高速公路隧道工程超前支护结构及施工技术研究

摘 要：【目的】为解决常规高速公路隧道工程超前支护结构及施工技术中超前支护参数选取不精确、围岩变形控制效果不佳的问题，对高速公路隧道工程超前支护结构及施工技术进行研究。【方法】分析隧道围岩的破坏形式及其影响因素，选取适用于高速公路隧道工程的超前支护参数。在实际施工中，采用钻孔支护与注浆等关键技术，对某高速公路隧道工程进行施工，并实施全程监测。【结果】结果表明，在应用该施工技术后，高速公路隧道在水平收敛趋于稳定后，其洞顶沉降值最高仅为14.4 mm，远低于施工规范中的允许范围。【结论】提出的基于精确超前支护参数选取的高速公路隧道工程超前支护结构及施工技术，在实际应用中展现了良好的围岩变形控制效果，满足施工要求，具有较高的应用价值。

关键词：高速公路；隧道工程；超前支护结构；隧道施工；管内注浆

中图分类号：U455" " " 文献标志码：A" " 文章编号：1003-5168（2025）01-0064-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.01.012

Research on Advance Support Structure and Construction Technology of Expressway Tunnel Engineering

XI Xiuli

（Handan Transport Bureau Road Works Ⅱ， Handan 056002， China）

Abstract： [Purposes] In order to solve the problems of imprecise selection of advance support parameters and poor control effect of surrounding rock deformation in conventional highway tunnel engineering， the research on advance support structure and construction technology of highway tunnel engineering is proposed. [Methods] The failure mode of tunnel surrounding rock and its influencing factors are analyzed. Based on these analyses， the advance support parameters suitable for expressway tunnel engineering are selected. In the actual construction， the key technical steps such as support drilling and grouting were used to implement a highway tunnel project， and the whole process monitoring was implemented. [Findings] The results show that after the application of the construction technology， the maximum settlement value of the tunnel top is only 14.4mm after the horizontal convergence of the expressway tunnel tends to be stable， which is far lower than the allowable range in the construction specification. [Conclusions] The advance support structure and construction technology of expressway tunnel engineering based on the accurate selection of advance support parameters show good surrounding rock deformation control effect in practical application， meet the construction requirements， and have high application value.

Keywords： expressway; tunnel engineering; advance support structure; tunnel construction; grouting inside the pipe

收稿日期：2024-03-18

作者简介：郗秀丽（1973—），女，本科，高级工程师，研究方向：公路、桥梁施工。

0 引言

在高速公路的施工过程中，特别是在山区、丘陵地带等地形复杂的地方，直接穿越山脉可能导致路线过于曲折、坡度过大，这不仅会影响行车安全和舒适性，还可能增加建设成本和施工难度。因此，为了缩短行车时间，提高行车效率，需要修建穿山隧道。隧道情况复杂，可能出现软弱岩层等特殊地段，若在施工过程中，没有做好支护，容易导致边坡发生滑坡［1］，严重可能导致塌方事故，影响施工进程安全。一般情况下，洞口地段的埋深较浅，在自然状态下不易被破坏，但是围岩自身承载能力弱，隧道的荷载容易不对称，在地质条件差的隧道，会进行超前支护，但是围岩变形程度不同，支护效果也会发生改变，对隧道工程超前支护结构及施工技术进行研究，有利于确保施工安全，缩短工期，提高产能［2］。在高速公路隧道工程超前支护结构的研究中，李然等［3］将围岩看作是特殊的连续介质材质，针对具体的围岩数据，考虑多方面因素，同时按照存在的变形机制，对形成的特殊局部破坏机制进行了分析。杨强等［4］提出隧洞在实际开挖处理之后，应力情况会出现特殊的释放机制，因此需要分析特定的薄弱区域，来实现预期的稳定状态。基于此，本研究针对高速公路隧道工程超前支护结构及施工技术进行研究，以期为同类工程施工提供参考。

1 高速公路隧道工程超前支护结构及施工技术

1.1 高速公路隧道工程超前支护参数选取

根据不同的基坑开挖深度，以单支撑支护结构为主，使用拉森Ⅲ型钢板，组装排桩支护。排桩支护的钢板桩主要采用止水钢板桩，钻孔灌注桩直径为300 mm，长度为1.5 m，内支撑采用钢支撑，型号为Ф320 mm×12 mm［5］。同时设置基坑深度，基坑的桩间距为1.3 m，混凝土强度等级为C30，在满足排桩稳定性要求的条件下，计算底面对排桩墙产生的主动土压，计算见式（1）。

[Z2=c*v+x2U+1+B1Z3*1F] （1）

式中：[c]为垂直荷载参数，N；[v]为土底面层物理特性相关系数，Pa；[x2]为天然重度的土底对应参数，kg/m³；[U]为混凝土厚度，m；[Z3]为内摩擦系数；[B1]为附加荷载系数；[F]为地面附加荷载系数。在此基础上，按照主动土压参数，建立并求解静力平衡方程，并计算底墙后主动土压力，按照计算参数，采用无支撑支护结构的方式，在钻孔灌注围护桩顶部，设置钢支撑，将其与钻孔桩一起配置。采用钢筋混凝土内支撑截面支撑围护桩身，并通过部分钢筋将盾构机改为采用钢支撑和钢筋混凝土支撑。在此基础上，对部分参数进行设定，具体情况见表1。

