隧道施工中超前支护控制技术探析

杨小文

（华邦建投集团股份有限公司，兰州 730030）

1 隧道施工的特点

隧道工程是一项具有多元化综合性特征的工作，因工程存在于天然土体中，容易受到土体内复杂多变物理力学性质和施工技术的影响。工程具有整体危险性较大，隐蔽程度较高、循环强度也较大，施工难度很大等特点[1]。近些年，随着道路工程规模不断扩大，隧道施工往往要穿越一些十分复杂的地段，如大断层、破碎、富水、软弱、浅埋等，这些地段通常被称为软弱围岩，也是引发隧道结构失稳，支护结构大变形，甚至造成塌方、冒顶安全事故的重要影响因素。同时，隧道施工作业空间相对局限，施工环境差，倘若没有一个良好的支护工程，将进一步增加施工人员进洞作业难度，围岩环境也会更加恶劣，对施工人员和工程安全性造成威胁，继而影响工程建设周期[2]。另外，隧道施工并非静态施工，施工过程中隧道土体力学状态呈动态变化趋势，围岩物理力学特征也会随之改变，这就要求施工过程中要严密监测土体及围岩变化情况，探究其变化规律，选择适宜的超前支护控制技术，有效处理围岩失稳、变形引发的各种安全隐患，在保障工程安全和稳定的同时，尽可能缩短工期。

2 超前支护控制技术的内涵和优势

超前支护控制技术是在隧道开挖后，利用管棚、锚杆、导向管等设备，沿着隧道开挖线，约束和控制围岩变形，加强围岩稳定性，保障隧道开挖面的施工安全性和稳定性。采用的人工措施主要有管棚支护、超前小导管和锚杆支护等技术。针对一些地形条件复杂的软弱围岩施工区域，为确保超前支护控制技术的实效性，必须做好施工前勘察、测量、放样等准备工作，基于施工开挖采用的技术以及隧道周边环境、地质条件等，统筹规划，选择适宜的支护控制技术[3]。

在隧道施工中应用超前支护控制技术具有十分鲜明的优势，具体包括以下几点：

1）承载力大。软弱围岩具有变形量大（拱顶最大沉降量可达到760 mm，水平收敛量可达到500 mm）、变形速率快、拱脚变形明显、变形持续时间长、掌子面挤出变形严重且压力增长快等特征，采用支护系统后，在短时间内就能够承受大量围岩压力，维持围岩稳定性。

2）满足变形控制要求。根据隧道变形控制原则，当围岩因隧道开挖变形后，采用超前支护技术使得围岩总变形量（U）小于围岩容许变形量（[U]），便能达到控制变形，保证开挖洞室安全稳定的目的。

3）适用范围广。超前支护控制技术的作用机理是新奥法，即充分调动围岩自身承载能力，维持围岩基本状态，在此基础上施加一定人为支护抗力，共同组成一个完整的支护系统。该系统使用范围广，能够应用在多种隧道围岩类型中，如自身承载力和稳定性差的软围岩，自承力大且自稳性好的硬围岩，以及处于软硬围岩过渡阶段的围岩，最终实现围岩稳定，隧道安全施工的目的。

3 工程概况

当金山隧道工程，位于高寒干旱气候区，季节性温差较大，雨季和旱季较为明显，年降水量较少，隧道全长4 418 m，设计速度80 km/h，采用双洞单向分离式设计，隧道进出口两段洞门形式均采用端墙式洞门，属高寒干旱地区双洞石质特长隧道。该隧道建筑限界净宽为10.25 m，限界高度5.0 m，紧急停车带建筑限界净宽和净高分别为13.25 m、5.0 m。隧道主洞内轮廓拱部采用单心圆形式（半径R=543 cm），侧墙采用大半径圆弧（R=793 cm），仰拱与侧墙间用小半径圆弧连接（R=100 cm），仰拱半径为1 500 cm。

前期勘察发现，该隧道施工区域山体岩层经历过多次构造运动，山体地形凌乱破碎，山前现代沟槽发育，地下水多以基岩裂隙水为主，但受地形等多种因素影响，地下水分布存在明显差异，主要分布在隧道进、出口段。预计隧道单洞正常涌水量及单线最大涌水量约为1 000 m3/d 和4 026 m3/d，可见该隧道地质条件特殊，必须对其进行充分研究，选用切实可靠的超前支护控制技术，才能确保整个隧道工程顺利完成。

4 隧道施工中超前支护控制技术实践

在隧道施工支护体系中，一般包含超前支护、初期支护和二次衬砌3 种，其中超前支护和二次衬砌发挥主要支护作用，属于永久支护。超前支护控制技术的核心是超前和预支护，主要用于初期支护之前，发挥着预先支护的作用。一般包含超前管棚、超前注浆小导管、超前锚杆、水平旋喷桩等技术，本文结合上述工程案例，对这些超前支护控制技术的实践应用展开详细探讨。

4.1 超前管棚支护技术

超前管棚支护技术主要应用在软弱围岩等不良地质中，通过各管棚之间的搭接和连接形成具有搭扣形式的管棚结构[4]。详细来说，就是在拟开挖隧道的外周边衬砌隐形弧线上，沿着开挖轮廓利用管棚钻机进行钻孔并打入钢管，随后在管内注入水泥砂浆，以提升围岩物理参数，形成伞状加固圈，改善围岩所处应力场和掌子面应力场的一种支护技术（见图1）。该技术具有支护距离长、加护技术好、经济成本低、施工便捷等优势，是近些年新发展起来的一种隧道修建辅助技术。

