高速公路隧道開(kāi)挖與支護(hù)加固技術(shù)應(yīng)用研究

摘要 文章對(duì)高速公路隧道開(kāi)挖與支護(hù)施工展開(kāi)研究，以實(shí)際工程為例，根據(jù)環(huán)境情況與地質(zhì)條件，制定了超前支護(hù)、開(kāi)挖施工以及支護(hù)加固相結(jié)合的技術(shù)方式，以加強(qiáng)隧道開(kāi)挖全過(guò)程的施工穩(wěn)定性。研究成果如下：隨著支護(hù)范圍的不斷擴(kuò)大，隧道左側(cè)拱頂沉降從57.91 mm變化為39.20 mm；隧道右側(cè)拱頂沉降從48.86 mm變化為33.58 mm，其間左右兩側(cè)變化量分別為6.79 mm、11.92 mm、4.89 mm、10.39 mm，各部分沉降數(shù)值均較小，左右兩側(cè)的注漿區(qū)會(huì)形成整體，可有效應(yīng)對(duì)隧道圍巖應(yīng)力，起到預(yù)期支護(hù)的加固作用。

關(guān)鍵詞 公路工程；隧道施工；開(kāi)挖；支護(hù)措施

中圖分類號(hào) U445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）16-0073-03

0 引言

在高速公路隧道施工段，應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行挖掘，確保挖掘深度和速度符合規(guī)定，重點(diǎn)關(guān)注挖掘過(guò)程中的安全問(wèn)題，如坍塌、涌水等。因此，根據(jù)施工情況采取針對(duì)性的支護(hù)加固技術(shù)，能夠保護(hù)隧道結(jié)構(gòu)安全，防止隧道在挖掘過(guò)程中發(fā)生變形，同時(shí)提高施工效率，合理縮短施工周期。合理的支護(hù)加固技術(shù)能夠大幅度延長(zhǎng)隧道使用壽命，減少隧道維護(hù)和維修的頻率，控制公路隧道后期的運(yùn)營(yíng)成本，為運(yùn)營(yíng)車輛提供安全保障。

1 工程概況

研究以某高速隧道工程為例，該項(xiàng)目中隧道長(zhǎng)度為672 m，隧道設(shè)計(jì)采用曲墻拱形斷面結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)為雙向四車道，隧道內(nèi)部的限高為5.0 m，限寬為12.5 m，隧道設(shè)計(jì)車速為80 km/h。由于隧道周圍環(huán)境地質(zhì)屬于剝蝕中山地貌，地層巖性多為碳質(zhì)頁(yè)巖夾雜砂巖，不僅容易風(fēng)化剝落，而且隧道下巖質(zhì)較軟，在隧道開(kāi)挖中存在淺埋、坍塌等問(wèn)題。因此，采用超前支護(hù)、開(kāi)挖施工以及支護(hù)加固相結(jié)合的方式，以保證案例工程的正常開(kāi)展。

2 高速公路隧道開(kāi)挖與支護(hù)方案流程

案例工程在進(jìn)行開(kāi)挖與支護(hù)加固時(shí)，一方面采用超前支護(hù)技術(shù)，結(jié)合隧道環(huán)境情況與地質(zhì)條件，根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)形式、斷面大小以及預(yù)期施工方案，制定相應(yīng)的支護(hù)方案，分別采用臺(tái)階法、臺(tái)階分步法等方式進(jìn)行施工[1]；另一方面是在開(kāi)挖同時(shí)搭配支護(hù)加固措施，以加強(qiáng)施工安全質(zhì)量。施工方案流程如圖1所示。

3 高速公路隧道超前支護(hù)與開(kāi)挖工法

3.1 超前支護(hù)設(shè)計(jì)

在開(kāi)展超前支護(hù)設(shè)計(jì)前，還應(yīng)根據(jù)施工段樁號(hào)對(duì)應(yīng)的圍巖級(jí)別情況，選用相應(yīng)的施工方法與超前支護(hù)，例如案例工程某施工段的圍巖等級(jí)從Ⅲ級(jí)、IV級(jí)到V級(jí)不等，為保證隧道開(kāi)挖與支護(hù)加固質(zhì)量，應(yīng)分別選用兩臺(tái)階法、三臺(tái)階法以及CRD法完成隧道工程的開(kāi)挖作業(yè)，并配合采用超前管棚、超前小導(dǎo)管、超前錨桿三種支護(hù)方法，在開(kāi)挖前與開(kāi)挖中應(yīng)同時(shí)搭配相應(yīng)的支護(hù)加固方式。隧道圍巖級(jí)別與施工參數(shù)情況如表1所示。

