浅析复合支护在隧道施工中的应用

摘要：隧道设计中存在的诸多问题严重制约了隧道建设的科学化、精细化、规范化，隧道支护结构失稳而导致的隧道工程事故越来越多，主要原因是对隧道围岩及支护体时效稳定及可靠性的研究不足。文章结合隧道自身特点及工程地质条件选择复合支护的方式对隧道进行支护。

关键词：隧道事故；围岩稳定性；复合支护

中图分类号：TU753 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）09-0088-02

近些年来我国铁路隧道建设取得了巨大的成就，但与隧道相关的理论体系不完善，施工机械化程度不高、施工安全风险大。隧道工程建设中存在的种种困惑和问题，主要是没有结合复杂多变的地质条件从原理上进行系统的研究，缺乏可靠的有针对性的设计理念和工程对策。因此开展隧道支护与围岩作用关系的研究，从隧道结构设计中支护——围岩作用关系这一核心问题出发，围绕围岩力学特性及结构稳定性，初期支护与围岩作用关系，初期支护与二次衬砌作用关系进行深入研究，具有重大的学术价值和现实意义。

1 工程概况

某隧道是铁路建设的重点性关键控制工程，独头掘进距离长，地质条件复杂，施工场地狭窄。隧道开挖时有发生岩溶、岩爆、瓦斯、突水、突泥、煤层、冒顶的可能，施工安全是本隧道施工的重点。由于进口端受地形的限制，该隧道设计为变间距隧道，隧道轴线最小净距离为21.5m，最大间距为43.5m。为了解决该隧道施工过程中的诸多问题，隧道结构按新奥法原理进行设计，采用复合衬砌，初期支护以喷射砼、锚杆、钢筋网为主，局部辅以U型钢钢架、格栅钢架加强，充分调动和发挥围岩的自承能力，在监控量测信息指导下施作初期支护和二衬混凝土。

2 施工工艺及质量控制

隧道施工实行机械化、专业化作业，配备钻孔台架、挖掘机、液压震动锤、湿式喷射机、高压注浆机、混凝土拌和楼、混凝土输送泵、全断面液压钢模衬砌台车、通风排烟设备等关键设备施工。实施开挖、喷锚、二次衬砌等多条机械化作业线流水作业，实现主要工序机械化作业，充分发挥机械效率。Ⅳ级围岩采用台阶分部开挖法；Ⅲ级围岩一般地段采用全断面开挖，岩溶、岩爆地段采取下中导坑超前开挖、后二次全断面扩开挖，以提前做好岩溶、岩爆超前预测和应力释放。初期支护紧随开挖面及时施作，减少围岩暴露时间，抑制围岩变形。用锚杆风枪钻锚杆孔，注浆泵注浆，采用先锚后灌法埋设锚杆，安设钢支架。喷射混凝土采用湿喷技术；混凝土衬砌采用仰拱先行的方法，即仰拱施工紧跟初期支护。二衬采用全断面整体模板衬砌台车模筑，二衬距开挖面距离不大于200m，混凝土由拌和楼集中生产，混凝土运输罐车运输和输送泵泵送。

2.1 初期支护混凝土喷射质量控制

严格按规定的速凝剂掺量，并添加均匀，严格控制水灰比。在未上混凝土拌和料之前，先开高压风和高压水，水和高压风成雾状。喷射分成段，长度不得多于6m，分块大小：2×2m，严格先墙后拱自下而上喷射。喷嘴对岩面作顺时针方向，螺旋转动，“S”形往返移动前进。适当调整风压，不宜过大或过小。水压应稍高于风压。喷射作业时，喷嘴的方向应和受喷面保持垂直，喷嘴与受喷面间距0.6～1.0m左右，喷射压力保持在2～5kg/cm2左右。喷射作业应分层进行， 一次喷射厚度：一般拱部为3～5㎝，边墙为6～8㎝。

