隧道工程開挖支護(hù)施工技術(shù)研究

李德增

摘 要：結(jié)合G0711烏魯木齊至尉犁高速公路天山勝利隧道施工，通過隧道開挖支護(hù)施工特點、支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)展、開挖支護(hù)技術(shù)分析和研究，進(jìn)而掌握隧道開挖支護(hù)施工技術(shù)要點。在隧道施工時，應(yīng)當(dāng)對隧址區(qū)地形、地貌與地質(zhì)進(jìn)行全面考慮，一定要將超前地質(zhì)預(yù)報和監(jiān)控量測工作做到位，以此來提升隧道的施工質(zhì)量和安全。應(yīng)對隧道施工的每一道工序質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，進(jìn)而確保隧道工程施工的順利進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：烏尉高速公路；隧道開挖支護(hù)；施工技術(shù)

中圖分類號：TU74 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）02-0040-03

0 引言

烏尉高速公路天山勝利隧道是一座超長高速公路隧道，位于新疆烏魯木齊市西南側(cè)天山腹地，穿越天格爾峰。隧道進(jìn)口位于G216國道望峰道班附近，為烏魯木齊河谷底部斜坡，高程2 772 m。穿越天山勝利達(dá)坂后，隧道出口位于烏拉斯臺村南疆鐵路烏斯托火車站東側(cè)下方緩坡處，高程2 897 m。隧道全長22 105 m，最大埋深1 102 m，按照雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，隧道主洞采用鉆爆法施工。

隧道屬于地下隱蔽工程施工作業(yè)，存在極高的復(fù)雜性、風(fēng)險性，極易造成施工過程的危險事故。所以，要想進(jìn)一步提升工程施工的安全性，就應(yīng)當(dāng)對洞口和洞身施工根據(jù)實際情況選擇合適的開挖和支護(hù)施工工藝。也可以根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報，來采取不同方式相結(jié)合的方法施工，對施工技術(shù)要點進(jìn)行嚴(yán)格管控，進(jìn)而推動隧道工程施工的順利開展[1]。

1 隧道施工特點

隧道施工具有極強(qiáng)的多變性，施工現(xiàn)場的地質(zhì)條件與工程建設(shè)的順利開展有著十分緊密的聯(lián)系。一些施工現(xiàn)場經(jīng)常性存在許多不良地質(zhì)現(xiàn)象，例如逆流、突泥、涌水、斷層破碎帶、溶洞等，若未進(jìn)行充分勘察就進(jìn)行施工作業(yè)，非常容易引發(fā)施工事故。工程建設(shè)所在區(qū)域的地質(zhì)情況也會不斷變化，部分區(qū)域表面看上去屬于正常的地質(zhì)狀況，很可能會存在不良的地質(zhì)夾層，為工程施工埋下了安全隱患，嚴(yán)重影響了工程施工的安全性。

在開展隧道施工時，各環(huán)節(jié)之間有著較強(qiáng)的連續(xù)性，要想開展二次修復(fù)工作困難較大。隧道工程經(jīng)常會在河流、溶洞以及溝壑等位置施工，在這些位置用水用電都十分困難，因此需要在施工中做好充分準(zhǔn)備，才可以確保后續(xù)施工的順利進(jìn)行。

通常情況下，隧道施工現(xiàn)場的作業(yè)空間都非常小，且施工場地粉塵多，能見度比較低，施工過程中噪聲過大，會造成工作人員聽覺上的不適。操作環(huán)境潮濕陰暗、場地過小將很難使用大型的機(jī)械設(shè)備等[2]。隧道凈空斷面尺寸的問題，導(dǎo)致很多施工的環(huán)節(jié)在操作工序上都出現(xiàn)了干擾，使得多道施工無法同時進(jìn)行。

