軟弱結構條件下支護技術應用

摘要：在引水隧洞施工過程中，如果圍巖不穩定會導致施工難度上升。本文深入分析了軟弱結構條件下常用的施工支護技術。在軟弱結構條件下進行隧洞開挖施工作業時，需要對軟弱結構的具體情況進行分析，明確適合的支護方式。本工程應用鋼架結構作為主要支護材料，針對隧洞特點、地質條件，將銑挖機開挖和人工開挖進行有效結合，利用高強度、輕重量、可升降的安全防護棚輔助施工，提高施工效率的同時，降低了隧洞開挖和支護過程中存在的安全風險。

關鍵詞：軟弱結構；支護技術；隧洞

中圖分類號：U455.4""" 文獻標識碼：A""""""""""" 文章編號：

Under the Condition of Weak Structure Supporting Technology Application

Abstract： During the construction of diversion tunnel， if the surrounding rock is unstable， the construction difficulty will increase. In this paper， the commonly used construction support technology under the condition of weak structure is deeply analyzed. It is necessary to analyze the concrete condition of the weak structure and determine the suitable support method when the tunnel excavation is carried out under the condition of weak structure. In this project， steel frame structure is used as the main supporting material. According to the characteristics and geological conditions of the tunnel， the excavation of milling machine and manual excavation are effectively combined， and the construction is assisted by the safety protection shed with high strength， light weight and can be lifted， which improves the construction efficiency and reduces the safety risks in the process of tunnel excavation and support.

Keywords： weak structure;support technology;tunnel

0 引言

在軟弱結構條件下開展支護施工作業時，需要全面掌握軟弱結構的具體特點及施工難點，才能夠根據實際情況采取科學合理的支護施工技術，提升軟弱結構條件下支護技術的應用效果，從而為后續隧洞開挖施工提供有利條件。

1 軟弱結構特點分析

1.1 工程概況

本文以青海省引大濟湟北干二期支渠工程項目為例，在該項目施工過程中，設計引水隧洞6座，總長度為5 018 m，其中最長的隧洞為1 433.5 m。該工程項目的地質條件為卵礫石、黃土、粘土巖。在本次施工過程中選擇兩條隧洞進行深入分析，其中一條隧洞長度為1 433.5 m，屬于長隧洞，為第四系高階地沖洪積卵礫石層，該層砂礫石厚度大，分布連續，微膠結，為泥、鈣質膠結，砂礫石透水性較強，無地下水活動或活動輕微。另一條隧洞長度為448.39 m，為短隧道，隧洞進口和洞身段為第四系高階地沖洪積卵礫石層，該層砂礫石厚度大，微膠結，為泥、鈣質膠結，砂礫石透水性較強；出口段為風積黃土，厚度約15 m，該黃土地基濕陷等級為Ⅲ級。兩條隧洞的圍巖類型均為V類圍巖。隧洞斷面為城門洞型，斷面尺寸為2.78 m×2.84 m（寬×高）。

在隧洞初期支護過程中，需要利用間距80 cm鋼拱架（H140 mm×80 mm）、波浪形噴射混凝土加鋼筋網片支護，噴射厚度為10 cm。鋼筋網片采用Ф8 mm鋼筋，網片規格尺寸為20 cm×20 cm；邊墻拱架設鎖腳錨桿，錨桿采用Ф18 mm鋼筋，長度1.5 m，間距80 cm，如圖1所示。

在支護施工過程中，需要根據施工現場進行確定具體的施工流程，見圖2。

1.2 軟弱結構變形機制

一般情況下，軟弱圍巖隧洞在開挖過程中圍巖應力狀態變化是導致圍巖變形的重要原因。圍巖應力狀態受圍巖力學參數、支護力的影響相對較大[1]。現階段，在隧洞施工中更加重視以鋼拱架和噴射混凝土為主形成初期支護和二次襯砌的支護體系。這一支護體系雖然可以為圍巖提供有效的支護力，但會導致圍巖無法發揮其自身承載能力，圍巖變形也比較大，存在較多安全隱患。

導致軟弱圍巖應力變化的因素較多，圍巖自身的力學特性和開挖施工過程中的擾動情況及支護類型等都會對圍巖的變化產生一定影響。軟弱圍巖變形是比較復雜的力學演化過程。在隧洞開挖過程中，如果產生較大振動，圍巖應力狀態會出現變化，導致圍巖物理力學參數降低，使圍巖變形。圍巖變形會使圍巖裂隙擴張，如果受地下水影響，會導致力學性能下降。