养护：在开始终凝后开始养护，养护时间不少于

7天。

喷射混凝土搅拌采用强制式搅拌机，搅拌机一次搅拌量不得大于其额定搅拌量的80%，搅拌时间比普通混凝土延长1～2min；搅拌时，各种材料计量允许误差为：粗骨料±3%，水泥和外加剂±2%。

喷射混凝土需按以下要求施工：采用PO32.5水泥，粗骨料最大粒径不得大于15mm，水泥与砂石的重量比为1：3～1：4；砂率不宜小于45%，具体掺量由现场试验确定。

喷射钢筋网混凝土前，根据岩面上高低起伏情况，必要时候先铺喷一层混凝土，再铺设钢筋网。

2.2 砂浆锚杆施工工艺

砂浆锚杆施工工艺说明：锚杆在坑道开挖出碴后，尽快抓紧安设锚杆，锚杆安装采用风枪钻孔，人工安设，注浆泵注浆埋设锚杆。钻孔方向根据岩层情况可适当调整，使其与岩层主要结构面尽量垂直；孔钻好后用高压水将孔眼冲洗干净（若是向下钻孔还须用高压风吹净水），并用塞子塞紧孔口，防止石渣掉入；注浆管插至距孔底5～10cm处，随水泥砂浆的注入缓慢匀速拔出，随即迅速将杆体插入，锚杆杆体插入孔内的长度不得短于设计长度的95%。

2.3 二次衬砌工艺

对于Ⅳ、Ⅴ级围岩，因二衬是作为主要承载结构，故须在初支施作后并具备施工条件时施作二衬，而不必等到围岩收敛达标。对于Ⅲ级围岩，根据获取的量测信息分析后，认定围岩变形趋于稳定状态，则进行二衬施工。在喷射混凝土与防水层之间设φ75HDPE单壁打孔波纹管纵环向盲沟，EVA防水板用自动行走式热合机进行双缝焊接，三角缝、丁字缝等薄弱环节用热熔焊枪加强补焊。铺挂后进行气密性检测，发现漏气则进行补焊，直至完好。对两端施工缝防水设施进行安装、整修，并安装端头模板。用输送泵泵送混凝土入模，插入式振捣器和附着式振捣器配合运用，振捣混凝土直至密实。泵送时注意左右对称，分层灌注，每层厚度不超过1m。收缩台车液压系统，脱模，并对台车模板进行整修、养护。对二衬混凝土进行喷淋养护，使表面处于湿润状态。压二衬试件，结合二衬外表，评定二衬质量。

注意对风机预埋部位进行钢筋加强处理，并按设计图纸预埋好钢板及所有设计要求之照明、监控、消防、配电等预埋件。

二衬必须对称同步进行，浇注时，先浇注一侧边墙，待浇注到1.0m高度后，再换管浇注另一侧边墙，循环往复直至封顶。砼振捣时，注意保护防水层。砼灌注必须连续进行，一次浇注完成，不得产生施工冷缝，可掺缓凝剂，以延长砼初凝时间，确保砼连续浇注的实现。拆模后砼应连续养护不少于7天。模板台车脱模后，必须清理模板，并涂脱模剂。砼质量检查按《技术规范》规定进行，其强度应满足设计要求。

3 支护效果分析

（1）隧道分步开挖后，其拱顶和仰拱围岩出现了很大的变形，边墙变形相对较小。但是其应力集中系数较大。

（2）隧道一次支护后，围岩的变形及塑性区范围明显减小，而应力变化不大。

（3）隧道二次衬砌后，围岩的变形及塑性区范围进一步缩小，但不如锚喷支护的加固效果，说明一次支护对隧道的稳定性起重要作用。

（4）衬砌结构内部应力分布均匀，在拱顶和仰拱处压应力相对较小，而边墙的压应力相对较大。二次衬砌的设置，提高了隧道结构的承载力，抑制了围岩塑性区的扩展，约束了隧道洞周位移的发展，提高了隧道使用的耐久性。

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作者简介：李忠（1981—），男，中铁十六局集团第五工程有限公司总工程师，钦防铁路项目部工程师。