2 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程

傳統(tǒng)的地下建筑基本都會通過磚石材料來實現(xiàn)支護(hù)，一般為拱形結(jié)構(gòu)。混凝土和鋼材在建筑行業(yè)被大量使用，錨桿支護(hù)技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，混凝土噴射技術(shù)得到了推廣，同時和錨桿支護(hù)技術(shù)融合，變?yōu)橐环N新型支護(hù)技術(shù)，并在隧道的初期支護(hù)當(dāng)中得到了普遍應(yīng)用。該技術(shù)主要是以錨桿和噴射混凝土組合在一起，將作為主要支護(hù)手段的一種施工方法，可以使圍巖自穩(wěn)能力得到進(jìn)一步改善和提升。在施工初期，該技術(shù)會在表面鋪設(shè)防水層，而最內(nèi)層會通過混凝土結(jié)構(gòu)來進(jìn)行支護(hù)。通過初期的支護(hù)可以使施工過程中的安全性以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到保障，而最內(nèi)層的混凝土結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提升隧道使用過程中的安全性。

3 開挖支護(hù)技術(shù)重要性

3.1 提升隧道開挖的安全

對于隧道工程來說，大部分施工現(xiàn)場都處于山區(qū)地下位置，施工環(huán)境十分復(fù)雜，很多工程還會在山體當(dāng)中進(jìn)行施工，甚至在巖石上施工，難以確保工程施工的安全性。因此在開展隧道開挖作業(yè)時，應(yīng)當(dāng)利用支護(hù)的方式來有效加固隧道圍巖結(jié)構(gòu)，以此來提升隧道結(jié)構(gòu)的安全性，確保隧道工程施工作業(yè)安全、順利進(jìn)行。

3.2 提升圍巖穩(wěn)定性

在對隧道開挖支護(hù)進(jìn)行施工，不僅可以使隧道施工的安全性得到不斷加強(qiáng)，還可以進(jìn)一步提升隧道周圍巖體的牢固性。大部分隧道工程，施工周期較長，在開展開挖作業(yè)以后，隧道周圍的圍巖應(yīng)力將會重新分配，影響巖體穩(wěn)定性，給施工安全埋下隱患。通過隧道初期支護(hù)加強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性，可以有效降低周圍環(huán)境對隧道巖體的影響，保障圍巖穩(wěn)定，提升施工安全。

4 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)分析

4.1 襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)

襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)主要是通過與隧道圍巖進(jìn)行緊密貼合，在襯砌和周圍巖體接觸以后產(chǎn)生作用，利用協(xié)調(diào)松動巖體的變形來保證圍巖的穩(wěn)定性。襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)主要是拱形、閉合環(huán)形的一種結(jié)構(gòu)形式，這種結(jié)構(gòu)自身具備極強(qiáng)的柔韌性和整體性，能夠?qū)鷰r的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行良好的改善，通過釋放局部集中的應(yīng)力來對圍巖的變形進(jìn)行控制。襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠通過其閉合式的結(jié)構(gòu)，對圍巖整體起到支撐作用。在完成支護(hù)結(jié)構(gòu)施工以后，能夠?qū)鷰r的應(yīng)力進(jìn)行再次分配，使其應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生變化，通過與隧道周圍巖體進(jìn)行緊密貼合來協(xié)調(diào)圍巖變形。對于襯砌所約束的巖體來講，其變形量的大小主要取決于隧道周圍巖體和支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的相互作用力，支護(hù)結(jié)構(gòu)可以阻止其發(fā)生變形或位移。

4.2 超前管棚支護(hù)技術(shù)

超前管棚支護(hù)技術(shù)主要應(yīng)用在軟弱圍巖等不良地質(zhì)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(jié)構(gòu)。在擬開挖隧道的外圍周邊隱形弧線上，先沿著開挖輪廓利用管棚鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，并打入鋼管。隨后在管內(nèi)注入水泥砂漿，以提升圍巖物理參數(shù)，使其形成傘狀加固圈，以改善圍巖所處應(yīng)力場和掌子面應(yīng)力場。

