公路隧道工程的复合型支护施工技术的研究

收稿日期：2024-01-06

作者简介：曹然（1990—），男，本科，工程师，从事高速公路建设管理工作。

摘要 为了研究公路隧道工程的复合型支护施工技术，文章依托公德房隧道工程，分析了隧道小导管超前支护、隧道超前中管棚支护、隧道洞身初期支护以及隧道二次衬砌施工等技术。研究结果表明：（1）隧道开挖前，可采用双层和单层小导管超前支护，以及超前中管棚支护。（2）隧道开挖后，采用锚杆对隧道洞身进行初期支护，然后进行二次衬砌施工。（3）隧道支护质量通病主要表现为钢拱架安装侵入衬砌界线和二次衬砌表观效果差。

关键词 公路隧道；支护技术；隧道工程；防治措施

中图分类号 U455.7文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）09-0065-03

0 引言

随着公路交通的快速发展，公路隧道的建设日益增多，隧道穿越的地质种类也相应增多，因此，在隧道施工过程中，须对开挖的区域进行支护。在达到施工条件下，为保障施工安全，加快施工进度，学者们对隧道工程的支护技术进行了多方面研究。方勇等[1]对黄土隧道支护失效机理及新型支护体系施工受力进行了分析，分析结果表明：复杂受力环境下，传统型钢支护由于面内、面外刚度差异难以保证围岩及隧道结构的稳定性；李翔等[2]以深部隧道围岩剪切滑移变形机制为例，对深部隧道支护结构区间非概率可靠度进行了分析；蔡根森等[3]对穿越工程超前支护优化与安全控制技术进行了研究，研究结果表明：采用理论分析、工程类比与实时监测信息化施工等研究手段，结合水平跟踪补偿注浆措施，可保障富水地层超前管棚的施工安全；贾兴明等[4]对浅埋隧道支护结构内力和变形计算进行了分析，研究结果表明：二衬施加后，竖向支撑轴力增加较大，弯矩、剪力和侧向位移变化较小；李奉杰[5]依托双向分离式的老土地隧道工程，在明确二次衬砌的施工流程后，阐述了二次衬砌防排水施工、钢筋绑扎、模板安装、混凝土施工的关键质量点。以上学者对隧道支护结构稳定性及施工工艺进行了研究，并对隧道超前支护技术进行了分析。

基于此，该文参考以上学者的研究成果，依托公德房隧道工程，对公路隧道工程的复合型支护施工技术进行了研究，分析了隧道小导管超前支护、隧道超前中管棚支护、隧道洞身初期支护以及隧道二次衬砌施工等技术，同时针对隧道支护质量通病制定了预防措施。

1 工程概况

该项目为公德房公路隧道工程，该隧道位于普格县和宁南县，为分离式双线隧道，洞轴线为曲线形。隧道起点位于普格县黎安乡沙里村，终点位于宁南县新建乡上游村。隧道进出口附近有国道G248通过，隧道轴向走向为143 °～180 °，设计路面标高为1 110.44 m～1 119.83 m，隧道净宽10.75 m，净高5.0 m。隧道的左线洞顶最大埋深约321 m，右线洞顶最大埋深约345 m。在隧道开挖过程中，需对开挖区域进行超前支护。

2 隧道支护施工技术

2.1 隧道小导管超前支护

在隧道开挖前需进行超前支护，隧道超前支护可分为双层小导管超前支护和单层小导管超前支护。其中，双层小导管超前支护布置如图1所示。小导管用热轧无缝钢管加工制成，直径42 mm，壁厚4 mm，长4.5 m，环向间距40 cm。管身设置注浆孔，孔径8 mm，孔距20 cm。采用梅花形布置，前端加工成锥形，尾部预留长度不小于50 cm的不钻孔止浆段。

图1 双层超前布置截面图（cm）

在双层小导管超前支护过程中，首先在隧道开挖前沿拱部开挖轮廓线外10 cm标出孔位，然后采用锚杆台车或风枪进行钻孔。在双层小导管安装过程中，小导管外插角分别为缓倾角（5 °～12 °）和陡倾角（20 °～30 °），

上下两层交错布置，环向间距40 cm，按拱部120 °范围布置，然后利用注浆设备对小导管进行注浆作业。按照设计配合比及设计规定的注浆压力控制进行注浆施工，注浆压力为0.5～1 MPa，每孔的注浆压力应达到1.0 MPa，继续保持10 min以上后即可停止注浆。