管棚断面内的钢管接头为5个，使用热轧无缝钢管，选取两端连接的方式进行分段安装，安装时精准定位，选取的钢管管径大小为129 mm。在明洞衬砌外位置安装钢架混凝土套拱，管棚的承载力会发生变化，采用30 cm的棚预支撑环向间距施工，使用差距法计算导向管外插角，截断面设置40个钻孔，管棚角度为4°［6］。从隧道设计的尺寸出发，搭接两个纵向管棚，长度为1.7 m，并根据土层条件，选取外插角。管棚总长度为93 m，采用工字钢架，将间距设置为0.68 m，当发生其他情况时，适当增加间距，但是总体上小于0.75 m，其他相关参数同常规超前支护参数相同。

1.2 钻孔支护

根据参数安装超前支护钻机，进行空转调试及分组钻孔。在使用时，将空压机放置于隧道洞口，先检查钻头钻进是否流畅，并检查设计要求是否达标。在钻机就位前明洞开挖时预留平台，搭设工作平台，对预埋的导向管进行编号，从导向管开始钻进，终孔偏斜率在1/2 000以内［7］。在钻进施工前期，钻机保持低速低压，钻机的配套动力为GZJB空压机，使用的钻杆型号为Φ90 mm，类型为优质合金钢型，使用的钻头型号为Φ127 mm。当钻机在工作平台时，根据标记的钻孔位置，在确保钢管底部能够达到规定的地层深度前提下，采用潜孔钻进的方式进行钻孔，设置其额定压力为13.8 bar。纵向连接钢筋，其钢筋环向间距设置为122 cm，排渣出现软泥情况时，对脚手架进行支撑，对钻孔的渗水位置使用木塞矩阵封堵。在实际钻孔作业时，使用空气压缩管，将YG60钻机固定于工作平台上，将自然风送至施工掌面位置，并计算排桩最大弯矩，见式（2）。

[N=j+l2*Nx12+w*eF+d×J2] （2）

式中：[j]为钢板桩的截面尺寸；[l2]为排桩结构的入土深度；[N]为内支撑反力系数；[x1]为土压力为零的位置；[F]为支撑反力；[d]为支撑剪力；[J2]为排桩的最小入土深度；[w]为滑动力矩之和；[e]为滑动力矩，从而得到排桩最大弯矩，根据该参数，设定额定压力，供风量最大为59.2 cm3/s，在液体充分混合的基础上，保持低速低压，将浆液泵送到钢管中，在此基础上，保持低速低压，配合高压风机清理钻渣，并进行验孔操作，达到钻孔的标准，完成钻孔操作。

1.3 超前支护管内注浆

在钻孔完成后，进行支护管内注浆施工。配制浆液比例为水泥∶水玻璃∶清水=1∶2∶0.5，配制完成后，采用注浆小导管工艺，将浆液倒入稀释浆液桶进行稀释。为了防止浆液溢出，用水玻璃与清水的混合液进行调制，让液体充分混合，并将混合液静置。在此基础上，将浆液钢管放置于同一水平线上，连接出浆口与钢管，并在两端连接紧实的情况下，将浆液泵送到钢管中。之后调制水玻璃与清水的混合液，并将其放到调制好的浆液中，其中水玻璃的体积，一般情况下为水泥浆液体积的5%，水泥浆水灰比为1∶1。为了更好地控制注浆压力，计算注浆量，在注浆完成后，清除管内遗留浆体，并使用水泥砂浆进行填充，为了能够让外壁与孔岩壁间保持较好的严密性，设计超前大管棚，如图1所示。

其中大管棚的型号为[Φ]108 mm，壁厚为8 mm，为了确保其结构强度，采用焊接工艺进行拼接，并严格控制管接头的数量在5个以内。在加工场内，设置止桨板于泥浆泵底部，并使用长管棚进行连接，连接方式为丝扣直接对口。为了确保注浆质量，采用胶泥麻筋箍成楔形无孔钢花管，并在高压注浆时对注浆孔进行检查［8］。在第一节钢管的安装过程中，使用钻机沿隧道洞口方向进行顶进，以完成现场接管。为了防止浆液溢出，严格控制注浆压力，并在出现小裂浆时，使用水泥沿拱架环圈顺时针方向浸泡麻丝，同时调整注浆浆液的配比。在钻进过程中，如果遇到特殊情况，会更换其他类型的钻头重新钻孔，一般情况下，使用的钻头型号为[Φ]125 mm。注浆结束后，及时清理管内遗留的浆体，以确保注浆工作顺利完成。

