高速公路隧道开挖与支护加固技术应用研究

摘要 文章对高速公路隧道开挖与支护施工展开研究，以实际工程为例，根据环境情况与地质条件，制定了超前支护、开挖施工以及支护加固相结合的技术方式，以加强隧道开挖全过程的施工稳定性。研究成果如下：随着支护范围的不断扩大，隧道左侧拱顶沉降从57.91 mm变化为39.20 mm；隧道右侧拱顶沉降从48.86 mm变化为33.58 mm，其间左右两侧变化量分别为6.79 mm、11.92 mm、4.89 mm、10.39 mm，各部分沉降数值均较小，左右两侧的注浆区会形成整体，可有效应对隧道围岩应力，起到预期支护的加固作用。

关键词 公路工程；隧道施工；开挖；支护措施

中图分类号 U445 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）16-0073-03

0 引言

在高速公路隧道施工段，应严格按照设计要求进行挖掘，确保挖掘深度和速度符合规定，重点关注挖掘过程中的安全问题，如坍塌、涌水等。因此，根据施工情况采取针对性的支护加固技术，能够保护隧道结构安全，防止隧道在挖掘过程中发生变形，同时提高施工效率，合理缩短施工周期。合理的支护加固技术能够大幅度延长隧道使用寿命，减少隧道维护和维修的频率，控制公路隧道后期的运营成本，为运营车辆提供安全保障。

1 工程概况

研究以某高速隧道工程为例，该项目中隧道长度为672 m，隧道设计采用曲墙拱形断面结构，设计为双向四车道，隧道内部的限高为5.0 m，限宽为12.5 m，隧道设计车速为80 km/h。由于隧道周围环境地质属于剥蚀中山地貌，地层岩性多为碳质页岩夹杂砂岩，不仅容易风化剥落，而且隧道下岩质较软，在隧道开挖中存在浅埋、坍塌等问题。因此，采用超前支护、开挖施工以及支护加固相结合的方式，以保证案例工程的正常开展。

2 高速公路隧道开挖与支护方案流程

案例工程在进行开挖与支护加固时，一方面采用超前支护技术，结合隧道环境情况与地质条件，根据隧道结构形式、断面大小以及预期施工方案，制定相应的支护方案，分别采用台阶法、台阶分步法等方式进行施工[1]；另一方面是在开挖同时搭配支护加固措施，以加强施工安全质量。施工方案流程如图1所示。

3 高速公路隧道超前支护与开挖工法

3.1 超前支护设计

在开展超前支护设计前，还应根据施工段桩号对应的围岩级别情况，选用相应的施工方法与超前支护，例如案例工程某施工段的围岩等级从Ⅲ级、IV级到V级不等，为保证隧道开挖与支护加固质量，应分别选用两台阶法、三台阶法以及CRD法完成隧道工程的开挖作业，并配合采用超前管棚、超前小导管、超前锚杆三种支护方法，在开挖前与开挖中应同时搭配相应的支护加固方式。隧道围岩级别与施工参数情况如表1所示。

3.2 超前支护使用

鉴于案例工程施工段的围岩等级，重点对V级围岩施工段的超前管棚与超前小导管技术进行介绍：

3.2.1 超前管棚

首先是超前管棚技术，应借助液压钻孔车，通过有效调整钻孔车的钻孔推力与冲击力，在旋转时应在掌子面上顶紧台车大臂，避免振动幅度较大对施工钻入精度造成影响。钻机开孔时转速应缓慢、匀速，在钻进20 cm后可转入到正常转速，在第一阶时，可在距离尾部20～30 cm之间进行持续钻进，同时还要人工辅以管钳卡紧钻杆，保证丝扣不被卡死。换钻杆时应针对钻杆尾部进行检查，保证中心水孔的畅通性。开孔应采用直径为110 mm的钻头，钻孔直径应比管棚外径稍大10～20 mm，其间孔深应大于管长0.5 m以上。

超前支护阶段需要关注管棚拱架的表面应变，推导出混凝土应变系数、钢材弹性模量，进一步推导应力数值的公式如下：

σ=Eε （1）

式（1）中，E——弹性模量（GPa）；ε——应变数值；σ——管棚拱架应力（MPa）。将混凝土弹性模量取30 GPa，钢拱架弹性模型取206 GPa，得出施工中管棚钢架的拉应力稳定值为1.39 MPa。

