隧道施工中超前支護控制技術探析

楊小文

（華邦建投集團股份有限公司，蘭州 730030）

1 隧道施工的特點

隧道工程是一項具有多元化綜合性特征的工作，因工程存在于天然土體中，容易受到土體內復雜多變物理力學性質和施工技術的影響。工程具有整體危險性較大，隱蔽程度較高、循環強度也較大，施工難度很大等特點[1]。近些年，隨著道路工程規模不斷擴大，隧道施工往往要穿越一些十分復雜的地段，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，也是引發隧道結構失穩，支護結構大變形，甚至造成塌方、冒頂安全事故的重要影響因素。同時，隧道施工作業空間相對局限，施工環境差，倘若沒有一個良好的支護工程，將進一步增加施工人員進洞作業難度，圍巖環境也會更加惡劣，對施工人員和工程安全性造成威脅，繼而影響工程建設周期[2]。另外，隧道施工并非靜態施工，施工過程中隧道土體力學狀態呈動態變化趨勢，圍巖物理力學特征也會隨之改變，這就要求施工過程中要嚴密監測土體及圍巖變化情況，探究其變化規律，選擇適宜的超前支護控制技術，有效處理圍巖失穩、變形引發的各種安全隱患，在保障工程安全和穩定的同時，盡可能縮短工期。

2 超前支護控制技術的內涵和優勢

超前支護控制技術是在隧道開挖后，利用管棚、錨桿、導向管等設備，沿著隧道開挖線，約束和控制圍巖變形，加強圍巖穩定性，保障隧道開挖面的施工安全性和穩定性。采用的人工措施主要有管棚支護、超前小導管和錨桿支護等技術。針對一些地形條件復雜的軟弱圍巖施工區域，為確保超前支護控制技術的實效性，必須做好施工前勘察、測量、放樣等準備工作，基于施工開挖采用的技術以及隧道周邊環境、地質條件等，統籌規劃，選擇適宜的支護控制技術[3]。

在隧道施工中應用超前支護控制技術具有十分鮮明的優勢，具體包括以下幾點：

1）承載力大。軟弱圍巖具有變形量大（拱頂最大沉降量可達到760 mm，水平收斂量可達到500 mm）、變形速率快、拱腳變形明顯、變形持續時間長、掌子面擠出變形嚴重且壓力增長快等特征，采用支護系統后，在短時間內就能夠承受大量圍巖壓力，維持圍巖穩定性。

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

3）適用范圍廣。超前支護控制技術的作用機理是新奧法，即充分調動圍巖自身承載能力，維持圍巖基本狀態，在此基礎上施加一定人為支護抗力，共同組成一個完整的支護系統。該系統使用范圍廣，能夠應用在多種隧道圍巖類型中，如自身承載力和穩定性差的軟圍巖，自承力大且自穩性好的硬圍巖，以及處于軟硬圍巖過渡階段的圍巖，最終實現圍巖穩定，隧道安全施工的目的。

3 工程概況

當金山隧道工程，位于高寒干旱氣候區，季節性溫差較大，雨季和旱季較為明顯，年降水量較少，隧道全長4 418 m，設計速度80 km/h，采用雙洞單向分離式設計，隧道進出口兩段洞門形式均采用端墻式洞門，屬高寒干旱地區雙洞石質特長隧道。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。隧道主洞內輪廓拱部采用單心圓形式（半徑R=543 cm），側墻采用大半徑圓弧（R=793 cm），仰拱與側墻間用小半徑圓弧連接（R=100 cm），仰拱半徑為1 500 cm。

前期勘察發現，該隧道施工區域山體巖層經歷過多次構造運動，山體地形凌亂破碎，山前現代溝槽發育，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、出口段。預計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，可見該隧道地質條件特殊，必須對其進行充分研究，選用切實可靠的超前支護控制技術，才能確保整個隧道工程順利完成。

4 隧道施工中超前支護控制技術實踐

在隧道施工支護體系中，一般包含超前支護、初期支護和二次襯砌3 種，其中超前支護和二次襯砌發揮主要支護作用，屬于永久支護。超前支護控制技術的核心是超前和預支護，主要用于初期支護之前，發揮著預先支護的作用。一般包含超前管棚、超前注漿小導管、超前錨桿、水平旋噴樁等技術，本文結合上述工程案例，對這些超前支護控制技術的實踐應用展開詳細探討。

4.1 超前管棚支護技術

超前管棚支護技術主要應用在軟弱圍巖等不良地質中，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構[4]。詳細來說，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進行鉆孔并打入鋼管，隨后在管內注入水泥砂漿，以提升圍巖物理參數，形成傘狀加固圈，改善圍巖所處應力場和掌子面應力場的一種支護技術（見圖1）。該技術具有支護距離長、加護技術好、經濟成本低、施工便捷等優勢，是近些年新發展起來的一種隧道修建輔助技術。

