路橋隧道工程開挖支護的施工要點研究

夏國燕， 趙煒鋒， 方露妮

(1.杭州蕭山城市建設投資集團有限公司，浙江 杭州 311200； 2. 杭州蕭山城市基礎設施建設有限公司，浙江 杭州 311200； 3.浙江明燧科技有限公司，浙江 杭州 311400)

0 引 言

在隧道施工過程中，由于現場作業環境復雜，為確保作業環境的安全，在施工過程中需要應用多種開挖支護技術，來對隧道內部的支護結構進行構建[1]。但隧道施工工序復雜、施工要點眾多，且會受到多種影響因素而導致安全事故的發生，因此本文以隧道開挖支護施工為研究對象，重點對其施工要點進行分析。

1 隧道開挖支護施工綜述

1.1 隧道施工的特點

隧道施工工藝復雜且施工難度大[2]，具體體現在以下幾個方面：

(1) 隧道施工影響因素眾多且不可預測，尤其是地質條件對隧道施工的影響尤為明顯，若未探明并全面掌握，就無法對施工區域內的不良地質病害進行有效的預測及應對。

(2) 隧道施工不可避免地會對原有地質結構造成破壞，甚至可能會帶來塌方等安全事故。

(3) 由于隧道施工環境處于地下，隱蔽性強，各施工工序之間緊密關聯且環環相扣，后一道工序會覆蓋前一道工序，如果一些較為隱蔽的風險未及時發現并處理，會給后續工作的開展帶來影響。

1.2 隧道支護結構的發展歷程

早期的地下建筑多采用磚石材料進行支護，多為拱形圬工結構。而隨著混凝土與鋼材的出現，地下建筑的支護施工進入了新階段，形成了錨桿支護技術，最初用于對礦山巷道的加固。而隨著噴射混凝土技術的出現，并與錨桿支護技術相互配合使用，形成了一種具有鮮明特點的新型支護技術，常用于隧道的初期支護[3]。新奧法建立在錨噴支護的基礎之上，以噴射混凝土及錨桿作為主要支護方法，在施工期間對圍巖變形進行監控測量，充分發揮其自穩能力。新奧法在初期支護表面鋪設防水層，最內層采用混凝土結構作為永久支護。其中初期支護的主要功能是確保施工期間的安全與結構的穩定，永久支護則是確保隧道在使用期間的安全。

1.3 隧道施工不良地質災害

1.3.1 巖爆

巖爆是指在隧道開挖施工過程中，承受高應力的脆性巖體因隧道開挖施工的擾動，內部存儲的彈性應變能急劇釋放而出現的開挖空間周圍的巖石松動、剝落甚至是彈射拋擲的現象。巖爆多發生在Ⅱ、Ⅲ級圍巖段[4]。對于巖爆形成的機制，目前主要有以下三種理論。

(1) 強度理論。強度理論認為隧道開挖之后會導致周圍巖體內部出現應力集中現象，當巖體的極限強度無法抵抗其內部應力，就會導致巖體突然發生破壞，即巖爆現象。

(2) 剛度理論。剛度理論源于剛性壓力機的出現，采用剛性壓力機進行壓縮試驗，則試樣的破壞并不猛烈。究其原因，是由于試件剛度大于試驗機剛度。剛度理論即將這一結果應用于巖爆形成的機制中，但剛度理論多用于對煤礦沖擊地壓與礦柱巖爆問題進行研究，在公路隧道中應用較少。

(3) 沖擊傾向性理論。沖擊傾向性理論采用巖體的物理力學指標對巖爆的發生進行預測，當巖體的實際沖擊傾向度大于規定的極限值，便產生沖擊地壓。沖擊傾向度的度量參數主要有彈性應變能指數、脆性指數、有效沖擊能指數等。

1.3.2 斷層

巖石因受到地應力的作用而出現變形，隨著變形的持續變大，會破壞巖石的連續性與完整性，形成不同程度的斷裂。斷層則是指巖石因受到構造運動的影響而發生斷裂，并出現明顯位移現象的斷裂構造，如圖1所示。斷層會對隧道圍巖的穩定性帶來直接影響，而密封條件好的斷層破碎帶則為瓦斯等有害氣體提供了良好的貯存條件。

圖1 斷層構造

1.3.3 巖溶

巖溶即喀斯特，是可溶性的碳酸鹽類巖層在地表水及地下水的侵蝕、崩解以及機械破壞、搬運及沉積作用下出現的溶蝕現象，如圖2所示。根據巖溶的形態規模、填充特性以及涌水量等，可將其進行分類，見表1。

