大跨度隧道主动支护施工体系及现场应用研究

岳楹沁

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

1 引言

大跨度隧道因其覆盖面积广、受力复杂、地质条件多变等特点，施工技术要求极高，而主动支护技术在现代隧道工程中的应用能保证施工过程的安全性，确保工程的长期稳定性和可靠性。鉴于此，深入分析大跨度隧道主动支护施工体系及其现场应用的各个方面，对于工程师、设计师以及施工管理者来说具有重要意义。

2 不同类型的主动支护方法

2.1 锚杆支护

锚杆支护广泛应用于隧道、矿山、地下工程以及岩土工程中，以增强岩土体的稳定性和承载能力，基于钢制锚杆的力学性能，通过将锚杆预置于地下岩土体中，并将其牢固固定于岩土体内，可以抵抗地下压力和位移，提供稳定的支护效果。锚杆支护的基本组成包括锚杆本体、锚固端头和注浆材料。锚杆本体通常由高强度钢材制成，具有较大的抗拉强度，以承受地下岩土体的拉力；锚固端头位于锚杆的末端，通过与岩土体产生摩擦或锚固力来传递拉力；注浆材料用于填充锚孔，增加岩土体与锚杆之间的黏结和摩擦力，提高支护效果。锚杆支护需预先钻孔并安装锚杆，施加预定的张力来使锚杆与岩土体紧密结合。张力的施加可以通过液压或机械力量来实现，锚杆与岩土体充分结合后即成为受拉杆件，抵抗地下压力的作用，稳定地支撑地下结构[1]。

2.2 预应力支护系统

预应力支护系统主要目的是通过提前施加作用力来增强隧道周围岩体的稳定性，在隧道周围岩石中预先设置预应力锚杆或预应力锚索，以此在隧道开挖之前形成预支护力，有效控制岩体的变形和位移。预应力支护的设计需考虑岩石的力学特性、地质条件、隧道尺寸及其所处的环境条件，以确保施加的预应力既能达到预期的支护效果，又不会导致岩体破坏。预应力支护系统的实施过程中，需要进行详尽的地质勘查和力学分析，以确定最佳的锚杆或锚索布局方案，采用高精度的钻孔设备进行钻孔，确保每一个锚点都能准确地按照设计位置施工。锚杆或锚索安装完成后，通过液压设备对其施加预定的张力时，需精确控制，以避免超过岩体的承受能力；施加预应力后，应定期对锚杆或锚索的状态进行检测，以确保长期的稳定性和有效性。

2.3 其他主动支护技术

除常见的锚杆支护和预应力支护系统之外，大跨度隧道施工领域还采用了多种其他主动支护技术，以应对复杂多变的地质条件和确保工程的安全与稳定。（1）喷射混凝土支护技术是在隧道开挖面喷涂混凝土层，形成坚固的支护结构，防止岩土松动和崩落，其施工迅速且灵活，能即时适应不同形状的隧道断面，尤其适用于岩石质量较差或地质条件复杂的区域。但喷射混凝土的质量控制对施工质量影响极大，需要精确控制混凝土的配比、喷射厚度和固化时间。（2）管棚支护技术则是在隧道开挖前，在其上方预先施工一层管棚结构，形成“伞”形支护体系，以减少开挖过程中的地表沉降和保护隧道上方的建筑物或其他结构[2]。管棚技术的关键在于管棚的布置和安装精度，需要根据地质条件和隧道的设计参数精心规划。（3）冻结法支护技术主要用于处理含水量高或地质条件特别复杂的土质。在地层中注入冷却介质，使周围的土壤或岩石冻结，增加其强度和稳定性。其挑战在于对冷却系统和温度控制的精确要求，以及对周边环境的影响评估。

3 大跨度隧道主动支护施工体系的整体设计原则

3.1 结构稳定性原则

结构稳定性原则是大跨度隧道主动支护施工体系设计的核心。其要求在设计和施工过程中要确保工程结构的稳定性，为此，需要进行详细的地质勘探和分析，精确评估隧道沿线的地质条件，包括岩土的物理和化学性质、地下水情况以及潜在的地质灾害风险。基于这些数据，设计时需选择合适的支护方法和材料，确保隧道在整个施工和使用周期内都能维持结构的稳定性。

3.2 环境适应性

环境适应性原则强调隧道主动支护施工体系需要考虑到周围环境的特性和对环境的影响，包括对地质环境的深入了解和对生态环境的保护。施工设计阶段，应充分考虑地下水位、土壤类型、地震活动、降雨量等自然因素对施工和未来运营的影响。例如，在地下水位较高的区域，需要设计有效的排水系统和防水措施；在地震多发区，应加强隧道的抗震设计。施工过程中，尽量减少对周边环境的干扰和影响，控制施工噪声、减少尘土飞扬和合理处理施工废弃物[3]；穿越生态敏感区域的隧道工程时需要采取特殊措施以保护当地的生物多样性和自然景观，保护了自然环境，也为隧道工程的顺利实施和长期运营提供了保障。

