高速公路隧道工程中的超前支護施工技術探析

羅海靖 陳益

中建五局土木工程有限公司 湖南 長沙 410000

1 超前支護施工技術的原理

1.1 前期勘察與分析

前期勘察與分析在高速公路隧道工程中扮演著至關重要的角色。這一階段的詳盡工作是確保工程成功和安全進行的基礎。首先，地質勘察是必不可少的。工程團隊必須仔細研究地下地質條件，包括地層類型、巖石性質、構造結構和地下水文情況。這些信息是制定后續工程決策的基礎，如隧道的設計、支護結構的選擇以及施工計劃的制定。地下水文分析也是不可或缺的一部分。了解地下水位的高低、水流速度和水質情況對于隧道施工至關重要。高水位可能導致隧道坍塌或滲水問題，因此必須采取措施來降低水位或有效排水。此外，地震風險評估也必須納入前期分析。在地震活躍地區，工程師必須了解可能的地震烈度和隧道結構對地震的抵抗能力，以采取相應的地震防護措施。

1.2 支護結構設計

支護結構的設計是根據前期勘察和分析的結果進行的。不同地質條件需要不同類型的支護結構，以確保隧道施工的穩定性和安全性。一種常見的支護結構是錨桿。錨桿通過將金屬桿深入巖體中來提供支撐。它們可以抵抗地層的水平和垂直壓力，防止巖石坍塌。鋼拱架也是常用的支護結構。這些拱架由堅固的鋼材制成，可以跨越隧道頂部，分散并承受來自巖石和土壤的壓力，確保了通道的穩定性。噴錨混凝土是一種常見的地下結構加固方法。它涉及噴射混凝土到巖石表面，形成一層堅固的保護層，防止巖石崩塌和滲水。

1.3 超前支護施工

超前支護施工是在掘進正式開始之前進行的關鍵步驟。它的目標是在施工過程中為隧道提供穩定的支持，減少巖石坍塌的風險。在超前支護施工期間，支護結構（如錨桿或鋼拱架）被安裝并固定在隧道掘進頭部的巖體中。這些支護結構在掘進過程中充當著保護盾牌的作用，確保施工面的穩定性。一旦支護結構就位，施工隊可以安全地進行掘進工作，而不必擔心巖石坍塌的風險。這顯著提高了工人的安全性，并加速了施工進度[1]。

1.4 掘進工作

一旦超前支護施工完成，掘進工作就可以正式開始。在這一階段，施工隊使用隧道掘進機械或其他工具逐步推進隧道的開挖。支護結構將隨著掘進的進行提供穩定的支撐，確保施工的安全性和穩定性。在掘進工作期間，施工隊需要不斷監測隧道的地質條件和支護結構的狀態。這可以通過傳感器和監測設備進行，以及定期的工程檢查。如有必要，可以及時進行修復和加固，以確保施工的順利進行和工程的質量。

2 工程概況

2.1 路線設計

2.1.1 路線起點和終點

此項工程項目是一條長約10.508km的主線公路，由起點樁號K90+240.5至終點樁號K100+748。項目包括一處服務區，其中主線橋梁總長1770.5m，共有4座，隧道總長7434m，共有2座。橋梁和隧道的比例為87.6%，其中隧道占比為70.8%，橋梁占比為16.8%。整個標段的路基總長度為1.30km。標段內的兩座隧道分別是：三角石隧道，起始樁號K92+410，終止樁號K95+009。牛角沖一號隧道，起始樁號K95+809，終止樁號K100+654（如圖1所示）。

圖1 項目線路圖

2.1.2 路線特點

此項高速公路隧道工程的路線特點多種多樣，經過了不同的地理和地質條件，包括柳州市融安縣、桂林市永福縣以及桂林市臨桂區。這意味著工程團隊需要應對各種地質條件和地下水文情況的挑戰。在路線設計中，必須考慮山脈、河流、湖泊等自然地理特征，以及周邊社區和環境。同時，也需要充分評估地質構造，包括巖石類型、地下巖層、斷層分布等。地下水文情況的了解對隧道施工至關重要，因為它會影響隧道的排水系統和穩定性。

2.2 技術標準

2.2.1 路線標準

此項高速公路隧道工程中，采用了雙向四車道高速公路的標準進行設計和建設。這意味著道路將具備足夠的寬度和通行能力，以容納雙向行駛的四條車道，允許車輛高速、安全地通行。設計速度被確定為每小時100km，這不僅提供了高效的交通流動，還增加了整個路段的運輸能力。