3.2 超前支護(hù)使用

鑒于案例工程施工段的圍巖等級(jí)，重點(diǎn)對(duì)V級(jí)圍巖施工段的超前管棚與超前小導(dǎo)管技術(shù)進(jìn)行介紹：

3.2.1 超前管棚

首先是超前管棚技術(shù)，應(yīng)借助液壓鉆孔車，通過(guò)有效調(diào)整鉆孔車的鉆孔推力與沖擊力，在旋轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)在掌子面上頂緊臺(tái)車大臂，避免振動(dòng)幅度較大對(duì)施工鉆入精度造成影響。鉆機(jī)開(kāi)孔時(shí)轉(zhuǎn)速應(yīng)緩慢、勻速，在鉆進(jìn)20 cm后可轉(zhuǎn)入到正常轉(zhuǎn)速，在第一階時(shí)，可在距離尾部20～30 cm之間進(jìn)行持續(xù)鉆進(jìn)，同時(shí)還要人工輔以管鉗卡緊鉆桿，保證絲扣不被卡死。換鉆桿時(shí)應(yīng)針對(duì)鉆桿尾部進(jìn)行檢查，保證中心水孔的暢通性。開(kāi)孔應(yīng)采用直徑為110 mm的鉆頭，鉆孔直徑應(yīng)比管棚外徑稍大10～20 mm，其間孔深應(yīng)大于管長(zhǎng)0.5 m以上。

超前支護(hù)階段需要關(guān)注管棚拱架的表面應(yīng)變，推導(dǎo)出混凝土應(yīng)變系數(shù)、鋼材彈性模量，進(jìn)一步推導(dǎo)應(yīng)力數(shù)值的公式如下：

σ=Eε （1）

式（1）中，E——彈性模量（GPa）；ε——應(yīng)變數(shù)值；σ——管棚拱架應(yīng)力（MPa）。將混凝土彈性模量取30 GPa，鋼拱架彈性模型取206 GPa，得出施工中管棚鋼架的拉應(yīng)力穩(wěn)定值為1.39 MPa。

3.2.2 超前小導(dǎo)管

超前小導(dǎo)管技術(shù)，即通過(guò)鉆孔車或風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)的頂推，將小導(dǎo)管推至孔內(nèi)，以加強(qiáng)施工前隧道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。實(shí)際施工中可以在現(xiàn)場(chǎng)加工小導(dǎo)管，采用緩慢鉆入方式，并且在注漿時(shí)還應(yīng)避免鉆漿口被堵住，必須將管內(nèi)雜物及時(shí)清除，可使用細(xì)鋼筋進(jìn)行清理。同時(shí)使用高壓風(fēng)或水沖洗，沖洗完畢后再次進(jìn)行注漿，在超前小導(dǎo)管注入時(shí)，還應(yīng)對(duì)漿液濃度與配合比進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，避免快速凝膠對(duì)導(dǎo)管注入造成不良影響[2]。該施工階段應(yīng)根據(jù)隧道圍巖壓力與接觸壓力數(shù)值，綜合分析施工安全程度與不利位置，具體如表2所示。

3.3 隧道開(kāi)挖工法

完成超前支護(hù)施工后，應(yīng)針對(duì)隧道進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)，由于內(nèi)層超前小導(dǎo)管已將巖體切割，這樣可以采用挖掘機(jī)與松土器配合開(kāi)挖即可。在此過(guò)程中，需要關(guān)注碳質(zhì)頁(yè)巖層之間的摩擦系數(shù)與松軟夾層比，例如掌子面通常情況下會(huì)因?yàn)橹瘟Σ蛔愣霈F(xiàn)滑坡與洞口坍塌情況。因此采用三臺(tái)階法，在施工前應(yīng)注意核心土的預(yù)留，核心土高度應(yīng)距挖輪廓的距離在1.2～1.5 m之間，長(zhǎng)度通常為4～6 m，這樣根據(jù)核心土的情況，上臺(tái)階立架時(shí)設(shè)計(jì)鎖腳長(zhǎng)度為4.5 m，實(shí)際施工中可以先打兩排4根3 m的長(zhǎng)鎖腳。為保證隧道開(kāi)挖的穩(wěn)定性，還應(yīng)明確材料物理學(xué)參數(shù)，例如對(duì)圍巖、注漿區(qū)、超前支護(hù)、二次襯砌的彈性模量與泊松比系數(shù)等進(jìn)行確定，具體如表3所示。