4 大跨度隧道主动支护施工过程中的关键环节

4.1 钻孔作业

钻孔作业的目的是为安装锚杆、锚索或喷射混凝土等支护结构提供必要的孔位，基于详细的工程设计和地质调查数据，精确规划钻孔的布局，考虑隧道的具体尺寸、预期的负载情况、岩石的性质及其他相关的地质因素，使用专业的钻孔设备进行作业。设备的选择应考虑到岩石的硬度、钻孔的深度和施工环境的复杂性。钻孔过程中应持续监控钻进速度、钻头的磨损情况以及钻孔的质量，以确保每一孔位都符合预定的标准。钻孔作业的质量控制是确保施工安全的重要环节，应对钻孔的直径、深度和方向进行精确测量，以及对钻出的岩石样本进行分析，评估地质条件是否与预先的调查结果一致，采取措施防止孔壁塌陷或水土流失，特别是在松散或含水量高的土层中。

4.2 安装支护结构

支护结构的安装旨在确保隧道开挖过程中岩土的稳固性，防止塌方或松散，为隧道的最终结构提供必要的支撑，此过程涉及多种支护技术，包括锚杆、锚索、喷射混凝土和预应力支护等。支护结构安装应确定支护结构的类型、规格、布置方式及材料选择，综合考虑隧道所处的地质条件、预期的负载情况、施工环境特点以及工程的整体成本效益，施工团队需使用专业的设备和技术进行安装，确保每一项支护要素都严格按照设计标准执行。

4.3 施工监测与调整

施工监测与调整是大跨度隧道主动支护施工过程中关键环节，确保整个工程的安全性、稳定性以及最终的施工质量，应对隧道施工过程中的各项关键参数进行实时监测，及时发现问题并进行相应的调整，以确保施工过程符合设计标准和安全规范。施工监测主要包括对隧道周围岩体的位移、应力、变形等物理量的测量，以及对支护结构，如锚杆、锚索的张力和喷射混凝土的稳定性进行监控，一般采用先进的监测设备和技术，如地质雷达、应变计、测斜仪等，收集数据对隧道施工的实时情况进行全面了解，并据此评估隧道的整体稳定性和安全性。随着施工的进行，监测数据可能显示出与设计预期或安全标准有所偏差的情况，应及时调整，更改支护结构的设计、增强或减少支护力度、调整施工方法等。除了对物理量的监测和调整外，施工监测还需要考虑环境因素和工人安全，对隧道施工产生的噪声、振动、尘埃等进行监测，确保施工活动不对周围环境造成过大影响。

5 大跨度隧道主动支护施工现场监测分析

5.1 施工现场监测数据分析

大跨度隧道主动支护施工中，现场监测数据对于确保施工安全和质量至关重要。位移监测数据显示了隧道壁和周围岩土体在施工过程中的移动趋势。如果在进行爆破作业后，某个区域的岩土体位移量显著增加，应立即采取加固措施，以防止进一步的位移导致隧道结构的不稳定。支护结构应力的监测数据能确保施工安全，如果数据结果表明支护结构的应力水平接近或超过了设计极限，是警示信号，需要立即采取行动，如加强支护结构或改变施工方法，以减轻结构上的压力。土壤压力的监测可预防隧道壁的塌陷，揭示了由地下水位变化或其他因素导致的土壤压力异常，应及时调整防水和排水措施，加固隧道结构。环境监测数据，如温度和湿度，对材料性能和施工条件有显著影响，如可显示在高温高湿条件下，某些支护材料的性能降低，要求工程师调整材料选择或施工时序。

5.2 现场监测的困境

苛刻的施工环境中，监测设备，如位移传感器和应力计，可能受到物理损害或环境因素（如极端温度、湿度和振动）的约束影响数据的准确性，导致对隧道安全状况的错误评估。隧道施工现场，尤其是在地下深处，信号干扰和连接问题可能导致数据传输不稳定或中断，重要的监测数据可能会延迟传送或完全丢失，影响对隧道稳定性和安全性的即时评估。此外，隧道施工是复杂的过程，即使是收集到准确的监测数据，如何正确解读这些数据，以使做出合理的施工调整，也需要丰富的专业知识和经验，错误的数据解读可能导致不必要的施工延误或不恰当的安全措施。随着施工进展和技术发展，监测系统需要升级，以适应新的施工条件和监测需求，但系统升级需要额外的时间和资源，可能会影响施工进度。

5.3 现场监测困境的对策

解决监测设备准确性和可靠性的问题，可以通过采用更高标准的、更能适应恶劣环境的设备来实现。使用抗振动、耐高（低）温的传感器，以及加强设备的物理保护，可以显著减少由环境因素造成的设备故障，定期的设备校准和维护也是确保监测数据准确性的关键。针对数据收集和传输中的技术障碍，采用更可靠的通信技术，如高频无线通信设备或建立更稳定的有线连接，可以减少数据传输中的干扰和中断，并建立数据备份系统，确保在信号中断时，重要的监测数据不会丢失。监测数据的分析和解读方面，建立由经验丰富的工程师和地质专家组成的专业团队负责监控数据，对潜在的问题做出专业的分析和反应，利用先进的数据分析软件和机器学习技术准确地解读复杂的监测数据，做出更有效的决策。

6 结语

通过对大跨度隧道主动支护施工体系及现场应用的全面分析可知，高质量的隧道工程不仅依赖于先进的技术和严谨的设计，还需细致的施工管理和质量控制，每一个步骤都是确保隧道安全、稳定和高效的关键。此外，对环境的深入理解以及对安全管理的持续关注同样不可或缺。随着技术的不断进步和实践经验的积累，大跨度隧道主动支护施工体系将继续优化和发展，为隧道工程成功实施提供更坚实的基础。