隧道主動(dòng)支護(hù)聯(lián)合被動(dòng)支護(hù)體系關(guān)鍵施工技術(shù)研究

摘要 為了有效保障隧道工程施工的安全和質(zhì)量，以天天高速（安慶—無為）大路山隧道為例，提出了“主動(dòng)聯(lián)合被動(dòng)支護(hù)體系”的隧道圍巖施工方法，并采用現(xiàn)場試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的方法，探討了該方法的有效性。研究結(jié)果表明：聯(lián)合支護(hù)體系相比被動(dòng)支護(hù)體系，在長期圍巖壓力下能更好地控制拱頂下沉和周邊位移；聯(lián)合支護(hù)體系由于預(yù)應(yīng)力錨桿的加入，預(yù)應(yīng)力在施工過程中受到機(jī)械、爆破振動(dòng)干擾，會(huì)導(dǎo)致部分預(yù)應(yīng)力損失影響支護(hù)效果，但在整體上對(duì)拱頂下沉和周邊位移的控制效果更為顯著。對(duì)于工程實(shí)踐中支護(hù)體系的選擇，聯(lián)合支護(hù)體系相較于被動(dòng)支護(hù)體系是更優(yōu)的選擇，尤其是在圍巖較為不穩(wěn)定的情況下。

關(guān)鍵詞 隧道工程；聯(lián)合支護(hù)體系；錨桿；主動(dòng)支護(hù)；被動(dòng)支護(hù)

中圖分類號(hào) U455.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）19-0105-04

0 引言

在隧道施工中，圍巖的穩(wěn)定性直接影響工程的安全與進(jìn)度。由于地質(zhì)條件的復(fù)雜多變，隧道開挖過程中常常會(huì)遇到巖體破碎、地應(yīng)力集中以及地下水的侵蝕等問題，這些因素都會(huì)導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)甚至塌方。錨桿技術(shù)作為支護(hù)手段，能夠通過控制圍巖變形、提高巖體整體強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)49bb0a51baab8ab2629194a4745adbdbb6d643df57898843c72f2e5fc0ea8f81不良地質(zhì)條件的有效處理，但常規(guī)的開挖和支護(hù)體系難以有效滿足大跨度隧道的圍巖控制需求[1]。

錨桿作為隧道施工中的一種重要支護(hù)方式，被廣泛應(yīng)用于地下工程的穩(wěn)定性控制和圍巖支護(hù)[2]。隨著隧道工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大和復(fù)雜地質(zhì)條件的不斷出現(xiàn)，錨桿技術(shù)在確保隧道結(jié)構(gòu)安全和地層穩(wěn)定方面發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。錨桿通過將圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)連接起來，能夠有效地限制圍巖的位移，增強(qiáng)隧道的整體穩(wěn)定性，減少施工風(fēng)險(xiǎn)。

目前，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)特別是隧道建設(shè)迎來了蓬勃發(fā)展的階段，針對(duì)隧道圍巖變形支護(hù)技術(shù)的研究越來越多，尤其是主動(dòng)支護(hù)體系[3-5]。譚忠盛等[6]研究了被動(dòng)支護(hù)體系與無錨桿支護(hù)體系下圍巖的變形情況，結(jié)果表明被動(dòng)支護(hù)作用下圍巖變形量高了40%。王守慧等[7]以青島地鐵暗挖車站為依托工程，對(duì)比分析預(yù)應(yīng)力錨桿與非預(yù)應(yīng)力錨桿對(duì)塊狀圍巖的支護(hù)作用，結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力錨桿有效控制結(jié)構(gòu)面兩側(cè)巖體的滑移錯(cuò)動(dòng)，提升了隧道圍巖整體穩(wěn)定性。劉遠(yuǎn)建[8]提出了“分部臺(tái)階法—預(yù)應(yīng)力錨桿”為核心的主動(dòng)支護(hù)施工工法，結(jié)果表明主動(dòng)支護(hù)提供徑向應(yīng)力，有效控制了塑性區(qū)半徑，減小掌子面的影響范圍，降低地面的擾動(dòng)區(qū)域。郭鵬飛等[9]研究了一種物理錨固裝置用于軟弱巖體的錨固，以解決傳統(tǒng)錨固劑效果不佳的問題，通過數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置的優(yōu)越性。王彤彤等[10]探究了預(yù)應(yīng)力錨桿及普通錨桿支護(hù)下錨固體的承載特性。結(jié)果表明預(yù)應(yīng)力錨桿與圍巖的相互作用形成了具有承載能力的錨固體，能夠有效承擔(dān)大部分上覆荷載。