圖1 超前管棚支護技術

超前管棚支護技術主要機械設備包括鋼管、管棚鉆機、夯管錘等，具體施工工序為施工準備→測量定位、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。在管棚支護施工中，主要利用選裝鉆機進行鉆孔作業，在架設鉆機時，確保與鉆進線路中心線保持一定仰角，避免出現偏移或者傾斜問題，繼而導致管棚偏離，無法充分發揮管棚支護作用。為避免這一問題產生，該項目施工人員決定采用水平導向跟管鉆進法，用棚管替代鉆桿，管棚選用長度10~40 m 和管徑70~80 mm 的熱軋無縫鋼管。在棚管頂端安裝導向鉆頭和角度傳感器，然后通過水平定向鉆機將棚管打入土體中。在鉆進過程中，角度傳感器持續傳出信號，施工人員根據信號鉆頭鉆進角度，確保鉆進線路符合設計圖紙要求，且注漿孔設置為梅花形，孔間距在15~20 cm，孔徑在10~16 mm。管棚施作之后，利用鋼尺測距儀檢查每節鋼管的方向和角度，確保其正確。值得注意的是，水平導向跟管鉆進法管棚施作范圍長，每次至少能夠施作在長度超過100 m 的長管棚上，不需要進行額外的擴孔操作，而且施工作業精度高，能夠及時調整鉆進角度進行糾偏，還不會對周圍土體造成較大干擾和污染，也不需要另外設置管棚工作室，是目前道路隧道支護施工中較常應用的一種施工作業方法。

4.2 超前錨桿支護技術

在隧道施工中，錨桿是十分常見的一種支護技術，發揮著穩定圍巖和隧道的重要作用。國內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，注漿質量難以保障，無法在短時間內達到早期強度。再加上我國隧道超前支護技術整體發展水平不高，超前錨桿支護質量難以保障，在抑制隧道圍巖變形方面能夠發揮的效果有限，必須加強對超前錨桿支護技術的研究實踐，最大程度上發揮該技術的支護作用[5]。

當金山隧道工程斜穿當金山和阿爾金山山脈，隧道施工區域地質條件復雜，存在不同的巖性接觸帶、斷裂帶、向斜、巖層的片理、層理以及巖體的節理裂隙等，地形起伏大且較為破碎凌亂。為充分發揮超前錨桿支護技術作用，在該隧道工程施工中，施工人員根據工程建設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。在實際施工中，施工人員采用了螺紋鋼全長黏結砂漿錨桿（直徑為22 mm）、自進式注漿錨桿，基于隧道縱向分布，在拱頂部位開挖輪廓線外特定范圍內，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系統中。

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，依照提前設定好的角度，將錨桿打入拱腳處。另外，在進行注漿操作時，為避免出現空洞問題，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。注漿結束，抽出注漿管后，施工人員立即將錨桿插入砂漿之中，結合使用套筒和風鉆幫助錨桿插入，當錨桿達到指定位置后，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。

4.3 超前注漿小導管支護技術

在隧道支護體系中，超前注漿小導管支護技術占據一定比重，主要依據隧道橫向或縱向，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，打入密排注漿鋼花管，以達到一定支護效果。在該隧道工程中，某施工區域圍巖自穩性差、強度低，地表沉降變形大，有一定坍塌風險，施工人員決定采用超前注漿小導管支護技術，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°，并預留梅花形注漿孔，用以提升圍巖物理學性能，提升圍巖穩固性。在工程實踐中，施工人員在開挖時采用臺階法工藝，利用鉆機在掌子面進行鉆孔，安裝超前小導管，最后利用壓漿機進行注漿，形成鋼管混凝土結構，加固隧道拱頂部位。

4.4 排水輔助支護技術

在隧道超前支護技術應用中，做好排水設施是保障支護和工程順利實施的關鍵。根據前期勘察，該工程施工區域地下水主要為基巖裂隙水，分布區域存在較大差異，且第四系松散堆積層孔隙潛水主要分布在隧道進、出口段，預計隧道單洞正常涌水量為1 000 m3/d。為盡可能降低地下水對隧道支護施工的干擾，施工人員根據隧道設計圖設置適當橫向排水管和排水濾層，將隧道內和隧道進出口段的水流引向盲溝，取得了良好的排水效果。同時，施工人員還應用了防水板全自動鋪掛臺車，鋪設美觀、平順，而且自動掛設，大大提高了工作效率，節省了人工成本，具有節省時間、提高質量和效益的效果。

5 結語

在道路隧道施工中，超前支護技術的應用具有加固圍巖、抑制巖體裂縫、保障隧道結構穩定性的作用，但同時，該技術施工工序復雜，施工難度高，施工人員必須加強工程前期勘察工作，全面了解施工區域地質條件、氣候、施工條件等，選擇適宜的超前支護技術，嚴格遵循施工工序，最大程度上發揮超前支護控制技術作用，助力隧道工程順利開展。