特殊地质条件下隧道工程高性能支护体系
2021-01-19赵勇刘大刚
赵勇，刘大刚
（1.川藏铁路有限公司，西藏 拉萨850000；2.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都610031；3.西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都610031）
0 引言
隧道支护结构的设计是隧道建造的一个重要环节，对于隧道安全、高质、快速修建意义重大［1］。通过大量工程实践及科学研究证明，隧道支护主要有四方面的作用，即保持隧道断面的使用净空、防止隧道围岩质量进一步劣化、承受可能出现的各种荷载、使隧道支护结构体系具有足够的安全度［2-4］。因此，任何一种类型的隧道支护都应具有与上述作用相适应的构造、力学特性和施工的可能性。由于隧道开挖，对围岩产生扰动，进而导致围岩变形，为确保隧道围岩稳定性，需构建系统的隧道支护体系［5-6］。
随着隧道工程建设规模的不断扩大，结合各国围岩、环境等实际情况，通过大量工程实践经验及技术积累，形成有各具特色的隧道支护体系，目前主要有基于新奥法（New Austrian Tunnelling Method，NATM）、挪威法（Norwegian Method of Tunneling，NMT）、岩土变形控制分析法（ADECO-RS）设计理念建立起来的相关隧道支护体系。从新奥法、挪威法及岩土变形控制分析法的发展历程可知，挪威法和岩土变形控制分析法均是以新奥法为基础，再经过各国自身地质及工程特性发展演变而来。各种设计理念除具有新奥法特性之外，均具有自身的侧重点，如挪威法强调锚喷一次支护（单层衬砌）作为永久支护，湿喷钢纤维混凝土及新型耐久性CT锚杆为主要的隧道支护手段；岩土变形控制分析法则强调超前核心土的重要作用，认为超前核心土的变形是导致隧道所有变形真正起因，且能够决定隧道长期和短期的稳定性。
现阶段我国隧道支护施工，从施工理念及实施方式看，隧道修建仍普遍以新奥法为主，为世界上采用新奥法理念修建隧道工程最多的国家［7］。但目前我国即将全面开工建设的川藏铁路隧道中可能出现大量高地应力岩爆、高地应力软岩大变形、高地温、深大活动断裂等不良地质问题［6］，与常规条件的隧道建造相比，地质环境更为复杂、自然环境更为恶劣。导致特殊地质隧道支护设计及施工更为艰难，支护设计及施工面临巨大挑战。总结现有研究成果及国内外相关工程经验，结合川藏铁路隧道支护设计难题，从支护材料及支护构件性能等多方面阐述特殊地质条件下隧道支护结构设计相关内容，旨在为川藏铁路隧道的修建提供技术参考。
1 川藏铁路主要不良地质条件
川藏铁路全长1 570 km，由成雅（已运营）、雅林（新建）、拉林（在建）3段组成，线路“跨七江穿八山、七上八下”，工程环境具有“显著的地形高差、强烈的板块活动、频发的山地灾害、敏感的生态环境”等特点，是“迄今为止人类历史上最具挑战性的铁路工程”。其中，雅林段新建线路长1 011 km，隧道共计72座、837 km，占线路总长83%，单体最长隧道易贡隧道长约42.4 km，为当前我国铁路最长隧道工程。
受印度板块对欧亚板块碰撞挤压作用影响，川藏铁路沿线新构造运动强烈，构造应力场复杂，地应力值相对较高，在高原与盆地过渡地带发育有多条活动断裂带，为中强地震多发区。地热和岩溶等不良地质也较为发育，对铁路建设及运营造成影响。
川藏铁路全线隧线比较高，深埋隧道内地应力值较高，且地下水渗透压力大，加之活动断裂带、地震、地热等众多不良地质极其发育，在施工过程中极易出现高地温、突水突泥、塌方冒顶、软岩大变形与硬岩岩爆等工程地质问题［8］。