但在隧道施工過程中，傳統(tǒng)支護(hù)技術(shù)不能兼顧施工效率與施工安全[11]，因此，該文針對(duì)控制隧道圍巖變形提出了一種聯(lián)合支護(hù)體系，即主動(dòng)聯(lián)合被動(dòng)支護(hù)體系，并結(jié)合天天高速公路（安慶—無為）大路山隧道工程，研究了聯(lián)合支護(hù)體系對(duì)隧道圍巖變形支護(hù)效果的影響。對(duì)該支護(hù)體系特性進(jìn)行研究，最大限度降低圍巖變形所帶來的危害，具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 工程概況

大路山隧道位于安徽省銅陵市樅陽縣會(huì)宮鎮(zhèn)及官埠橋鎮(zhèn)境內(nèi)，設(shè)計(jì)采用分離式隧道方案，右線長1 258 m，左線長1 241 m，屬長隧道。

隧址區(qū)地貌單元為沿江丘陵平原地貌，微地貌為低山（如圖1），坡度一般為10°～40°，其地勢總體特征是北西高、南東低，地面標(biāo)高一般在60.0～150.0 m，相對(duì)高差約90.0 m，地形起伏較大，山脊線為近北東向，波狀山脊，渾圓狀山頂。隧址區(qū)穿越區(qū)域斷層F15，斷層走向北西，傾向東，傾角約40°～60°，受斷層影響，斷層破碎帶及其影響帶附近巖體極破碎，圍巖穩(wěn)定性差。

2 支護(hù)體系作用機(jī)理及施工工藝

2.1 支護(hù)體系作用機(jī)理

主動(dòng)支護(hù)體系與被動(dòng)支護(hù)體系的工作原理不同，普通支護(hù)體系錨桿往往采用普通鋼材制成，不施加預(yù)應(yīng)力。這種錨桿在巖土體發(fā)生形變后被動(dòng)地提供錨固力，主要用于支護(hù)巖層，根據(jù)需要可以灌漿或不灌漿，適用于一些基本的支護(hù)需求。主動(dòng)支護(hù)體系錨桿采用高強(qiáng)度鋼材料，需要施加預(yù)應(yīng)力以及灌漿防腐。安裝后能及時(shí)提供支護(hù)抗力，使巖土處于三軸應(yīng)力狀態(tài)，控制地層和結(jié)構(gòu)物變形能力強(qiáng)。此外，主動(dòng)支護(hù)錨桿在安裝后可以主動(dòng)地加固圍巖，通過錨頭產(chǎn)生的錨固力對(duì)圍巖施加一定的約束，提升隧道圍巖的力學(xué)性能[12]，使破碎的巖層保持穩(wěn)定，而普通錨桿則是在巖土體發(fā)生形變后被動(dòng)地發(fā)揮作用。

2.2 聯(lián)合支護(hù)體系施工工藝

聯(lián)合支護(hù)體系的施工工藝涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，必須嚴(yán)格按照規(guī)范和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行操作，以確保支護(hù)效果。以下是主要工藝流程：

（1）施工準(zhǔn)備

錨桿孔位放樣：根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙確定預(yù)應(yīng)力錨桿和普通錨桿的位置和數(shù)量，并進(jìn)行精確放樣。

設(shè)備與材料準(zhǔn)備：準(zhǔn)備鉆孔設(shè)備、預(yù)應(yīng)力錨桿、注漿材料、張拉設(shè)備等施工工具和材料。確保所有設(shè)備處于良好狀態(tài)，材料符合設(shè)計(jì)要求。

（2）錨桿孔鉆孔

鉆孔設(shè)備：使用鉆機(jī)按設(shè)計(jì)要求的位置和角度進(jìn)行鉆孔。鉆孔時(shí)應(yīng)保持垂直度和孔徑均勻，避免鉆孔過程中出現(xiàn)偏差。

排水與清孔：在鉆孔過程中，如果遇到地下水，應(yīng)及時(shí)排水。鉆孔完成后，應(yīng)對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行清理，確?？變?nèi)無殘留雜物，以利于錨桿的順利安裝。