開(kāi)挖過(guò)程中應(yīng)對(duì)臺(tái)階長(zhǎng)度進(jìn)行嚴(yán)格控制，使初期開(kāi)挖時(shí)能夠形成有效支護(hù)體系。在開(kāi)挖階段，應(yīng)在拌和站生產(chǎn)混凝土，待隧道內(nèi)各臺(tái)階開(kāi)挖完成后修好通往掌子面的便道，混凝土應(yīng)及時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，噴錨機(jī)械手立即封閉掌子面，相關(guān)參數(shù)如下：

（1）每次厚度應(yīng)小于5 cm。

（2）新頁(yè)巖暴露時(shí)間約為10～20 min。

（3）噴射混凝土封閉層厚度應(yīng)控制在15 cm，可有效控制混凝土噴注過(guò)程中的掉塊情況。

（4）混凝土處治完畢后，應(yīng)及時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行出渣清理，為后續(xù)鋼筋網(wǎng)與鋼架施工提供環(huán)境保障。

4 高速公路隧道支護(hù)加固技術(shù)措施

4.1 隧道支護(hù)加固體系構(gòu)建

該工程的隧道支護(hù)加固主要分為超前支護(hù)與開(kāi)挖階段支護(hù)，具體為采用超前小導(dǎo)管、管棚支護(hù)、注漿作業(yè)、中空注漿錨桿、鋼架與鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)等技術(shù)措施，具體情況如表4所示。

4.2 噴射混凝土

在隧道開(kāi)挖的初期支護(hù)階段，主要采用噴射混凝土，即根據(jù)施工方案與工藝要求，進(jìn)行素噴混凝土。在噴射前應(yīng)對(duì)隧道斷面情況進(jìn)行檢查，并且對(duì)外部周圍的雜物進(jìn)行清理，將墻角浮石與虛渣處理干凈，再使用高壓水對(duì)巖面進(jìn)行沖洗。噴射混凝土?xí)r應(yīng)以階段為單位，按照先墻后拱的方式從下至上逐次作業(yè)，噴嘴緩慢運(yùn)行，呈螺旋式，螺旋直徑范圍為20～30 cm，保證緊密噴射混凝土。與此同時(shí)還應(yīng)時(shí)刻關(guān)注風(fēng)壓、水壓與噴射距離，避免混凝土噴射后產(chǎn)生較大回彈，當(dāng)隧道噴射混凝土厚度達(dá)到5 cm以上時(shí)，可選擇兩層作業(yè)方式，也就是當(dāng)?shù)?層混凝土終凝后，再進(jìn)行第2次混凝土的噴射作業(yè)，這樣通過(guò)分段式的分層噴射，可進(jìn)一步增強(qiáng)混凝土整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此外，在初次噴射時(shí)應(yīng)先找平巖面，爆破工作應(yīng)在上一循環(huán)噴射混凝土終凝4 h以上再次進(jìn)行[3]。

在注漿錨桿安裝前，還應(yīng)針對(duì)隧道中巖柱位移情況進(jìn)行確認(rèn)，可分為豎向位移與水平位移兩方面。在隧道支護(hù)加固作業(yè)中隨機(jī)選取6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，獲取的隧道中巖柱監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)如表5所示。

將隧道中間斷面作為特征斷面，選取關(guān)鍵點(diǎn)位對(duì)中巖柱變化進(jìn)行匯總，根據(jù)表5監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，在豎向位移方面，隧道開(kāi)挖造成的中巖柱變化規(guī)律大致相同，發(fā)生明顯土體沉降的區(qū)域?yàn)轫敳颗c中部，這是因?yàn)樗淼篱_(kāi)挖與支護(hù)對(duì)原有結(jié)構(gòu)應(yīng)力造成影響。與此同時(shí)，采用超前管棚與超前小導(dǎo)管技術(shù)進(jìn)行開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程中，隧道中巖柱的最大土體沉降數(shù)值分別為49.95 mm與52.37 mm，滿足案例工程的施工工藝要求，可進(jìn)一步開(kāi)展后續(xù)的施工作業(yè)。

4.3 注漿錨桿安裝

在注漿錨桿安裝施工階段，主要分為測(cè)量放樣、鉆孔、錨桿桿體安裝以及注漿四部分，具體工作內(nèi)容如下：

（1）在進(jìn)行固定錨桿開(kāi)孔時(shí)，應(yīng)對(duì)各樁位進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，并且將開(kāi)孔偏差控制在100 mm以內(nèi)，同時(shí)根據(jù)施工圖紙要求，確定錨桿孔的孔軸方向，錨桿的孔軸方向與滑動(dòng)面應(yīng)保持相反方向且呈45°以上的交角。

