕，以確保新噴射的混凝土能夠與舊混凝土良好結(jié)合。

當(dāng)進(jìn)行分片噴射時，同樣應(yīng)遵循自下而上的原則，應(yīng)先噴射鋼架與壁面之間的混凝土，以固定鋼架位置，再噴射兩鋼架之間的混凝土。這樣可以確保鋼架與混凝土之間的緊密結(jié)合，提高支護(hù)效果。在噴射邊墻混凝土?xí)r，應(yīng)從墻腳開始向上噴射，以防止回彈物料裹入最后噴層，影響噴射質(zhì)量，同時分層噴射時，后一層噴射應(yīng)在前一層混凝土終凝后進(jìn)行。若終凝1 h后再進(jìn)行噴射，應(yīng)先用風(fēng)水清洗噴層表面，以確保新噴射的混凝土能夠良好地黏附在舊混凝土上。

在噴射過程中，噴嘴與受噴面之間應(yīng)保持適當(dāng)?shù)木嚯x，一般控制在0.6～1.2 m。噴射角度盡可能接近90°，以獲得最大的壓實(shí)效果和最小的回彈量。噴嘴應(yīng)連續(xù)、緩慢地作橫向環(huán)形移動，以確?；炷聊軌蚓鶆蚋采w在巖面上，如果受噴面被鋼架、鋼筋網(wǎng)覆蓋時，可將噴嘴稍加偏斜，但角度不宜小于70°，以防止混凝土物料在受噴面上滾動，產(chǎn)生凹凸不平的波形噴面。

3 結(jié)論

通過對隧道圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)測試和分析，可以確定合理的支護(hù)參數(shù)，如錨桿長度、直徑、間距，噴射混凝土的厚度和強(qiáng)度等，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和有效性。施工工藝的優(yōu)化也是確保支護(hù)效果的關(guān)鍵，采用先進(jìn)的施工技術(shù)和設(shè)備，如機(jī)械化施工、自動化監(jiān)控等，可以提高施工效率，減少人為誤差，進(jìn)一步提升支護(hù)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。隧道工程洞身初期支護(hù)施工方案的探究是一項(xiàng)系統(tǒng)性、復(fù)雜性的工作，需要綜合考慮多種因素，不斷優(yōu)化和完善。

參考文獻(xiàn)

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