图1 超前管棚支护技术

超前管棚支护技术主要机械设备包括钢管、管棚钻机、夯管锤等，具体施工工序为施工准备→测量定位、施作套拱→钻孔→插入钢管→焊接外露段与钢支撑→综合检查→注浆封孔。在管棚支护施工中，主要利用选装钻机进行钻孔作业，在架设钻机时，确保与钻进线路中心线保持一定仰角，避免出现偏移或者倾斜问题，继而导致管棚偏离，无法充分发挥管棚支护作用。为避免这一问题产生，该项目施工人员决定采用水平导向跟管钻进法，用棚管替代钻杆，管棚选用长度10~40 m 和管径70~80 mm 的热轧无缝钢管。在棚管顶端安装导向钻头和角度传感器，然后通过水平定向钻机将棚管打入土体中。在钻进过程中，角度传感器持续传出信号，施工人员根据信号钻头钻进角度，确保钻进线路符合设计图纸要求，且注浆孔设置为梅花形，孔间距在15~20 cm，孔径在10~16 mm。管棚施作之后，利用钢尺测距仪检查每节钢管的方向和角度，确保其正确。值得注意的是，水平导向跟管钻进法管棚施作范围长，每次至少能够施作在长度超过100 m 的长管棚上，不需要进行额外的扩孔操作，而且施工作业精度高，能够及时调整钻进角度进行纠偏，还不会对周围土体造成较大干扰和污染，也不需要另外设置管棚工作室，是目前道路隧道支护施工中较常应用的一种施工作业方法。

4.2 超前锚杆支护技术

在隧道施工中，锚杆是十分常见的一种支护技术，发挥着稳定围岩和隧道的重要作用。国内普遍使用的是普通砂浆锚杆，其锚固力容易受砂浆材料龄期影响，注浆质量难以保障，无法在短时间内达到早期强度。再加上我国隧道超前支护技术整体发展水平不高，超前锚杆支护质量难以保障，在抑制隧道围岩变形方面能够发挥的效果有限，必须加强对超前锚杆支护技术的研究实践，最大程度上发挥该技术的支护作用[5]。

当金山隧道工程斜穿当金山和阿尔金山山脉，隧道施工区域地质条件复杂，存在不同的岩性接触带、断裂带、向斜、岩层的片理、层理以及岩体的节理裂隙等，地形起伏大且较为破碎凌乱。为充分发挥超前锚杆支护技术作用，在该隧道工程施工中，施工人员根据工程建设需求采用了拱顶超前锚杆和边墙超前锚杆两种方法。

1）拱顶超前锚杆方法。在实际施工中，施工人员采用了螺纹钢全长黏结砂浆锚杆（直径为22 mm）、自进式注浆锚杆，基于隧道纵向分布，在拱顶部位开挖轮廓线外特定范围内，将锚杆按照一定角度插入土体中，向岩体施加径向压力，用以支撑临空面围岩，形成承载拱并融入支护系统中。

2）边墙超前锚杆方法。主要用于承载拱部荷载，并将荷载传递至围岩深部。施工人员主要按照隧道横向方向，依照提前设定好的角度，将锚杆打入拱脚处。另外，在进行注浆操作时，为避免出现空洞问题，施工人员将采用一边注浆一边缓慢将注浆管抽出的方法，并在这一过程中，始终确保注浆口在砂浆之内。注浆结束，抽出注浆管后，施工人员立即将锚杆插入砂浆之中，结合使用套筒和风钻帮助锚杆插入，当锚杆达到指定位置后，施工人员用小石子将锚杆卡在孔洞中，避免锚杆滑出。最后，喷射混凝土完成锚杆支护。

4.3 超前注浆小导管支护技术

在隧道支护体系中，超前注浆小导管支护技术占据一定比重，主要依据隧道横向或纵向，按照一定角度在拱顶下部或者开挖轮廓线上方特定范围内，打入密排注浆钢花管，以达到一定支护效果。在该隧道工程中，某施工区域围岩自稳性差、强度低，地表沉降变形大，有一定坍塌风险，施工人员决定采用超前注浆小导管支护技术，在围岩中插入管壁厚度为5 mm、φ42 mm 的热轧无缝钢管，外插角为10°~21.5°，并预留梅花形注浆孔，用以提升围岩物理学性能，提升围岩稳固性。在工程实践中，施工人员在开挖时采用台阶法工艺，利用钻机在掌子面进行钻孔，安装超前小导管，最后利用压浆机进行注浆，形成钢管混凝土结构，加固隧道拱顶部位。

4.4 排水辅助支护技术

在隧道超前支护技术应用中，做好排水设施是保障支护和工程顺利实施的关键。根据前期勘察，该工程施工区域地下水主要为基岩裂隙水，分布区域存在较大差异，且第四系松散堆积层孔隙潜水主要分布在隧道进、出口段，预计隧道单洞正常涌水量为1 000 m3/d。为尽可能降低地下水对隧道支护施工的干扰，施工人员根据隧道设计图设置适当横向排水管和排水滤层，将隧道内和隧道进出口段的水流引向盲沟，取得了良好的排水效果。同时，施工人员还应用了防水板全自动铺挂台车，铺设美观、平顺，而且自动挂设，大大提高了工作效率，节省了人工成本，具有节省时间、提高质量和效益的效果。

5 结语

在道路隧道施工中，超前支护技术的应用具有加固围岩、抑制岩体裂缝、保障隧道结构稳定性的作用，但同时，该技术施工工序复杂，施工难度高，施工人员必须加强工程前期勘察工作，全面了解施工区域地质条件、气候、施工条件等，选择适宜的超前支护技术，严格遵循施工工序，最大程度上发挥超前支护控制技术作用，助力隧道工程顺利开展。