2.2.2 橋梁設計

橋梁設計方面，符合了公路-I級荷載標準，這意味著橋梁的承載能力和穩定性經過了嚴格的計算和驗證，可以滿足重型貨車等大型車輛的通行需求。此外，特大橋的設計考慮了洪水頻率，采用了1/300的設計洪水頻率，以確保在特大洪水事件中橋梁的安全性和可靠性。其他橋梁則設計為1/100的洪水頻率，仍然具備出色的抗洪水能力。

2.2.3 路基寬度

路基寬度是確保道路結構穩定和安全的重要因素之一。在這個工程中，整體式路基的寬度為26m，而分離式路基的寬度為2×13m。整體式路基通常用于雙向車道位于同一路基上的情況，而分離式路基則將雙向車道分開，各自占據一側路基。這種設計不僅提供了足夠的行車空間，還考慮到了道路的排水和安全要求。

2.2.4 地震標準

考慮到地震風險，這項工程的設計按照Ⅵ度地震基本烈度進行。這意味著道路和橋梁的結構需要具備較高的抗震能力，以確保在地震發生時仍然能夠安全運行。采用了地震結構技術，以降低地震對道路設施造成的損害，并保護行車人員的安全。地震標準的采用反映了對工程質量和交通安全的高度關注。

3 超前支護施工技術在工程中的應用優勢

3.1 巖層穩定性保障

超前支護施工技術在工程中的應用帶來了顯著的巖層穩定性保障。在巖石構成的隧道工程中，巖層的穩定性是至關重要的，因為巖石坍塌可能導致嚴重的安全風險和工程延誤。通過超前支護施工技術，如錨桿、鋼拱架等支護結構的應用，可以有效提高巖壁的穩定性，減少巖石崩塌的風險。這些支護結構不僅能夠抵御巖石的內部應力，還能分散地下壓力，使巖壁更加堅固。這有助于確保施工過程中的工人安全，并減少工程因巖層問題而導致的停工和額外成本[2]。

3.2 水文控制

在地下水位較高的地區，超前支護施工技術的應用可以實現水文控制，這在隧道工程中尤為重要。通過噴錨混凝土和地下排水系統的結合，可以有效降低地下水位，確保施工進度不受水文條件的限制。高水位可能導致隧道內涌水、坍塌等問題，影響施工的安全和進度。超前支護施工技術通過創建有效的防水屏障和排水系統，降低了地下水位對工程的不利影響，保證了施工的連續性和穩定性。

3.3 地震防護

隨著地震風險的增加，超前支護施工技術的另一個顯著優勢是提高了工程的地震防護性能。地震可能導致隧道結構的損壞和破壞，對工程和人員安全構成威脅。超前支護施工技術可以用于設計和安裝地震抗震支護結構，這些支護結構具有更強的抗震性能，能夠在地震發生時減輕地下結構的震動和應力。這有助于保護工程的完整性，減少地震對施工和運營的不利影響，提高了隧道的安全性和可靠性。

3.4 提高施工效率

超前支護施工技術的應用還可以顯著提高施工效率。由于支護結構的存在，施工隊能夠更加安全地進行掘進工作，減少了因地質原因導致的停工和延誤。支護結構穩定了工作面，降低了巖石坍塌和地下水涌入的風險，使施工過程更加順暢。這有助于加快工程的進度，降低了施工成本，減少了不必要的工程延期[3]。

4 超前支護施工技術在高速公路隧道工程中的應用分析

4.1 超前管棚支護

超前管棚支護在高速公路隧道工程中的重要性不言而喻，特別是在隧道洞口區域。其首要目標是確保施工人員的安全，同時提高工程效率。隧道洞口施工是一個具有高風險性的階段，因為土石方塌方可能隨時發生。超前管棚支護通過在隧道洞口前方搭建堅固的管狀框架結構（如圖2所示），有效地遏制了坍塌物進入洞口的風險，從而保護了工人的生命和身體安全。此外，這項技術還增強了洞口的穩定性，減少了土石方滑坡的潛在風險，確保了施工工序的連續性和順利進行。因此，超前管棚支護不僅僅是一項必要的工程措施，還是提高施工質量和工人安全的不可或缺的手段。