該技術(shù)具有支護(hù)距離長、加固技術(shù)好、經(jīng)濟(jì)成本低、施工便捷等優(yōu)勢，是近些年新發(fā)展起來的一種隧道施工輔助技術(shù)。超前管棚支護(hù)技術(shù)主要設(shè)備和材料包括鋼管、管棚鉆機(jī)、夯管錘等。具體施工工序為：施工準(zhǔn)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(hù)施工中，主要利用鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔作業(yè)，在架設(shè)鉆機(jī)時，確保與鉆進(jìn)線路中心線保持一定仰角，避免出現(xiàn)偏移或者傾斜問題，進(jìn)而導(dǎo)致管棚偏離，無法充分發(fā)揮管棚支護(hù)作用。為避免這一問題產(chǎn)生，應(yīng)采用水平導(dǎo)向跟管鉆進(jìn)法，用棚管替代鉆桿，管棚選用長度10～40 m和管徑70～180 mm的熱軋無縫鋼管。在棚管頂端安裝導(dǎo)向鉆頭和角度傳感器，然后通過水平定向鉆機(jī)將棚管打入土體或巖體中[3]。在鉆進(jìn)過程中，角度傳感器持續(xù)傳出信號，施工人員根據(jù)信號控制鉆進(jìn)角度，確保鉆進(jìn)角度和方向符合設(shè)計圖紙要求。管棚施作之后，利用鋼尺測距儀檢查每節(jié)鋼管的方向和長度，確保準(zhǔn)確無誤。

4.3 鋼拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)

鋼拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型主要是以拱形為主，在通過鋼拱架結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)時，需要充分分析巖體的應(yīng)力狀態(tài)，明確鋼拱架模型。通過對鋼拱架進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，再加上對鋼拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)和隧道圍巖接觸的位置進(jìn)行剛性連接，可以使鋼拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力更加穩(wěn)定。在實際施工過程中，鋼拱架和圍巖之間常會出現(xiàn)縫隙。針對這種情況，可通過木楔填塞的方式來解決。對于鋼拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)而言，在支護(hù)的前期具有較高的強(qiáng)度及剛度，能夠有效地控制圍巖的變形，并且它可以與襯砌配合起來共同作用，有效地擴(kuò)寬支護(hù)體系整體的承載范圍。

5 隧道工程開挖支護(hù)施工技術(shù)研究

5.1 超前地質(zhì)預(yù)報

超前地質(zhì)預(yù)報能夠?qū)λ淼朗┕さ幕A(chǔ)工作提供很大幫助，為管理人員提供準(zhǔn)確的地質(zhì)預(yù)報信息，以此來提升現(xiàn)場施工管理工作。對于隧道開挖作業(yè)而言，應(yīng)當(dāng)在施工之前結(jié)合地質(zhì)勘察與超前地質(zhì)預(yù)報的一系列信息，來選擇合適的開挖支護(hù)方法，制定合理的施工進(jìn)度計劃，施行全過程、無縫隙監(jiān)測。現(xiàn)場施工管理人員應(yīng)與地質(zhì)預(yù)測、預(yù)報等部門進(jìn)行充分溝通，以此來及時調(diào)整施工工藝和進(jìn)度計劃，保證工程施工作業(yè)的順利開展。

5.2 全斷面開挖法

全斷面開挖法主要是按照設(shè)計斷面一次基本開挖成形的施工方法。它需要通過全方位支護(hù)來進(jìn)行施工。應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行施工，對施工現(xiàn)場的巖層條件有一定要求，要求圍巖必須達(dá)到I-IV級。以IV級圍巖為例，要想通過全斷面開挖法進(jìn)行施工，圍巖就一定要具有從開挖初期到支護(hù)完成整個階段保持穩(wěn)定狀態(tài)的條件，這樣才能保證施工安全。在經(jīng)濟(jì)層面，大型機(jī)械設(shè)備投入到施工當(dāng)中會嚴(yán)重增加施工成本。除此之外，還應(yīng)當(dāng)確保機(jī)械設(shè)備的配套性，以此來提升施工效率以及施工質(zhì)量和安全[4]。全斷面施工技術(shù)的優(yōu)勢十分明顯，那就是作業(yè)面的空間相對較大，能夠通過大型機(jī)械設(shè)備進(jìn)行施工，進(jìn)而降低施工作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度。同時，全斷面開挖法的工序也非常簡單，對于周圍圍巖的干擾非常小，施工管理十分方便，可以有效確保工程施工的質(zhì)量和進(jìn)度。不過該方法也存在一定的局限性，并且施工時機(jī)械化程度較高，要求施工組織十分嚴(yán)密[5]。