（3）錨桿安裝

錨桿就位：將預(yù)應(yīng)力錨桿和普通錨桿按要求緩慢插入鉆好的孔內(nèi)，確保錨桿端頭到達(dá)設(shè)計(jì)深度。

張拉作業(yè)：使用張拉設(shè)備對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿施加設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力。張拉過程中，應(yīng)分級(jí)施加荷載，逐步達(dá)到設(shè)計(jì)要求的預(yù)應(yīng)力值。張拉完成后，使用鎖定裝置將錨桿固定，并進(jìn)行封錨處理，防止錨桿松動(dòng)和預(yù)應(yīng)力損失。

（4）注漿

注漿：錨桿張拉后，進(jìn)行注漿作業(yè)。注漿材料為水泥砂漿或?qū)Ｓ米{材料。注漿應(yīng)從錨桿底部向上進(jìn)行，確?？變?nèi)充滿漿液，且無空隙。注漿完畢后，需等待漿液初凝并達(dá)到一定強(qiáng)度。

（5）質(zhì)量檢驗(yàn)

施工完成后，應(yīng)對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)和長期監(jiān)測。

聯(lián)合支護(hù)體系施工工藝流程圖如圖2所示。

3 聯(lián)合支護(hù)體系支護(hù)效果研究

為驗(yàn)證聯(lián)合支護(hù)體系控制圍巖變形效果，在大路山隧道選取2個(gè)試驗(yàn)段，通過圍巖監(jiān)控測量的方式（如圖3所示）對(duì)比聯(lián)合支護(hù)體系方案與被動(dòng)支護(hù)體系方案在隧道開挖過程中圍巖的變形特征。隧道開挖方式應(yīng)根據(jù)圍巖、支護(hù)類型和斷面型式等具體情況選擇，V級(jí)圍巖段采用環(huán)形開挖中心留核心土法，Ⅳ級(jí)圍巖段采用臺(tái)階法。為消除施工方法對(duì)隧道圍巖變形的影響，以相同圍巖等級(jí)同一工法施工段（K89+435～K89+465）展開研究[13]。

聯(lián)合支護(hù)體系的設(shè)計(jì)方案如圖4所示，開挖完成后立拱架，焊接鋼筋網(wǎng)，同時(shí)施作3 m長預(yù)應(yīng)力錨桿和中空注漿錨桿。錨桿均采用直徑25 mm的中空錨桿，各類型的錨桿間距均為1.5 m?，F(xiàn)場實(shí)施樁號(hào)為（K89+435～K89+445）。

原被動(dòng)支護(hù)體系方案如圖5所示，開挖完成后立拱架，焊接鋼筋網(wǎng)，同時(shí)只施作3 m長中空注漿錨桿，錨桿間距均為1.5 m?，F(xiàn)場實(shí)施樁號(hào)為（K89+455～K89+465）。

4 圍巖變形分析

分別選取聯(lián)合支護(hù)體系的K89+440斷面和被動(dòng)支護(hù)體系的K89+460斷面進(jìn)行為期28 d的拱頂下沉及周邊位移監(jiān)測。根據(jù)最小二乘法原理，利用回歸分析方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖6顯示了聯(lián)合支護(hù)體系和被動(dòng)支護(hù)體系下的拱頂累計(jì)下沉量隨時(shí)間的變化情況?？梢钥闯?，在施工的前幾天，聯(lián)合支護(hù)體系和被動(dòng)支護(hù)體系的拱頂下沉量相對(duì)較小。兩者的下沉量都保持在?2～0 mm之間，這意味著在初期，隧道的沉降控制較為有效，兩種支護(hù)體系可以較好地抵抗圍巖變形。