单层小导管超前支护与双层小导管超前支护除小导管安装方法略有不同外，其他方法基本相同。在单层小导管安装过程中，小导管外插角为5 °～12 °，药卷锚杆为5 °～15 °，环向间距均为40 cm。

2.2 隧道超前中管棚支护

超前中管棚适用于隧道断层地带施工，中管棚为φ89 mm热轧钢管，壁厚6 mm，管节每节长2 m。钢管上须钻注浆孔，孔径为8 m，孔间距为20 cm，呈梅花形布置，尾部3 m不钻孔作为止浆段。管节之间采用丝扣长度不小于10 cm的厚套筒进行连接，钢管每一连接接头与相邻钢管接头应错开不小于50 cm的距离，并保证同一断面的钢管接头不大于50%。中管棚节段构造如图2所示。

在超前中管棚施工前应先喷射5 cm厚的混凝土封闭掌子面，保证注浆作业时浆液不向掌子面外溢出。喷混凝土完成后，再安装I18导向钢架。中管棚导向钢架为2榀I18钢架，沿纵向紧贴布置。钢架采用冷弯工艺加工，严禁采用气割、烧割等损伤母材的弯制方法。在安装中管棚过程中，中管棚钻孔深度为10 m，每隔10 m一循环，每一循环的搭接长度为2 m。管棚环向布置间距为300 mm，超前中管棚布置如图3所示。管棚注浆时应按先上后下、先稀后浓的原则进行注浆。注浆量由压力控制为主，并对注浆量进行校核，注浆初始压力为0.5～

1 MPa，终压为2.0 MPa。注浆结束后应及时清除管内浆液，并用M30水泥砂浆充填，以增强管棚的刚度与强度，并在中管棚施工完成后将导向钢架拆除。

图3 超前中管棚布置截面图

2.3 隧道洞身初期支护

开挖完成后，应认真检查隧道斷面，清除浮石和墙角虚碴，并用高压水或风冲洗岩面，然后在围岩表面初喷混凝土至设计厚度，喷射混凝土采用湿喷工艺。喷射混凝土作业采取分段、分块，先墙后拱、自下而上的顺序进行。在混凝土初期喷射完成后，对隧道进行支护。当围岩为Ⅴ级时，衬砌使用的药卷锚杆直径为22 mm，长度为3.0 m，梅花形布置，环向间距为120 cm，纵向间距为120 cm，以外插角10 °～14 °进行施工作业，衬砌锚杆布置如图4所示。当围岩为Ⅳ级时，衬砌使用的药卷锚杆直径为22 mm，长度为2.5 m，梅花形布置，环向间距为120 cm，纵向间距为100 cm，以外插角10 °～14 °进行施工作业。

图4 衬砌锚杆布置示意图

钢筋网应在锚杆作业完成且凝固后进行安设，采用单层Φ8 mm和Φ6 mm的钢筋网，网格尺寸分别为20 cm

×20 cm、25 cm×25 cm。钢筋网片应随受喷岩面起伏铺设，与受喷岩面的最大间隙不宜大于30 mm。在隧道初期支护中，衬砌施工段采用I20和I18工字钢架进行支护，钢架安装就位后，钢架与围岩之间的间隙应用喷射混凝土充填密實。喷射混凝土由两侧拱脚向上对称喷射，并将钢架覆盖。

2.4 隧道二次衬砌施工

当围岩和初期支护变形基本稳定，隧道周边变形速率明显下降并趋于缓和，水平收敛小于0.2 mm/d（d为天数），拱顶沉降速率小于0.15 mm/d，累计位移值达到极限位移值的80%以上时，方可进行二次混凝土的衬砌施工。在二次衬砌施工前期，根据隧道中线和高程测量，检查初喷后的断面是否侵线。超喷部分应按规范要求进行修凿，并做好断面的检查记录。喷混凝土表面平整度应符合D/L≤1/6的要求（L为相邻凸出距离，D为凹进深度）。若不满足，则需要补喷混凝土使其表面平整圆顺。