为适应复杂的地质环境及恶劣的自然环境，特殊地质条件下隧道支护施工应结合环境实际，选择有针对性的支护类型及其施工作业方式，以满足支护合理、质量可靠、施作高效的预设目标。
经归纳分析，特殊地质条件下隧道支护应满足“三个适配”的特点，具体如下：
（1）支护应能与地质环境相适配，以满足支护安全及耐久性的需求。特殊地质条件下隧道地质环境复杂，因此，隧道支护应结合地质环境实际，采用与之适配的支护类型以满足支护安全及耐久性需求。
对于一般地质环境，可采用一般性能的支护构件及其组合类型即可满足支护功能需要。对于特殊地质环境，如软弱破碎地层、高地应力环境等，应采用高性能的支护材料或构件，如早高强喷混凝土、高刚度喷射混凝土、纤维喷混凝土、自进式锚杆、预应力锚杆、大变形锚杆（索）等，充分利用材料的性能优势提升支护对环境的适应能力；同时还应充分发挥支护的作用效能，改善围岩受力状态及其物理力学性能，以调动和发挥围岩的自支护能力，使围岩真正起到主体承载作用，以保证该环境下的支护功能需求。
（2）支护应能与作业方式相适配，以满足支护快速施工的需求。为适应特殊地质条件下的恶劣自然环境，降低施工人员劳动强度，大型机械化作业成为特殊地质条件下隧道施工的必然选择。
但需要指出的是，隧道支护施工工效不仅与作业方式相关，还与支护构件的机械化作业适配能力紧密相关。因此，为满足支护快速施工的需求，在安全支护的前提下，应尽量选用与机械化作业相适配的支护构件及其组合形式，且尽可能地降低支护类型中构件的多样性，使作业工序化繁为简，提升支护施工工效成为可能。挪威法所采用的支护类型及其构件形式，即是其施工工效大幅提升的根本保障。
（3）支护应能与投资预算相适配，以满足支护经济性能的需求。在确保安全支护的前提下，应充分发挥支护构件的灵活性特点，依据地质环境动态变化实际，及时调整支护构件参数（如锚杆直径、间距、长度等）；此外，还应注重支护作业的施工工艺，减少因工艺缺陷所造成的经济浪费。
总之，特殊地质条件下隧道支护施工应实现安全、快速、经济的综合预期目标，需要在结合特殊地质条件下隧道支护施工特点的基础上，充分吸收国内外现有先进技术成果和经验，并积极探索和创新，确保特殊地质条件下隧道支护顺利实施，提升特殊地质条件下隧道支护整体技术水平。
2 国内外特殊地质隧道支护体系现状
2.1 国外隧道支护体系
国外隧道支护施工，从实施理念及实施方式逐渐形成了新奥法、挪威法和岩土变形控制分析法等隧道支护设计体系。
2.1.1 新奥法
新奥法由奥地利学者拉布西维茨（L Rabcewicz）于20世纪50年代初期创建、并于1963年正式命名［9］，其后在奥地利、美国和日本等多个国家得以迅速发展，已成为世界各国公认的一种隧道与地下工程建造原理。
新奥法是应用岩体力学理论，以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷混凝土为主要支护手段，及时对围岩进行支护，控制围岩松弛和变形，使围岩成为支护结构体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道工程设计施工的方法和原则。因此，喷混凝土、锚杆和量测也称为新奥法的3个基本要素。
新奥法的特点及优势主要体现在以下几个方面：
（1）适用范围广：适用于所有采用矿山法施工的隧道，以及不同使用功能和断面形状的隧道。
（2）地层适应能力强：无论是硬岩还是软岩，富水地层还是干燥地层，高地应力还是构造断裂带，均可采用新奥法原理进行隧道设计和施工。