3.2.2 超前小导管

超前小导管技术，即通过钻孔车或风动凿岩机的顶推，将小导管推至孔内，以加强施工前隧道的结构稳定性。实际施工中可以在现场加工小导管，采用缓慢钻入方式，并且在注浆时还应避免钻浆口被堵住，必须将管内杂物及时清除，可使用细钢筋进行清理。同时使用高压风或水冲洗，冲洗完毕后再次进行注浆，在超前小导管注入时，还应对浆液浓度与配合比进行实时调整，避免快速凝胶对导管注入造成不良影响[2]。该施工阶段应根据隧道围岩压力与接触压力数值，综合分析施工安全程度与不利位置，具体如表2所示。

3.3 隧道开挖工法

完成超前支护施工后，应针对隧道进行开挖作业，由于内层超前小导管已将岩体切割，这样可以采用挖掘机与松土器配合开挖即可。在此过程中，需要关注碳质页岩层之间的摩擦系数与松软夹层比，例如掌子面通常情况下会因为支撑力不足而出现滑坡与洞口坍塌情况。因此采用三台阶法，在施工前应注意核心土的预留，核心土高度应距挖轮廓的距离在1.2～1.5 m之间，长度通常为4～6 m，这样根据核心土的情况，上台阶立架时设计锁脚长度为4.5 m，实际施工中可以先打两排4根3 m的长锁脚。为保证隧道开挖的稳定性，还应明确材料物理学参数，例如对围岩、注浆区、超前支护、二次衬砌的弹性模量与泊松比系数等进行确定，具体如表3所示。

开挖过程中应对台阶长度进行严格控制，使初期开挖时能够形成有效支护体系。在开挖阶段，应在拌和站生产混凝土，待隧道内各台阶开挖完成后修好通往掌子面的便道，混凝土应及时到达现场，喷锚机械手立即封闭掌子面，相关参数如下：

（1）每次厚度应小于5 cm。

（2）新页岩暴露时间约为10～20 min。

（3）喷射混凝土封闭层厚度应控制在15 cm，可有效控制混凝土喷注过程中的掉块情况。

（4）混凝土处治完毕后，应及时对现场进行出渣清理，为后续钢筋网与钢架施工提供环境保障。

4 高速公路隧道支护加固技术措施

4.1 隧道支护加固体系构建

该工程的隧道支护加固主要分为超前支护与开挖阶段支护，具体为采用超前小导管、管棚支护、注浆作业、中空注浆锚杆、钢架与钢筋网铺设等技术措施，具体情况如表4所示。

4.2 喷射混凝土

在隧道开挖的初期支护阶段，主要采用喷射混凝土，即根据施工方案与工艺要求，进行素喷混凝土。在喷射前应对隧道断面情况进行检查，并且对外部周围的杂物进行清理，将墙角浮石与虚渣处理干净，再使用高压水对岩面进行冲洗。喷射混凝土时应以阶段为单位，按照先墙后拱的方式从下至上逐次作业，喷嘴缓慢运行，呈螺旋式，螺旋直径范围为20～30 cm，保证紧密喷射混凝土。与此同时还应时刻关注风压、水压与喷射距离，避免混凝土喷射后产生较大回弹，当隧道喷射混凝土厚度达到5 cm以上时，可选择两层作业方式，也就是当第1层混凝土终凝后，再进行第2次混凝土的喷射作业，这样通过分段式的分层喷射，可进一步增强混凝土整体结构的稳定性。此外，在初次喷射时应先找平岩面，爆破工作应在上一循环喷射混凝土终凝4 h以上再次进行[3]。

在注浆锚杆安装前，还应针对隧道中岩柱位移情况进行确认，可分为竖向位移与水平位移两方面。在隧道支护加固作业中随机选取6个监测点位，获取的隧道中岩柱监测点位移数据如表5所示。

将隧道中间断面作为特征断面，选取关键点位对中岩柱变化进行汇总，根据表5监测数据可知，在竖向位移方面，隧道开挖造成的中岩柱变化规律大致相同，发生明显土体沉降的区域为顶部与中部，这是因为隧道开挖与支护对原有结构应力造成影响。与此同时，采用超前管棚与超前小导管技术进行开挖支护过程中，隧道中岩柱的最大土体沉降数值分别为49.95 mm与52.37 mm，满足案例工程的施工工艺要求，可进一步开展后续的施工作业。