在衬砌拱墙制作和钢筋安装过程中，钢筋由洞外钢筋加工场统一制作，运送至安装现场，主筋之间采用焊接方式进行连接，其他钢筋采用梅花形绑扎，钢筋安装严格按照设计图纸施工，隧道钢筋分布如图5所示。

图5 隧道钢筋分布图

拱墙混凝土由拌和站统一拌制，混凝土运输车运送至现场，再用输送泵送料浇筑。混凝土要对称、分层浇筑，分层捣固。封口时混凝土一定要从内向的端模方向进行灌注，排出空气，保证灌注密实。

3 隧道支护质量通病及预防措施

隧道支护质量通病主要表现为钢拱架安装侵入衬砌界线和二次衬砌表观效果差。当钢拱架安装不准确或钢拱架变形严重的情况下，会出现钢拱架安装侵入衬砌界线现象。因此，在钢拱架安装过程中，应精确测量定位，并在施工过程中和施工后严格检查架设质量，确保钢架基础平整牢固。钢架安装后应尽快焊接连接筋、规范安装锁脚锚杆、喷混凝土，以形成整体的受力体系。

隧道二次衬砌混凝土施工质量通病主要表现在以下几个方面：蜂窝、麻面、孔洞、露筋（存在于配筋的混凝土衬砌）、夹层、裂纹、表面不平顺、强度不够、均质性差等。因此，在衬砌混凝土施工过程中，混凝土要拌和均匀，搅拌时间不得少于规定的时间。混凝土的振捣应分层捣固，振捣间距要适当。在振捣过程中，防止砂、石中混有黏土块或冰块等杂物。若发现混凝土中有杂物，应及时清除干净。为防止钢筋移位，应严禁振捣棒撞击钢筋。若防水板挂设过紧，没有预留适当的松弛系数，在浇筑混凝土过程中防水板紧绷，将会在拱顶出现空洞。因此，需在拱顶预埋设φ42钢管或PVC管，二次衬砌完成后对拱顶背后进行注浆处理。

4 结论

该文依托公德房隧道工程，对公路隧道工程的复合型支护施工技术进行了研究，分析了隧道小导管超前支护、隧道超前中管棚支护、隧道洞身初期支护以及隧道二次衬砌施工等技术，同时针对隧道支护质量通病制定了预防措施。可得如下结论：

（1）在隧道开挖前需进行超前支护，隧道超前支护可分为双层小导管超前支护和单层小导管超前支护，在支护过程中先钻孔再注浆，注浆时要控制好压力。在进行隧道超前中管棚支护时，应先喷射混凝土封闭掌子面，再安装导向架，然后钻孔安装中管棚，最后进行注浆填充。

（2）隧道开挖完成后进行隧道洞身初期支护，应先清除浮石和碎碴，再喷射混凝土；然后安装衬砌锚杆，再挂设钢筋网片，安装钢架；最后喷射混凝土覆盖钢架。当围岩和初期支护变形稳定后，进行二次混凝土衬砌施工，应先喷混凝土使隧道表面平整，然后采用钢筋制和拱墙，最后进行混凝土浇筑。

（3）隧道支护质量通病主要为钢拱架安装侵入衬砌界线以及二次衬砌表观效果差，在钢拱架安装过程中，应精确测量定位，并在施工过程中和施工后严格检查架设质量。在衬砌混凝土施工过程中，混凝土要拌和均匀，振捣时分层捣固，振捣间距适当。混凝土浇注时要分层、均匀，振捣要密实，应严禁振捣棒撞击钢筋，并在二次衬砌完成后对拱顶背后进行注浆处理。

参考文献

[1]方勇， 蔡元成， 韩红星， 等. 黄土隧道支护失效机理及新型支护体系施工受力分析[J]. 公路， 2024（1）： 379-391.

[2]李翔， 魏恒， 王靖童. 深部隧道支护结构区间非概率可靠度分析[J]. 中国安全科学学报， 2024（1）： 67-76.

[3]蔡根森， 梁粤华. 穿越工程超前支护优化与安全控制技术研究[J]. 山西建筑， 2024（1）： 159-162.

[4]贾兴明， 来高峰， 彭琦等. 浅埋隧道支护结构内力和变形计算分析[J]. 科技通报， 2023（12）： 67-71.

[5]李奉杰. 碎屑岩低山区浅埋隧道二次衬砌施工工艺探究[J]. 四川建筑， 2023（6）： 194-196.