（3）作业灵活：易于采用各种辅助支护措施，使用各种灵活的机械设备。
（4）利于施工安全控制：通过对变形和应力重分布的监测，以便采取必要的预防措施。
（5）较好的经济性：充分利用围岩自身的承载能力，允许应力释放和调整，使支护措施适当而又不过度，支护总成本较低。
2.1.2 挪威法
挪威法是以挪威、瑞典等国家为代表的北欧地区隧道支护设计和施工方法［10］。截至目前，该法已在数千座隧道中得以成功应用。
挪威法由围岩评价、合理支护参数和高性能支护材料三部分组成，围岩评价主要采用Q系统即巴顿法（N Borton）进行围岩分级，合理支护参数主要通过施工观测和量测记录所求出的Q值进行选择，高性能支护材料主要采用高质量的纤维喷混凝土和全长胶结型高拉应力耐腐蚀锚杆等。
挪威法以纤维喷混凝土和锚杆作为主要支护方式，施工方式以机械化快速施工为主，要求开挖后以最短时间进行支护，从而减少围岩变形发生。挪威法隧道支护类型及参数的选择见图1。纤维喷混凝土与钢筋网喷混凝土效果对比见图2。
图1 基于Q值的支护类型选择
图2 纤维喷混凝土与钢筋网喷混凝土效果对比
挪威法采用的锚杆类型有多种，有临时锚杆、纤维锚杆和永久锚杆，其中永久锚杆必须有防腐措施，为此开发了多层防腐岩石锚杆（防腐措施包括镀锌、环氧涂层、内部灌浆层、PVC套管、外部灌浆层等），被称为CT锚杆（见图3）。且在不稳定围岩情况下，挪威法先通过机械手喷射快速形成纤维喷混凝土支护拱，然后施作钢筋网喷混凝土加劲环对纤维喷混凝土支护拱进行加固（见图4）。这种加固效果被认为优于传统的钢支撑，且不会大幅增加锚杆用量。近年来，高压（5～10 MPa）预注浆成为挪威法控制围岩渗水、涌水和加固破碎围岩的一种标准方法。通过高压预注浆，岩体条件总体得到很大改善，从而大大减小超挖，并且减少了永久性支护的需求（见图5）。
挪威法的特点及优势主要体现在以下几个方面：
（1）提高施工效率。由于挪威法不挂网、不设钢支撑、不浇筑二次衬砌，因此施工时间大幅缩短，施工最佳进度可达1 176 m/月。
（2）节约施工成本。每延米4 000～8 000美元（断面面积为45～110 m2），价格仅为新奥法的1/5～1/2；高压注浆的情况下每延米费用约提高20%。
（3）施工更安全。新奥法安装钢筋网、钢支撑时机械化程度较低，工人直接面对未支护的围岩，危险程度很高；挪威法依靠喷纤维混凝土和锚杆，两种构件均可采用全机械化施工，工人远离掌子面，因此被认为更加安全。
（4）环保更有利。采用新奥法原理施工时隧道水泥、砂石等的用量是挪威法的3～5倍，这些建筑材料都是CO2排放的主要来源，因此挪威法建造方式更加绿色环保。
2.1.3 岩土变形控制分析法
岩土变形控制分析法是20世纪70年代中期由意大利学者Pietro Lunardi提出的一种隧道施工方法［11］。该法以围岩压力拱理论和新奥法理论为基础，核心思想是把超前核心土视作一种新的隧道稳定工具，通过调节掌子面-超前核心土刚度和强度控制隧道变形（包括挤出变形、预收敛及收敛变形），确保隧道的稳定性（见图6）。该法已在意大利、罗马等欧洲许多国家隧道工程建设中得以广泛应用。
岩土变形控制分析法将掌子面-超前核心土的稳定性作为隧道变形的控制依据，并将其划分为3个类别：即A类（稳定）、B类（短期稳定）和C类（不稳定），据此指导支护方式的选择与设计，具体见表1。
表1 岩土变形控制分析法隧道掌子面稳定性判别及其支护方式
岩土变形控制分析法采用的支护构件主要包括超前管棚、超前小导管、机械预切槽、掌子面喷混凝土、掌子面锚杆等超前及掌子面支护构件，以及锚杆、喷混凝土、仰拱等洞身支护构件，其中超前及掌子面支护构件的应用是该法支护施工的重点。在软弱破碎及富水地层，为保证围岩开挖的稳定性，注浆、排水等支护辅助措施同样得到重视。