1.4 超前支护效果监测

在高速公路隧道超前支护结构的监测过程中，监测点的设置是一项基础且关键的任务。为了确保监测的全面性和准确性，需要深入了解隧道的地质条件、设计参数及具体的施工工艺，从而在拱顶、拱腰、边墙等极易出现变形或应力集中的关键位置合理布置监测点，实时反映超前支护结构的工作状态，确保隧道施工的安全和顺利进行［9］。在选择监测设备时，应根据监测点的具体类型和监测目标，精选高精度、高稳定性和高可靠性的设备，如位移计、应力计、应变计、压力传感器等。这些设备不仅能够准确捕捉隧道内的微小变化，还能在恶劣的施工环境下保持稳定性能，确保监测数据的准确性和可靠性。

在监测方法方面，采用多种手段相结合的方式，包括位移监测、应力监测、注浆压力监测和视频监控等。位移监测能够实时掌握隧道拱顶、拱腰、边墙等关键位置的位移变化，分析超前支护结构的变形情况；应力监测则能够测量支护结构内部的应力分布和变化情况，评估其承载能力和稳定性；注浆压力监测可确保注浆过程中的压力变化得到实时监控，保证注浆质量和效果；而视频监控则提供了直观的隧道内部施工情况，帮助管理人员及时发现和处理异常情况。在监测过程中，应定期收集并整理监测数据，利用专业的数据分析软件进行深入分析，提取关键信息，从而评估超前支护结构的效果和性能。根据评估结果，及时将监测信息反馈给施工管理部门和技术人员，为施工提供相关参考。一旦发现潜在问题或异常情况，立即采取相应措施进行整改和处理，确保隧道施工的安全和质量。

2 实例分析

为了验证本研究设计的高速公路隧道工程超前支护结构及施工技术的应用效果，进行实例分析。

2.1 工程概况

本研究以某在建高速公路隧道作为分析对象，该隧道左右行分离，属于双向四车道，其中进口测量线间距为28.9 m，入口的地形是宽广型，隧道主要参数见表2，隧道支护结构平面如图2所示。

该隧道的进口沟谷底部有一条河流，呈狭窄V形，施工期间无水流，年平均径流量为25.6亿m3，冲沟走向为南北向，宽13～24 m，地层岩性的情况见表3，相关的计算参数见表4，并根据该参数进行施工。

2.2 数值监测

为了分析施工结果，在施工后对数值进行监测，监测面的选取情况见表5。

在隧道开挖毛洞的测点处， 设置 1个锚桩，并使用早强锚固剂进行固定，同时对其进行加密监测，并增加测点，桩头处固定一个角铁，在拱顶下沉量的测量过程中，主要使用到的工具有钢挂尺，在地表沉降量测过程中，使用到的主要仪器为全站仪。在测定的过程中，量测精度为0.01 m，以保证监测的有效性。采用全站仪加反射片的方式测量拱顶下沉，同时分别测量多个路段，从而保障数据的有效性。 同时设置量测频率，在不同工作面设置不同的量测频率，以此进行监测。

2.3 监测结果分析

本研究对隧道的支护情况进行检测，可以得到两个断面的拱顶沉降情况，如图3所示。

从图3可以看出，使用本研究提出的施工技术，对高速公路隧道超前支护进行施工，引起的最大拱顶沉降为14.4 mm，有效控制了拱顶沉降，围岩整体上处于稳定状态。对趋于稳定后的洞顶沉降参数进行统计，结果见表6。

从表6可以看出，在水平收敛趋于稳定后的洞顶沉降值最高达到14.4 mm，满足施工要求，并且支护能够有效控制围岩的位移变形。

3 结语

本研究提出了高速公路隧道工程超前支护结构及施工技术。在结合隧道围岩破坏形式的基础上，对高速公路隧道工程超前支护参数进行准确选取，并对支护钻孔及注浆等步骤进行详细阐述，有效控制了隧道围岩的位移变形，为超前支护研究提供了参考。

参考文献：

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［2］左海.隧道大管棚超前支护施工技术与质量控制措施［J］.交通科技与管理，2023，4（5）：144-146.

［3］李然，陈平，张顶立，等.大断面三孔小净距隧道围岩稳定性数值研究及工程实践［J］.土木工程学报，2022，55（11）：83-95.

［4］杨强，田国峰，何博.浅埋地铁区间隧道正穿填土路基超前支护结构优化研究［J］.交通世界，2022（27）：29-32.

［5］田四明，吴克非，刘大刚，等.高原铁路极高地应力环境隧道主动支护设计方法研究［J］.铁道学报，2022，44（3）：39-63.

［6］王晓辉.下穿河谷软弱围岩高铁隧道支护结构稳定性分析［J］.国防交通工程与技术，2020，18（6）：34-37，56.

［7］申海晓.高速铁路软弱围岩隧道挤压变形控制技术［J］.兰州工业学院学报，2022，29（1）：29-35.

［8］王志龙，王明年，严志伟，等.考虑超前支护作用效应的围岩-支护相互作用机制研究［J］.隧道建设（中英文），2021，41（10）：1748-1755.

［9］张顶立，方黄城，陈立平，等.隧道支护结构体系的刚度设计理论［J］.岩石力学与工程学报，2021，40（4）：649-662.