浅谈隧道开挖中特殊地质地段采用特殊支护方法

肖欢

摘要：本文提出在隧道开挖过程中，遇到不宜采取全断面开挖的特殊地质地段时，应结合实际利用锚喷网联合支护、钢拱架、超前锚杆、管棚和超前小导管注浆等辅助方法施工，并进一步分析隧道出现坍方的原因以及相应的处理措施。

关键词：隧道开挖；特殊地质地段；支护方法；坍方处理

在特殊地质地段施工时，不宜采取全断面开挖。钻爆施工中，要严格控制炮眼数量、深度和装药量。制定专门的针对性施工方案设计，报请监理工程师批准，如发现实际情况与设计不符时，会同有关方面研究，设计变更后方可施工。

施工中要经常观察围岩和地下水的变异情况，量测支护、衬砌的受力情况，注意地形、地貌的变化，防止突发事故。如有险情，要立即分析原因并采取措施，迅速处理。隧道通过特殊地质地段时，要采取相应的辅助方法施工。

1锚喷网联合支护

1.1锚杆

钻孔采用气腿式凿岩机,施工要点如下：(1)孔位根据设计要求和围岩情况作出标记,允许偏差±15cm；(2)沿隧道周边径向钻孔；(3)锚杆孔深允许偏差±5cm，并应确保锚杆杆体插入总长度的95%以上，且锚杆孔保持直线；(4)钻孔完成后清洗干净；(5)利用注浆泵往孔内注入早强水泥砂浆（或采用早强锚固剂），注到孔深的2/3以上时停止注浆，立即插入锚杆到孔底，孔内多余砂浆被挤出孔口，安装完成后不能随意敲打锚杆；(6)锚杆固定稳定后切除锚杆露头，并补喷混凝土使其表面平整圆顺。

1.2挂网。钢筋网随受喷面的起伏铺设，钢筋网与受喷面的间隙以3cm左右为宜，钢筋网与锚杆及固定装置连接牢固。

1.3喷混凝土。采用湿喷混凝土，便于控制质量，减少喷射过程中的粉尘和回弹量。

将骨料、水泥和水按设计比例拌各和均匀，用湿式喷射机压送到喷头处，再在喷头上添加速凝剂后喷出，其工艺流程见下图：

湿喷工艺流程图

1.4联合支护

联合支护的施工注意以下事项：

联合支护宜联不宜散，彼此要直接地牢固相连，以充分发挥联合支护效应。

钢筋网及钢拱架要尽早可能多地与锚杆头焊接，锚杆要有适量的露头。

钢筋网及钢拱架要被喷射混凝土所包裹、覆盖，即喷射混凝土要将钢筋网和钢拱架包裹密实。

分次施作的联合支护，应尽快将其相联，如超前锚杆与系统锚杆及钢拱架的联结。

分次施作的联合支护，要在量测指导下进行，以做到及时、有效、并作适当调整。

2钢拱架

钢拱架的整体刚度较大，可以提供较大的早期支护刚度，钢拱架可以很好地与锚杆、钢筋网、喷射混凝土相结合，构成联合支护，增强支护的有效性，且受力条件较好。

施工要点如下：(1)钢拱架一般采用14号~20号工字钢，纵向连接筋采用ф22的螺纹钢筋，间距1.0m.双排布置。(2)钢拱架应架设在隧道横向竖直平面内，其垂直度允许误差为±2。(3)钢拱架的拱脚应有一定的埋置深度，以保证拱架的稳定(少沉降、少挤入)。一般可以采取的措施有垫石、垫板、纵向托梁、锁脚锚杆等。(4)钢拱架的安设应在开挖后的2h内完成。(5)钢拱架应尽可能多地与锚杆露头及钢筋网焊接，以增强其联合支护效应。(6)喷射混凝土时，应注意将钢拱架与岩面之间的间隙喷射密实。(7)喷射混凝土应分层分次喷射完成，初喷混凝土应尽早进行，复喷混凝土应在量测指导下进行，以保证其适时、有效。

3超前锚杆

超前锚杆是沿开挖轮廓线，以稍大的外插角，向开挖面前方安装锚杆，形成对前方围岩的预锚固，在提前形成的围岩固圈的保护下进行开挖作业。

施工要点如下：(1)超前锚杆的超前量、环向间距、外插角等参数，应视围岩地质条件、施工断面大小、开挖循环进尺和施工条件而定。一般超前长度为循环进尺的3~5倍，宜采用3~5m长，环向间距宜采用0.3~1.0m，外插角宜用10~30º；搭接长度宜为超前长度的40~60%左右，即大致形成双层或双排锚杆。(2) 超前锚杆采用早强砂浆全粘结式锚杆，锚杆材料可用不小于ф22的螺纹钢筋。(3)超前锚杆的安装偏差，要求孔位偏差不超过10cm，外插角不超过1~2º，锚入长度不小于设计长度的96%。(4) 开挖时应注意保留前方有一定长度的锚固区，以使超前锚杆的前端有一个稳定的支点。其尾端应尽可能多地与系统锚杆及钢筋网焊接。若掌子面出现滑坍现象，则应及时喷射混凝土封闭开挖面，并尽快打入下一排超前锚杆，然后才能继续开挖。(5)开挖后应及时喷射混凝土，并尽快封闭环形初期支护。(6)开挖过程中应密切注意观察锚杆变形及喷射混凝土层的开裂、起鼓等情况，以掌握围岩动态，及时调整开挖及支护参数，如遇地下水时，则可钻孔引排。