不同掌子面-超前核心土稳定级别条件下的支护措施见表2。
表2 岩土变形控制分析法支护措施选取
岩土变形控制分析法隧道支护施工主要采用全断面开挖、大型机械化作业方式进行实施（见图7），以尽量减少或控制围岩变形发生。
图7 岩土变形控制分析法超前支护施工
岩土变形控制分析法特点及优势主要体现在以下几个方面：
（1）可实现各种地层全断面开挖：有利于现场施工管理及组织实施，且可减少台阶法或多分部开挖法所需的施工阶段。
（2）施工更加安全：各种地层条件均可采用机械化作业，减少施工风险。
（3）提升施工效率：具有良好的施工工效，且持续、稳定。
2.2 我国隧道支护体系
现阶段我国隧道支护施工，从施工理念及实施方式看，仍普遍以新奥法为主，支护结构类型主要采用复合式衬砌结构，支护构件包括各种超前及掌子面支护、洞身支护构件等；从作业方式看，仍普遍以小型机械、单工序大型机械施工为主，总体机械化水平不高。因此，高质支护、高效施工仍是困扰我国隧道支护施工的主要问题。
但需要指出的是，随着“中国制造2025”国家战略的提出，我国隧道施工装备制造水平取得了迅猛的发展。截至目前，我国已自主研制有涵盖超前及掌子面支护、初期支护、二次衬砌等各作业工序的全系列施工装备产品，为我国隧道大型机械化施工提供了良好的硬件条件。此外，在充分吸收国外现有先进隧道施工理念的基础上，结合我国隧道修建现状，也逐渐形成了顺应我国隧道大型机械化施工潮流的支护施工技术。下面即以典型工程实例进行简要说明。
（1）郑万铁路湖北段隧道大型机械化施工。郑万铁路湖北段隧道工程总长167.6 km，均为单洞双线隧道，隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩占比约67.4%，建设过程中共在39个工区开展全工序大型机械化配套施工。采用的施工装备涵盖超前支护、开挖、初期支护、二次衬砌各个作业区，装备类型包括注浆台车、三臂凿岩台车、混凝土湿喷台车、锚杆钻注一体机、钢架安装台车、防水板铺设及钢筋绑扎台架、自动养护台车等多种典型装备。
（2）兰渝铁路桃树坪隧道岩土变形控制分析法施工。兰渝铁路桃树坪隧道全长约3.2 km，为单洞双线隧道。隧道地形起伏较大，最小埋深仅为6 m，沿线多处穿越浅埋沟谷、既有道路及建筑物，周边环境复杂，围岩岩性主要为砂质黄土、细圆砾土，地下水发育，围岩自稳性极差。
隧道原方案采用CRD法施工，施工中出现掌子面突泥涌砂、支护开裂等现象，严重危及人员安全。后期引进岩土变形控制分析法进行施工，利用水平旋喷钻机、高压泵站等专业设备及配套技术，采用掌子面玻璃纤维锚杆、超前水平旋喷帷幕及锁脚旋喷桩等综合支护措施加固围岩（见图8），实践表明，采用40～50 MPa的旋喷压力成桩效果良好，桩径可达60～80 cm，最终实现了隧道大断面半机械化开挖，有效控制了支护变形，保证了支护施工的安全性。
图8 兰渝铁路桃树坪隧道超前及掌子面支护
从发展来看，我国隧道支护施工理念逐渐由掌子面、洞身分区域围岩稳定性控制向掌子面+洞身三维空间围岩整体稳定性控制转变，而施工方式则逐渐由单工序机械化向全工序机械化、信息化乃至机群协同智能化作业方式发展（见图9）。中国国家铁路集团有限公司也积极开展相关课题立项研究，由武九铁路客运专线湖北有限责任公司牵头，联合西南交通大学等多家科研、设计及施工单位，针对隧道智能化建造相关技术开展系统深入研究。
图9 隧道各工序机群协同智能作业示意图
3 主要高性能支护构件及相关施工技术
3.1 喷射混凝土