表1 巖溶分類

圖2 隧道涌水

巖溶對隧道施工的影響主要來自于巖溶水、巖溶洞穴及其填充物，主要有以下三方面的危害：

(1) 隧道圍巖范圍內的巖溶水會導致圍巖的工程地質條件與水文地質條件發生變化，降低其強度，誘發涌水突泥事故的發生，而且巖溶水還會對隧道支護結構帶來腐蝕。

(2) 溶洞導致了隧道圍巖的物理力學性質發生變化，引發隧道巖層的剛度及應力場的變化，尤其是在溶洞周邊會出現應力集中現象，引發圍巖變形量的增大。

(3) 溶洞會導致隧道結構出現部分懸空現象。

1.3.4 涌水

在隧道開挖過程中，由于含水層結構的破壞，圍巖力學平衡及水動力條件發生急劇變化，引發地下水所存儲的能量以水流高速移動的形式瞬間釋放而形成的一種動力破壞現象，即涌水。研究表明，涌水多發生在斷層破碎帶、溶洞及暗河區域。當涌水中含有大量的泥質物質時，即為突泥，經常會引發重大安全事故。隧道涌水與施工影響、地形地貌、圍巖巖性、地質構造及隧道的長度及埋深有直接關系。

1.3.5 塌方

塌方是指隧道開挖施工期間洞頂圍巖塌陷、側壁滑移的現象，嚴重時甚至發生冒頂等現象，包括圍巖塌方與支護結構塌方兩方面。塌方作為隧道施工中最為常見的安全事故，其成因復雜、危害性高且難以治理，但歸根到底是由地質因素所決定的。隧道塌方由于分類標準的不同，塌方類型也存在差異，主要有以下幾種分類方法。

(1) 按塌方體積及塌腔高度分類。根據塌方體積及塌腔高度可將隧道分為三類，即小塌方、中塌方及大塌方，見表2。

表2 塌方分類

(2) 按塌方區域分類。按塌方區域可將隧道塌方分為拱頂塌方、側壁塌方及掌子面塌方。其中拱頂塌方多發生在隧道剛開始開挖，初期支護未來得及施工或者是剛施工完畢，隧道洞身上部的圍巖由于開挖而出現臨空面，導致其失去支撐而發生垮塌。側壁塌方通常發生在隧道洞身的拱腰處，其產生的主要原因是相對完整但垂直節理較為發育的圍巖在隧道開挖之后會出現塑性變形區，導致垂直節理不斷發育，最終形成縱向貫通的裂縫引發塌方，而對于破碎的圍巖，若開挖之后未及時進行初期支護，經常會形成大范圍的塌方。掌子面塌方是由于前方巖體較破碎，引發掌子面因失穩而塌方。

1.3.6 偏壓

偏壓是因隧道結構左右兩側所受到的荷載不同而引發的結構內力不對稱現象，多發生在隧道洞口淺埋段，由于地形所導致。偏壓產生的主要原因有地形原因、地質原因及施工原因三種。

(1) 地形原因。對于傍山的隧道，由于地面傾斜導致側壓力大，如果隧道埋深較淺就會形成偏壓。因地形原因導致的偏壓是由于重力場所導致的，包括穩定地形偏壓與蠕變地形偏壓。

(2) 地質原因。若圍巖產狀傾斜且節理發育，加之存在軟弱結構面或滑動面，導致其自穩能力差，在隧道施工中一旦受到擾動，就會導致巖體沿著節理面出現滑動，如圖3(a)所示。

(3) 施工原因。施工方法不當打破圍巖壓力的穩定狀態，引發應力集中，或者是隧道開挖時存在超挖現象且并未對超挖部分進行回填，就會導致圍巖出現脫落而對支護結構造成沖擊，從而導致偏壓的出現，如圖3(b)所示。

2 隧道開挖支護施工要點

2.1 開挖施工技術及要點研究

2.1.1 全斷面開挖

全斷面開挖技術一次性開挖整個隧道洞身斷面[5]，開挖操作簡單，還可有效地保證隧道開挖施工的質量，應用比較廣泛。需要注意的是，全斷面開挖施工前需要先進行全斷面鉆孔并裝藥引爆，隧道洞身開挖往前推進一段距離之后需要重復上述過程。同時在開挖期間還需要設置防水隔離層，并且要對已開挖的部分及時進行支護，確保隧道的穩定性。在引爆時，人員需要撤出洞外，鉆孔臺車距離爆破點位置最少要保持50 m的安全距離，避免受到爆破的影響。