隨著隧道的開挖，被動(dòng)支護(hù)體系的累計(jì)下沉量迅速增加，下降幅度非常明顯，從?2 mm增加到接近?10 mm。這表明在這個(gè)階段，被動(dòng)支護(hù)體系難以抵抗逐漸增加的圍巖壓力，導(dǎo)致隧道拱頂發(fā)生了較大的沉降。聯(lián)合支護(hù)體系在此階段的累計(jì)下沉量也有所增加，但變化較為平緩，始終保持在?4～?2 mm之間，這是因?yàn)槁?lián)合支護(hù)體系由于預(yù)應(yīng)力錨桿的加入，預(yù)應(yīng)力筋施工過程中受到機(jī)械、爆破振動(dòng)干擾，會(huì)導(dǎo)致部分預(yù)應(yīng)力損失影響支護(hù)效果，但是整體上能夠很好地控制隧道的沉降。被動(dòng)支護(hù)體系在第20 d左右達(dá)到了接近?11 mm，并在之后的天數(shù)內(nèi)基本保持不變。這意味著雖然被動(dòng)支護(hù)體系在早期的下沉較大，但在后期階段圍巖壓力趨于穩(wěn)定后，沉降量不再大幅增加。聯(lián)合支護(hù)體系的累計(jì)下沉量在整個(gè)時(shí)間段內(nèi)繼續(xù)保持穩(wěn)定，最終穩(wěn)定在約?3 mm左右。這說明聯(lián)合支護(hù)體系的整體性能優(yōu)越，在整個(gè)施工過程中都能夠有效控制下沉，避免大幅度的沉降。

圖7顯示了拱頂下沉的日變化率，即每天的下沉速度變化。聯(lián)合支護(hù)體系的變化率較為穩(wěn)定，大部分時(shí)間都維持在?1 mm/d左右，顯示出較小的波動(dòng)性和較好的控制效果。被動(dòng)支護(hù)體系的變化率在前幾天波動(dòng)較大，尤其是在第6～10 d期間，變化率達(dá)到接近?2 mm/d，反映出施工過程中沉降加速。這種波動(dòng)性意味著被動(dòng)支護(hù)體系在早期階段無法有效穩(wěn)定拱頂?shù)某两邓俾省?/p>

圖8顯示了聯(lián)合支護(hù)體系和被動(dòng)支護(hù)體系下，拱腰位移的累計(jì)變化隨開挖天數(shù)的變化情況。聯(lián)合支護(hù)體系的累計(jì)位移量從第1 d開始逐漸增加，但變化較為平緩，最終在第28 d時(shí)穩(wěn)定在約?6 mm左右。被動(dòng)支護(hù)體系的累計(jì)位移量則顯著較大，在前期快速增加，最終穩(wěn)定在約?9 mm左右。這表明在整個(gè)施工過程中，被動(dòng)支護(hù)體系的拱腰位移控制效果相對(duì)較差，累計(jì)位移量明顯大于聯(lián)合支護(hù)體系。

被動(dòng)支護(hù)體系的累計(jì)位移量始終高于聯(lián)合支護(hù)體系，這與圖9中日變化率的較大波動(dòng)相對(duì)應(yīng)。被動(dòng)支護(hù)體系在初期位移增加較快，變化率較大，且最終累計(jì)位移較大，表明其在應(yīng)對(duì)隧道施工帶來的圍巖壓力時(shí)，表現(xiàn)不如聯(lián)合支護(hù)體系。聯(lián)合支護(hù)體系的累計(jì)位移量較小，日變化率保持在較小的范圍內(nèi)，波動(dòng)較為平穩(wěn)，展現(xiàn)出良好的控制效果，能夠有效抑制位移的過度增加。

5 結(jié)論

（1）聯(lián)合支護(hù)體系在控制拱頂下沉和周邊位移方面均表現(xiàn)出更好的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，特別是在應(yīng)對(duì)長期圍巖壓力的情況下。

（2）聯(lián)合支護(hù)體系的預(yù)應(yīng)力在施工過程中會(huì)受到機(jī)械、爆破振動(dòng)干擾，導(dǎo)致部分預(yù)應(yīng)力損失，但在整體上對(duì)拱頂下沉和周邊位移的控制效果較為顯著。

（3）聯(lián)合支護(hù)體系在控制隧道圍巖變形方面明顯優(yōu)于被動(dòng)支護(hù)體系。聯(lián)合支護(hù)體系不僅在位移的累計(jì)量上保持較小，而且在變化率上也較為穩(wěn)定，整體表現(xiàn)出更高的安全性和可靠性。因此，在隧道施工過程中，采用聯(lián)合支護(hù)體系更能有效控制位移，尤其是在圍巖較為不穩(wěn)定的情況下。

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收稿日期：2024-08-27

作者簡介：孫龍（1987—），男，大專，工程師，研究方向：土木工程施工技術(shù)與管理。

基金項(xiàng)目：中交一公局第一工程有限公司科技研發(fā)項(xiàng)目“公路隧道中基于主動(dòng)變形控制的支護(hù)結(jié)構(gòu)及參數(shù)優(yōu)化研究”（KJYF2024-C-05）。