4.3 注浆锚杆安装

在注浆锚杆安装施工阶段，主要分为测量放样、钻孔、锚杆杆体安装以及注浆四部分，具体工作内容如下：

（1）在进行固定锚杆开孔时，应对各桩位进行准确测量，并且将开孔偏差控制在100 mm以内，同时根据施工图纸要求，确定锚杆孔的孔轴方向，锚杆的孔轴方向与滑动面应保持相反方向且呈45°以上的交角。

（2）针对锚杆方向与位置进行严格的成孔控制，当钻完锚孔后，先使用高压风机对孔内进行清洁处理，在后续成孔钻进时，应控制好锚孔的位置、直径及钻进方向，保证锚孔整体的平直程度。每次钻进后都应及时对参数进行检查，如果不合格应及时进行二次钻孔。

（3）采用中空注浆锚杆时，锚杆的垫板安装应垂直于锚杆，并且与初喷混凝土紧密贴合。

（4）注浆阶段应通过锚杆内预留出注浆接口，使用专用高压注浆泵进行注浆作业，通过排气管排出隧道内部的气体，自然排出隧道墙部的气体，这样能够保证锚杆孔内注浆的饱满程度[4]。

4.4 钢筋网铺设与锁脚锚杆

在进行钢筋网铺设时，网片加工应根据围岩类别以及预期施工参数进行设计与生产制作，并且在钢架靠近岩面一侧焊接钢筋网，以保证结构整体的稳定性。喷射混凝土时应减小喷头至受喷面的距离，并且全过程控制风压，避免钢筋网振动对混凝土喷射造成不良影响。此外，钢筋网喷射混凝土保护层应在200 mm以上，后续的锁脚锚杆安装中，钻机需要经过不断调试，并根据预设的锚杆位置固定钻机，将钻杆调整至设计方向。钻孔过程中应保证钻机的稳定、牢靠，将钻孔口偏差控制在50 mm内，并且采用比管径超出20 mm的直径进行钻孔作业。

4.5 隧道支护加固效果分析

为验证案例工程隧道支护方案的应用效果，将根据最大支护范围及拱顶沉降情况进行分析。当管棚布置方式不断扩大时，隧道拱顶的沉降数值会逐渐减小，即支护范围从90°变为135°与180°时，拱顶变化量能够反映支护体系的加固效果，具体如表6所示。结合表6中数据可知，随着支护范围的不断扩大，隧道左侧拱顶沉降从57.91 mm变化为39.20 mm；隧道右侧拱顶沉降从48.86 mm变化为33.58 mm，其间左右两侧变化量分别为6.79 mm、11.92 mm、4.89 mm、10.39 mm，各部分沉降数值均较小，左右两侧的注浆区会形成整体，可有效应对隧道围岩应力，说明隧道支护对拱顶沉降具有良好的控制效果。

5 结论

综上所述，在高速公路隧道施工中，选择合理的开挖工法与支护技术，能够大幅度提升工程质量与施工安全。该文根据案例施工段的地质情况，引入超前支护技术措施，并且在开挖施工同时进行支护加固体系的构建，技术应用成果如下：随着支护范围的不断扩大，隧道左侧拱顶沉降从57.91 mm变化为39.20 mm；隧道右侧拱顶沉降从48.86 mm变化为33.58 mm，其间左右两侧变化量分别为6.79 mm、11.92 mm、4.89 mm、10.39 mm，各部分沉降数值均较小，左右两侧的注浆区会形成整体，可有效应对隧道围岩应力，进一步提高隧道的整体稳定性。

参考文献

[1]韩丛.不良地质条件下隧道洞身开挖施工关键技术[J].工程建设与设计，2024（2）：108-110.

[2]惠冰，王琳，张文俊，等.山岭公路隧道CD法开挖过程安全稳定性分析[J].浙江工业大学学报，2024（1）：86-92.

[3]周兴宇，徐士良，卫世全，等.地铁隧道下穿铁路浅埋暗挖施工与数值模拟分析[J].安徽建筑，2024（1）：157-159.

[4]曹俊，张永杰.基于弹性地基梁法的隧道纵向变形开裂机理及治理方案研究[J].公路，2024（1）：399-408.