（2）針對(duì)錨桿方向與位置進(jìn)行嚴(yán)格的成孔控制，當(dāng)鉆完錨孔后，先使用高壓風(fēng)機(jī)對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行清潔處理，在后續(xù)成孔鉆進(jìn)時(shí)，應(yīng)控制好錨孔的位置、直徑及鉆進(jìn)方向，保證錨孔整體的平直程度。每次鉆進(jìn)后都應(yīng)及時(shí)對(duì)參數(shù)進(jìn)行檢查，如果不合格應(yīng)及時(shí)進(jìn)行二次鉆孔。

（3）采用中空注漿錨桿時(shí)，錨桿的墊板安裝應(yīng)垂直于錨桿，并且與初噴混凝土緊密貼合。

（4）注漿階段應(yīng)通過(guò)錨桿內(nèi)預(yù)留出注漿接口，使用專用高壓注漿泵進(jìn)行注漿作業(yè)，通過(guò)排氣管排出隧道內(nèi)部的氣體，自然排出隧道墻部的氣體，這樣能夠保證錨桿孔內(nèi)注漿的飽滿程度[4]。

4.4 鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)與鎖腳錨桿

在進(jìn)行鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)時(shí)，網(wǎng)片加工應(yīng)根據(jù)圍巖類別以及預(yù)期施工參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與生產(chǎn)制作，并且在鋼架靠近巖面一側(cè)焊接鋼筋網(wǎng)，以保證結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。噴射混凝土?xí)r應(yīng)減小噴頭至受噴面的距離，并且全過(guò)程控制風(fēng)壓，避免鋼筋網(wǎng)振動(dòng)對(duì)混凝土噴射造成不良影響。此外，鋼筋網(wǎng)噴射混凝土保護(hù)層應(yīng)在200 mm以上，后續(xù)的鎖腳錨桿安裝中，鉆機(jī)需要經(jīng)過(guò)不斷調(diào)試，并根據(jù)預(yù)設(shè)的錨桿位置固定鉆機(jī)，將鉆桿調(diào)整至設(shè)計(jì)方向。鉆孔過(guò)程中應(yīng)保證鉆機(jī)的穩(wěn)定、牢靠，將鉆孔口偏差控制在50 mm內(nèi)，并且采用比管徑超出20 mm的直徑進(jìn)行鉆孔作業(yè)。

4.5 隧道支護(hù)加固效果分析

為驗(yàn)證案例工程隧道支護(hù)方案的應(yīng)用效果，將根據(jù)最大支護(hù)范圍及拱頂沉降情況進(jìn)行分析。當(dāng)管棚布置方式不斷擴(kuò)大時(shí)，隧道拱頂?shù)某两禂?shù)值會(huì)逐漸減小，即支護(hù)范圍從90°變?yōu)?35°與180°時(shí)，拱頂變化量能夠反映支護(hù)體系的加固效果，具體如表6所示。結(jié)合表6中數(shù)據(jù)可知，隨著支護(hù)范圍的不斷擴(kuò)大，隧道左側(cè)拱頂沉降從57.91 mm變化為39.20 mm；隧道右側(cè)拱頂沉降從48.86 mm變化為33.58 mm，其間左右兩側(cè)變化量分別為6.79 mm、11.92 mm、4.89 mm、10.39 mm，各部分沉降數(shù)值均較小，左右兩側(cè)的注漿區(qū)會(huì)形成整體，可有效應(yīng)對(duì)隧道圍巖應(yīng)力，說(shuō)明隧道支護(hù)對(duì)拱頂沉降具有良好的控制效果。

5 結(jié)論

綜上所述，在高速公路隧道施工中，選擇合理的開(kāi)挖工法與支護(hù)技術(shù)，能夠大幅度提升工程質(zhì)量與施工安全。該文根據(jù)案例施工段的地質(zhì)情況，引入超前支護(hù)技術(shù)措施，并且在開(kāi)挖施工同時(shí)進(jìn)行支護(hù)加固體系的構(gòu)建，技術(shù)應(yīng)用成果如下：隨著支護(hù)范圍的不斷擴(kuò)大，隧道左側(cè)拱頂沉降從57.91 mm變化為39.20 mm；隧道右側(cè)拱頂沉降從48.86 mm變化為33.58 mm，其間左右兩側(cè)變化量分別為6.79 mm、11.92 mm、4.89 mm、10.39 mm，各部分沉降數(shù)值均較小，左右兩側(cè)的注漿區(qū)會(huì)形成整體，可有效應(yīng)對(duì)隧道圍巖應(yīng)力，進(jìn)一步提高隧道的整體穩(wěn)定性。

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