5.3 爆破控制

對于隧道施工來說，爆破是一項非常重要的作業(yè)環(huán)節(jié)，通過爆破技術(shù)可以有效提升隧道工程施工的效率，保障工期。不過，這種高效率的施工技術(shù)可能會在工程施工時引發(fā)安全事故。爆破技術(shù)雖然進(jìn)一步提升了施工效率，但由于其威力巨大，若是無法對其作業(yè)范圍進(jìn)行控制，就會對整個施工流程產(chǎn)生較大影響，嚴(yán)重的還會引發(fā)塌方事故[6]。因此，在開展爆破作業(yè)之前，應(yīng)當(dāng)對爆破作業(yè)開展科學(xué)爆破設(shè)計，完善爆破方案，防止由于爆破而引發(fā)安全和質(zhì)量事故。應(yīng)準(zhǔn)確計算爆破裝藥量，對炮孔布設(shè)進(jìn)行準(zhǔn)確計算，降低爆破對于周圍產(chǎn)生的影響，提升工程施工的安全性。

5.4 變形控制

要想進(jìn)一步提升隧道的穩(wěn)定性，就需要通過更加先進(jìn)的技術(shù)，來增強(qiáng)隧道的抗塌方以及變形能力。這就要求對施工現(xiàn)場的地質(zhì)情況予以全面掌握，將前期的地質(zhì)勘察工作做到位，并對施工現(xiàn)場出現(xiàn)坍塌事故的概率進(jìn)行深入研究，明確事故發(fā)生率相對較大的位置，制定相應(yīng)的預(yù)防措施。施工人員需要通過超前支護(hù)和錨桿支護(hù)等方式來避免隧道圍巖出現(xiàn)變形，規(guī)避塌方事故，進(jìn)一步增強(qiáng)工程的施工質(zhì)量以及安全性[7]。

5.5 隧道防排水施工

隧道防排水應(yīng)遵循“防、排、截、堵相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則，保證隧道結(jié)構(gòu)物和設(shè)備的正常使用和行車安全，并對地表水、地下水妥善處理，形成一個完整通暢的防排水系統(tǒng)[8]。

隧道內(nèi)部積水會對隧道耐久性和行車安全產(chǎn)非常大影響，防排水系統(tǒng)的設(shè)計和施工質(zhì)量控制相當(dāng)重要，必須第一時間排除隧道內(nèi)部積水。防排水施工進(jìn)行之前，應(yīng)當(dāng)通過噴射混凝土封閉隧道圍巖，以此來改善巖層裂縫問題，并利用邊溝排出低洼位置的積水。隧道開挖施工之前必須在洞口的上方設(shè)置截水溝，并按照設(shè)計要求組織施工，防止隧道上方坡面水流沖刷隧道邊仰坡，進(jìn)而對隧道安全造成安全隱患。對于邊坡坡面，應(yīng)按照設(shè)計要求或利用噴射混凝土予以防護(hù)施工，避免出現(xiàn)滲漏水的現(xiàn)象[9]。在止水帶、止水條施工的過程中，需要保證其具備較好的平順度，結(jié)合施工實際情況來對止水帶的長度進(jìn)行設(shè)計，并對接頭位置進(jìn)行密封處理。

6 結(jié)語

隧道施工本身就存在極高的安全風(fēng)險，這就要求嚴(yán)格控制每一道工序的施工質(zhì)量，并結(jié)合現(xiàn)場實際地質(zhì)情況、施工機(jī)械設(shè)備、施工材料、勞動力數(shù)量選擇合適的施工工藝進(jìn)行施工，確保工程施工的質(zhì)量和安全。

隨著時代的發(fā)展和社會的進(jìn)步，山區(qū)公路長大隧道越來越多，社會各界對隧道工程施工質(zhì)量和安全的關(guān)注度越來越高，隧道施工技術(shù)也越來越先進(jìn)，工作人員應(yīng)當(dāng)熟練掌握隧道開挖支護(hù)施工技術(shù)，進(jìn)而不斷改進(jìn)和提高隧道施工水平，以滿足社會各界的需求。

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