對軟弱圍巖變形機制進行分析，可以明確開挖后圍巖力學參數降低、支護力提供不及時等情況會對圍巖的穩定性和承載力產生直接影響。因此，在開展軟弱結構下支護施工過程中也要從這兩方面出發，保證支護體系的合理性，提高軟弱圍巖結構的穩定性。

2 隧洞支護開挖施工意義

在隧洞建設過程中開挖支護是保證工程建設順利進行的重要基礎。隧洞建設一般是在一些地質條件比較復雜的區域進行，有效的支護技術是確保隧洞工程安全施工的重要手段。在隧洞施工過程中，需要從巖層的本身特性出發進行分析，如果巖層結構穩定性比較差，特別是存在一些已經被破壞的巖層，在隧洞施工之前需要進行支護施工[2]。

一般情況下，會利用鋼架作為支護材料，鋼架的適應度和剛性都比較強，應用鋼架結構可以確保工程結構的穩定性。之后利用混凝土進行噴射施工，可以提高巖層結構的承載力。在施工初期混凝土作為可塑性比較強的材料，可以充分填充鋼架及巖石之間的縫隙，促使支護結構的牢固性得到有效提升，從而保證施工安全。一般在支護結構安裝完成后還要進行全面檢查，要根據支護工程的安裝順序和結構特點開展全面檢測，以便及時發現問題并快速處理，這樣能夠在最大程度上確保支護結構的穩定性，提高對軟弱結構的處理效果，保證隧洞開挖施工作業安全穩定進行。

3 軟弱結構條件下常用支護技術應用

3.1 鋼架支護施工技術

在軟弱結構條件下開展支護施工作業時，鋼架支護技術是其中的應用要點。在鋼架支護完成后，利用噴射混凝土進行加固，有助于提高鋼架結構支護體系的穩定性。該支護技術主要是在具有一定自穩性的巖層中進行施工。若巖層的穩定性比較差，鋼架支護施工技術的施工難度會有所增加。此外，鋼架支護施工技術本身具有一定的安全風險，為了降低這一安全風險，保證在隧洞開挖支護過程中的安全水平，需要加強原材料質量控制工作，在對該支護體系進行應用之前，需要對施工區域的地質結構進行分析，對施工區域的地質條件和水文條件進行全面把控，判斷是否可以應用鋼架支護施工方案[3]。

在鋼架支護施工過程中還要加強鋼架制作質量管理工作，保證鋼架的每一個節點或弧度與設計要求相符合，要進行分節焊接。在對鋼架節點進行連接時，以高強螺栓為主。為了確保鋼架和圍巖之間的適應性，還需要用混凝土填補鋼架與圍巖之間的空隙。這樣才能夠對圍巖的形狀和穩定性進行有效控制，同時提高支護體系的整體承載力。

3.2 錨桿支護技術

錨桿支護技術在應用過程中需要根據實際施工需求對不同類型的錨桿進行科學選擇。砂漿錨桿在施工前需要先完成孔位標注工作，并進行鉆孔和孔洞清潔作業。之后在孔洞內注入砂漿，插入固定錨桿，將錨桿墊板和螺栓安裝完成后可以形成錨桿支護體系。但是在實際施工中，錨桿支護設計方案易與施工現場之間存在差異，主要是在施工階段和設計階段本身會存在一些不同。設計圖紙是為施工提供依據的，但是在具體的施工作業中，受地質條件和外部自然環境的影響，可能會遇到設計圖紙無法有效發揮作用的情況，此時需要根據施工現場情況對設計方案進行調整和更改，確保設計數據和施工數據相符合，防止出現安全隱患，提升支護施工的合理性。

4 安全防護棚施工技術

安全防護棚施工技術主要是在圍巖結構軟弱、不穩定的條件下進行隧洞開挖時，拱頂易出現坍塌、掉塊問題，存在較大的安全隱患。一般情況下，在隧洞開挖過程中，會對圍巖結構產生擾動，導致本身并不穩定的圍巖出現脫落、坍塌等問題。對安全防護棚進行有效運用可以減少這一類安全隱患，確保施工人員的人身安全，同時能夠提高隧洞開挖效率。