圖2 隧道結構支撐

4.2 超前小導管

超前小導管在高速公路隧道工程中扮演著至關重要的角色。這一設備專門用于應對隧道施工中的排水和通風挑戰。在施工過程中，地下水可能滲入隧道，導致泥濘和不穩定的工作環境，同時，通風問題也需要得到解決以維持工人的舒適和安全。超前小導管通過引導和排除地下水以及提供通風，確保了隧道內部環境的干燥和穩定。這不僅提高了施工效率，減少了施工周期，還減少了風險，維護了工人的安全。它能夠有效地避免地下水涌入，從而降低了泥漿涌入的可能性，減輕了地下結構的壓力。此外，超前小導管的高效排水和通風特性有助于減少隧道內部濕氣、污濁空氣和有害氣體的積聚，改善了工作環境。總之，這一技術為高速公路隧道工程提供了一個穩定、干燥、安全的施工環境，對工程的成功完成至關重要。

4.3 超前錨桿

超前錨桿技術在高速公路隧道工程中的廣泛應用對工程的成功與持續性至關重要。這項技術專注于加固隧道內部的巖石和土壤結構，以提高隧道的穩定性和降低巖石崩塌的風險。通過將錨桿深入地下并在施工過程中進行預先固定，超前錨桿確保了施工期間的安全和穩定。隧道工程中，巖層不可避免地受到壓力和振動的影響，這可能導致巖石位移和崩塌。超前錨桿通過有效地分散這些力量，將其傳遞到更深的巖層，有助于維護巖體的完整性。這不僅提高了隧道的結構穩定性，還降低了施工期間發生災害性事件的可能性，如地質災害和坍塌。此外，超前錨桿還有助于減少地表沉降。通過固定地下巖石，它可以有效地防止地下結構下沉，從而保護了隧道上方的道路、建筑物和其他基礎設施。這對于維護周邊環境和降低后續維護成本具有重要意義。

4.4 分析支護力學模型

支護力學模型的分析在超前支護施工技術中扮演著至關重要的角色。這個步驟的目標是通過建立地下結構的詳細模型，包括巖石的性質、地下水流動情況、地層變化等因素，來深入了解支護結構需要承受的力學壓力。通過建模和分析，工程師可以模擬不同地質條件下的各種應力和變形情況。這有助于確定支護結構的尺寸、材料和布局，以滿足工程的安全和穩定性要求。支護力學模型還可以用于預測地下水位的變化對支護結構的影響，從而幫助工程師優化排水系統的設計。此外，支護力學模型還可以用于評估支護結構的性能，包括其抵抗巖石坍塌和地震的能力。

4.5 注漿施工過程

注漿作為超前支護施工技術的一項重要工序，具有關鍵性的地位。這一過程通過將水泥漿或其他適當的材料注入隧道周圍地層，以加固和固化地下巖石和土壤，從而增強支護結構的穩定性和堅固性。在注漿施工中，材料的均勻分布和充分固化是至關重要的。因此，工程師需要確保注漿過程的精確控制。這包括確定注漿的漿液濃度、注入速度、注入壓力以及注漿孔的布局和深度等參數。

4.6 檢測支護效果

支護效果的檢測在超前支護施工中是不可或缺的一步。一旦支護結構安裝完成，必須對其進行全面的檢測和評估，以確保其穩定性和完整性，同時及時發現并解決任何潛在的問題或風險。為了實施支護效果的檢測，現代化的測量和監測技術被廣泛采用。其中，激光掃描和地下雷達是常見的工具。激光掃描可以用于測量支護結構表面的形狀和變化，以檢測是否存在位移或變形。地下雷達則可以用于探測地下巖層的情況，以評估支護結構周圍地層的穩定性。如果在檢測過程中發現任何問題，如支護結構的位移、開裂或變形，必須采取及時的措施進行修復或調整。這可能涉及重新安裝支護結構、注漿修復、增加支護元素等方法，以確保工程的安全和可靠性。

5 結語

高速公路隧道工程的安全和高效施工對于現代交通建設至關重要。本論文通過分析工程概況和超前支護施工技術的應用，強調了該技術在隧道工程中的重要性和優勢。超前支護施工技術不僅可以提高施工效率，還可以保障工人安全，適應復雜地質條件，提高工程質量。在未來，隨著隧道工程的不斷發展和挑戰的增加，超前支護施工技術將繼續發揮關鍵作用，為高速公路隧道工程的成功建設提供支持。