4管棚

管棚是利用钢拱架沿开挖轮廓线，以较小的外插角，向开挖面前方打入钢管构成的棚架来形成对开挖前方围岩的预支护，施工方法见下图：

长管棚加钢架复合支护示意图

管棚施工要点：

(1)管棚的各项技术参数要视围岩地质条件和施工条件而定。长管棚长度一般为10~20m；管径фl00mm，孔径比管径大20~30mm，环向间距0.2~0.8m；外插角1~2º；两组管棚间的纵向搭接长度不少于1.5m。

(2)钢拱架应安装稳固，其垂直度允许误差为±2º，中线及高程允许误差为±5cm；钻孔方向应用测斜仪检查控制，钢管棚不得侵入开挖轮廓线，钻孔平面误差不大于15cm，角度不大于0.5%。

(3)第一节钢管前端要加工成尖锥状，以利导向插入。要打一眼，装一管，由上而下顺序进行。

(4) 当需增加管棚刚度时，可在安装好的钢管内注入水泥砂浆，一般在第一节管的前段管壁交错钻10~15mm孔若干，以利于排气和出浆，或在管内安装出气导管，浆注满后方可停止压注。

(5) 钻孔时如出现坍孔，应注浆后再钻，有些土质地层则可直接将钢管顶入。

5超前小导管注浆

超前小导管注浆是在开挖前，先用喷射混凝土将开挖面和5m范围内的坑道封闭，然后沿坑道周边向前方围岩内打入带孔小导管，并通过小导管向围岩压注起胶结作用的浆液，待浆液硬化后，坑道周围岩体就形成了有一定厚度的加固圈。在此加固圈的保护下即可安全地进行开挖等作业。

超前小导管一般采用直径38~50mm，壁厚3.5mm的无缝钢管,前端做成约10cm长的圆锥形，距管尾1.5m起按梅花形布置溢浆孔,孔径6~8mm，孔距15cm，管头平直。钢管沿拱的环向布置间距为 300 ~ 500 mm ，钢管沿拱的环向外插角为 5°~ 10° ，纵向前后两排小导管应有一定搭接长度，钢管沿隧道纵向的搭接长度一般不小于1.0m。

6隧道坍方处理

隧道开挖时，导致坍方的原因有多种，概括起来可归结为：①自然因素，即地质状态、受力状态、地下水变化等；②人为因素，即不适当的设计，或不适当的施工作业方法等。

6.1预防坍方的施工措施

(1)隧道施工预防坍方，选择安全合理的施工方法和措施至关重要。在掘进到地质不良围岩破碎地段，应采取“先排水、短开挖、弱爆破、强支护、早衬工、砌、勤量测”的施工方法，制订出切实可行的施工方案及安全措施。

(2)加强坍方的预测，为了保证施工作业安全，及时发现坍方的可能性及征兆，并根据不同情况采用不同的施工方法及控制坍方的措施，需要在施工阶段进行坍方预测。

(3)加强初期支护，控制坍方：当开挖出工作面后，应及时有效地完成喷锚支护或喷锚网联合支护，这对防止局部坍塌，提高隧道整体稳定性具有重要的作用。

6.2隧道坍方的处理措施

(1)隧道发生坍方，应及时、迅速、妥善处理。处理时必须详细观测坍方范围、形状、坍穴的地质构造，查明坍方发生的原因和地下水活动倩况，经认真分析，制定处理方案。

(2)处理坍方应先加固未坍塌地段，防止继续发展。

可按下列方法进行处理：

小坍方，纵向延伸不长、坍穴不高，首先加固坍体两端洞身，并抓紧喷射混凝土或采用锚喷联合支护封闭坍穴顶部和侧部，再进行清渣。在确保安全的前提下也可在坍渣上架一设临时支架， 稳定顶部，然后清渣。临时支架待灌筑衬砌混凝土达到要求强度后方可拆除。

大坍方，坍穴高、坍渣数量大，坍渣体完全堵住洞身时，宜采取先护后挖的方法。在查清坍穴规模大小的穴顶位置后，可采用管棚法和注浆固结法稳固围岩和渣体，待其基本稳定后，按先上部后下部的顺序清除渣体，采取短进尺、弱爆破、早封闭的原则开挖坍体，并尽快完成衬砌。

对坍方冒顶，在清渣前应支护陷穴口，地层极差时，在陷穴口附近地面打设地表锚杆，洞内可采用管棚支护和钢架支撑。

洞口坍方，一般易坍至地表，可采取暗洞明作的办法。

(3)处理坍方的同时，应加强排水工作。坍方往往与地下水活动有关，治坍应先治水。防止地表水渗入坍体或地下，引截地下水防止渗入坍方地段，以免坍方扩大。

(4) 坍方地段的衬砌，应视坍穴大小和地质情况予以加强。衬砌背后与坍穴洞孔周壁间必须紧密支撑。当坍穴较小时，可用浆砌片石或干砌片石将坍穴填满；当坍穴较大时，可先用浆砌片石回填一定厚度，其以上空间采用钢支撑等顶住稳定围岩；特大坍穴应作特殊处理。

(5)坍方后要加设量测点，增加量测频率，洞口段进行地表下沉测量，根据量测信息及时研究对策。

7结束语

在隧道开挖过程中遇到的地质问题往往千差万别，不尽相同，有时甚至是诸种不良地质叠加和组合。施工中要区别各种情况，具体问题具体对待，采取有针对性的处置措施，尽可能把不良地质给施工带来的损失降低到最低程度。

参考文献

【1】铁路工程技术标准所.《铁路工程建设标准汇编隧道工程》中国铁路出版社，2009.

【2】周健，吴世明，徐建平.《环境与岩土工程》，中国建筑业出版社，2001.

【3】张显科,涂芝恩.《城市建设》2010.6，442p.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。