2.1.2 分部開挖

分部開挖是一種采用引導坑開挖掘進的方式，簡單來說就是將隧道開挖分為兩部分，其中一部分先行開挖與支護，另一部分待先行開挖部分完成后再開始施工。首先采用引導坑對隧道洞身斷面的其中一部分進行開挖，將工作面向前推進，然后進行必要的支護，待已開挖隧道部分支護完成之后才可進行剩余部分的開挖。這種開挖方法相對而言安全性更有保障，適用于對一些特殊土層進行開挖。

2.1.3 長臺階法

長臺階開挖多用于地形特殊的Ⅰ～Ⅲ級圍巖隧道的開挖施工，這種方法最大的特點是開挖面積小而作業面長度大，在開挖施工過程中對隧道圍巖穩定性影響較小。長臺階開挖的施工長度通常控制在100 m以內，在施工期間還需要采用支護結構來配合施工。在長臺階開挖施工時，需要注意做好掌子面處的排煙與排水工作。

2.1.4 短臺階法

短臺階法用于對圍巖等級在Ⅳ級及以上隧道的開挖施工，由于等級高的圍巖穩定性差，且傳遞荷載低，若開挖長度過大易引發隧道塌方，因而采用縮短開挖臺階長度的方法進行施工。由于開挖作業面短，且開挖完成之后立即進行支護施工，能夠有效地確保開挖施工期間隧道的安全性與穩定性。

2.1.5 超短臺階法

Ⅴ級、Ⅵ級圍巖由于穩定性非常差，在隧道開挖過程中容易發生塌方，給施工人員及機械帶來嚴重的安全威脅。超短臺階法可很好地解決這些問題，在開挖施工中及時支護，形成密集的支護環境[6]，確保開挖施工期間的安全性。經過大量的工程實踐證明，短臺階開挖法用于圍巖完整性很差的隧道施工具有很好的成效，但是支護結構會給施工質量帶來很大的影響。

2.2 隧道支護結構研究

2.2.1 隧道圍巖支護體系

(1) 隧道圍巖支護體系的構成。隧道圍巖常用的支護體系由復合圍巖結構和復合支護結構組成，其中復合圍巖結構包括原巖、深層圍巖與淺層圍巖，復合支護結構由初期支護與二次襯砌組成[7]。確保淺層圍巖的穩定是隧道開挖穩定性控制的關鍵。軸向壓力由圍巖和支護結構共同進行承擔，其中圍巖是承載軸向壓力的主體，要確保其自穩能力。首先是支護結構能防止淺層圍巖因變形而出現破壞，確保其穩定性；其次是在隧道開挖之后允許圍巖出現可控的塑性變形，并在合適的時機進行支護施工，最大限度發揮圍巖的自穩能力。

(2) 支護結構的功能及機制。支護結構的基本功能為確保隧道斷面的使用凈空，承受各種荷載。其中“支”是指支護結構給隧道圍巖應力狀態帶來變化，改變受力狀態，使其從單向受力變為雙向受力或者是從雙向受力變為三向受力，進而提高了圍巖的穩定性及安全性，如圖4(a)所示。而“護”則是改變了圍巖的力學性能，進而提高隧道結構的穩定性，如圖4(b)所示。

圖4 支護體系作用機制

2.2.2 隧道支護設計方法研究

(1) 收斂約束法。收斂約束法即特性曲線法，是新奧法與連續介質理論的實踐成果，能夠貼合地對圍巖和支護結構之間的相互作用進行反映。通過對圍巖的變形進行測量分析，確定最佳支護時機與強度，準確地預估支護結構和巖層的穩定性。但這種方法停留在定性描述階段，還需要進行完善及改進。

(2) 荷載結構法。荷載結構法通過建立模型對支護結構在圍巖荷載作用下的受力及變形情況進行計算，首先通過對巖層進行分類來確定其壓力，在保障支護結構能安全承受壓力的前提下以彈性地基理論計算結構內力，進而進行支護結構設計。該方法適用于對圍巖自穩能力較差的隧道支護結構進行設計，計算邏輯清楚，結果可靠。