需要注意在安全防護棚操作過程中，其雖然能夠有效抵抗拱頂存在的安全風險，但是防護棚對隧洞內部的空間有一定要求。如果洞身斷面本身比較小，安全防護棚在應用過程中還要占用一定空間，會導致作業空間受到限制，可能影響施工進度。如果安全防護棚比較重，不方便移動和安裝，會導致安全防護棚的應用效益下降。如果防護棚使用的材料不合格，會對防護棚的防護效果產生負面影響。安全防護棚的具體施工效果見圖3。

4.1 開挖防護技術要點

軟弱結構條件下進行開挖施工作業時，需要根據工程項目的實際情況和經濟效益制定科學嚴謹的施工方案。該工程在施工過程中，長隧洞主要利用銑挖機進行開挖、短隧洞以人工開挖為主。

1）人工開挖要點。在人工開挖過程中，需要加強支護技術的有效應用，對各種開挖工具進行科學應用。在人工開挖時，可以配合風鎬保證開挖效率。在具體的開挖施工作業中，上部圍巖變化預測難度相對較大，隧洞拱頂以上部位可能會出現坍塌和掉塊問題，影響施工效率，甚至威脅施工人員的人身安全。為了防止出現意外事故，要利用科學合理的措施為施工人員提供安全可靠的施工環境。在本次施工過程中，安全防護棚技術是主要技術要點。除了常規支護技術之外，對安全防護棚技術進行應用時，需要利用鋼管、鋼筋、底托進行施工。在實際操作時，需要先利用4根φ60 mm鋼管作為鋼管底部完成底托安裝作業，之后在φ60 mm鋼管內安裝φ42 mm鋼管形成立桿，然后將φ12 mm鋼筋按照0.1 m×0.1 m的間距焊接成弧形網片，并與立桿進行連接。這樣可以形成具有升降功能的防護罩。在立桿底部順著隧洞的方向需要利用角鋼進行連接，可以提高安全防護棚的穩定性。在立桿上還可以設置卡扣進行升降。安全防護棚施工方法見圖4。

2）銑挖機開挖作業。在對長隧洞進行開挖施工時，主要利用銑挖機進行開挖，可以提高開挖效率。銑挖機施工時，可以在無支護的掌子面進行開挖，但操作室需設在有支護的安全范圍內，以保證軟弱結構坍塌不會威脅操作人員的人身安全，可以提高開挖作業的安全水平和開挖效率。

4.2 安全支護技術要點

在初期支護前施工人員會暴露在無任何防護措施的隧洞內，為了縮短鋼拱架和網片的安裝時間，減少對施工人員人身安全的威脅，需要利用安全防護棚進行防護，以防止人員傷亡事故。一般開挖作業完成后需要立拱架，要先將安全防護棚就位降落到低位，方便人工將鋼拱架放置在防護棚的外圈卡槽內，然后將鋼拱架連接筋和鋼筋網片根據設計要求進行焊接，之后將防護棚的立桿部位進行上抬，確保立桿升到拱架需要的設計位置后，通過卡扣固定立桿，操作人員在防護棚下安裝邊墻拱架，與拱部拱架進行連接，從而形成受力環，隨后人工完成兩側邊墻鋼筋網片的安裝。

5 結語

在軟弱結構下開展支護施工作業時，需要根據工程項目的具體情況對安全支護技術進行有效應用。在本次施工過程中，為了保證開挖支護作業順利進行，主要利用安全防護棚降低在隧洞開挖和支護過程中存在的安全風險，對提高施工人員的安全保障具有積極作用。需要注意在安全防護棚施工過程中，盡量利用高強度輕重量的材料，同時利用卡扣實現防護棚的升降功能，以方便進行操作。在隧洞開挖支護過程中，應將銑挖機開挖和人工開挖進行有效結合，在提高施工效率的同時，降低安全風險。

參考文獻

[1]楊為民，孫莉.軟弱粉砂板巖隧道開挖及支護施工關鍵技術[J].四川建材，2021，47（10）：91-92.

[2]段東，唐世斌，張百勝，等.復雜構造條件下地應力精細測試及巷道圍巖穩定性控制關鍵技術[J].中國科技成果， 2023，24（7）：2.

[3]向武松.軟弱圍巖隧道噴錨支護開挖時的圍巖穩定性分析[J].中國公路，2022（5）：2.