(3) 地層結構法。地層結構法以巖土彈塑性理論為基礎，將圍巖與支護結構視作連續整體，建立隧道的平面應變力學模型，是現階段應用較為廣泛的設計方法，包括解析法與數值法兩種。地層結構法不僅考慮圍巖自身的承載能力，還綜合考慮了其與支護結構之間的相互作用，可對支護結構內力與圍巖變形進行模擬，與工程實際最為貼合。地層結構法不能很好地反映自穩能力較差的軟弱圍巖承載能力，因此不適用于軟弱圍巖隧道支護結構設計計算。

2.2.3 支護施工技術及要點研究

(1) 錨桿。錨桿的位置布設需要根據圍巖等級、風化程度以及巖層狀態等，從理論角度來分析，錨桿的布設方向、間距以及長度均需要與巖層面垂直，以便充分發揮錨桿的作用。在設計施工中，需要根據圍巖的水文地質條件對錨桿長度及間距進行調整，避免出現錨桿過剩或者不足的問題，消除安全風險。在進行錨桿施工時，要確保錨桿的孔深、位置及布置位置的準確性，在進行鉆孔施工時要及時地排除孔內的積水。

(2) 噴射混凝土。隧道開挖之后，要及時地進行噴射混凝土處理，盡快閉合圍巖，確保其穩定性滿足要求，噴射混凝土要分層操作，且完成噴射之后必須要及時進行養護。噴射混凝土采用濕噴作業，應按照設計流程范圍加入速凝劑，噴嘴要與圍巖面保持垂直，噴射距離控制在0.8～1.2 m，遵循從上至下的原則分段進行施工。在進行仰拱部分的混凝土噴射時，可采用臺階法進行噴射施工，先噴射拱腳部分，后噴射拱頂部分，噴射長度控制在4 m之內。在噴射混凝土過程中，若發現圍巖面存在不平整現象，應優先噴射凹陷部分。

(3) 鋼筋網。鋼筋網多用于和錨桿組合使用，能夠進一步提高錨桿支護的穩定性，消除錨桿支護無法達到的盲區。采用鋼筋網對錨桿的空隙位置進行支護處理，加強圍巖的質量，還可與噴射混凝土組合使用。鋼筋網進行綁扎之前，首先要檢查鋼筋是否存在銹蝕現象。鋼筋網的鋪設遵循隨高就低原則，緊貼初噴面布設，如果有鋼支撐則將其放置在兩側的鋼外弧處并與其進行點焊，若無鋼支撐，則在圍巖打膨脹螺栓，將鋼筋網片固定在膨脹螺栓上并與錨桿尾部進行點焊[8]。

(4) 超前小導管。超前小導管的支護原理是通過在巖層中打入小導管，通過注漿泵施加壓力，漿液順著小導管的孔洞滲透至巖層縫隙中，以此來改變其物理力學性能。經過注漿加固的巖層不僅能夠起到止水的效果，還可以在開挖面周圍形成一個承載殼[9]。與此同時，超前小導管還視為縱向錨桿，能夠延長圍巖的自穩時間，限制其松弛程度。超前小導管在隧道拱部120°范圍內環向布設，其環向間距宜為0.4～0.5 m，外傾角控制在10°～12°。在進行小導管施工之前，首先要進行布孔，鉆孔完成之后才可進行小導管的安裝。

(5) 鋼拱架。鋼拱架的承載力高，用于隧道支護時能很好地發揮支護作用。作為一種常用的支護形式，鋼拱架支護多采用鋼筋格柵、工字鋼以及U形鋼等形式。采用鋼拱架支護時，首先要安裝拱部的鋼拱架，以方便拱部與下部拱架之間的連接。在完成隧道下部的開挖之后，要及時安裝邊墻拱架，并通過縱向連接筋將已安裝的拱架連接成為一個整體。拱架安裝的誤差對其支護效果有直接影響，垂直度偏差小于2°，縱向、橫向及高程誤差不得超過5 cm。

3 結束語

隨著近年來公路建設工作的大力推進，加之技術標準的提高，盤山繞行方案在山區公路建設中已很少采用，取而代之的是隧道方案。特別是中西部地區山區公路建設工作的大力推進，隧道開挖支護問題已成為公路建設中一項不容忽視的難題。本文通過對隧道支護的特點及施工期間常見的地質災害現象進行研究，并對常用的隧道開挖支護技術及其要點進行分析，能夠對隧道的施工提供一些參考及建議。