3.1.1 早高强喷射混凝土
对于早高强喷混凝土的理解，首先需要清楚其“早高”的具体含义。混凝土性能随龄期增长，普通模筑混凝土以1、3、7 d时间段的性能称为早期性能，对于喷混凝土，目前我国对其早期强度的要求一般以1 d龄期为基准，多为5～10 MPa，并未对24 h内特定时间点的强度进行明确。在特定的工程环境下，喷混凝土需要具备更高的24 h强度，并且24 h之内的小时强度也能够持续提升，在我国JGJ/T 372—2016《喷混凝土应用技术规程》中就对软弱围岩及浅埋隧道地下工程提出了喷混凝土3 h强度不应小于2 MPa的要求。
对于喷混凝土早期强度的提升影响因素众多，除水胶比、外加剂、活性掺合料的种类及掺量等影响因素之外，作业环境温度条件对早高强喷混凝土的早期强度发展影响尤为显著［12］。经过大量研究表明，影响喷混凝土早期强度（1 d前含1 d）的因子为：水胶比、密实性、环境温度、早强剂、速凝剂、外掺料；影响喷混凝土后期强度（28 d）的因子为：水胶比、密实性、速凝剂、外掺料。
因此，对于早高强喷混凝土而言，需要因时制宜，在实施过程中不能全程依靠同一个配合比，原材料亦需要进行适当调整。根据季节变换将施工分夏季和冬季施工，并执行不同的原材料和配合比方案。在环境温度较低（气温低于10℃）情况下，对于24 h以内的喷射早龄期强度提升不易，还应采取额外的温度控制（原材料保温、加热，隧道洞室内升温等）及其他措施。早高强喷混凝土可采用以下技术措施实现：
（1）采用低水胶比。通过采用低水胶比提高基准强度，在提升后期绝对强度的同时，提高早期强度。
适宜的水胶比宜为0.38～0.45，冬季配比的水胶比宜为0.38～0.42，夏季配比的水胶比宜为0.42～0.45。
（2）添加外掺料或早强掺合料。宜采用硅粉、复合型早强外掺料以及早强剂。其中，粉煤灰不利于早期强度的提高，不宜更多采用。也可采用其他对早期强度提升的材料或产品，但需要通过试验验证，符合要求后才能予以采用。
（3）选用早强型无碱液体速凝剂。可根据工程情况，选用特定的早强型无碱液态速凝剂产品，可联系有相关研发经验的速凝剂生产厂家，根据现场地材情况进行定制化产品的研发和生产，加入适量早强组分，对配方进行优化调整，以满足相应的技术需求。
（4）根据环境温度调整措施。环境温度低于10℃时，应及时启动冬季配比和冬季施工措施。冬季配比可采用提升胶材总用量和更低的水胶比，适当提高纯水泥用量。
3.1.2 纤维喷射混凝土
纤维材料是一种具有悠久历史的混凝土增强材料，在现代混凝土技术中仍具有举足轻重的地位。通过提高混凝土基体的抗拉强度、变形能力、阻止原有缺陷扩展并延缓新裂缝形成，纤维改善了混凝土的韧性、抗冲击性以及其他性能，具有良好的技术经济性，因此纤维混凝土受到了广泛的应用。在隧道与地下工程领域，纤维材料主要用于喷射混凝土和衬砌管片，其中以纤维喷混凝土（FRSC）的应用最多，影响最大。纤维喷混凝土是在喷射混凝土的基础上，通过掺入均匀散布的钢纤维、非钢纤维或混杂纤维所形成，在工艺上具备了喷混凝土的机动灵活，无模板支护的特点，在材料性能上，与普通喷混凝土相比，又具有良好的抗剪切性能和弯曲韧性，纤维在喷射混凝土中主要起到增强、增韧和阻裂的作用。
国际隧道和地下空间协会（ITA）第12工作组在总结各国喷混凝土应用的基础上提出相关报告，特别强调纤维喷混凝土的应用，对澳大利亚、巴西、比利时、加拿大、意大利、日本、韩国、南非和挪威等国的工程应用进行概述，并予以肯定。纤维喷混凝土成功应用能够充分说明，用纤维代替金属网是可行且有效的方法。纤维补强与正常的金属网（通常为5～7 kg/m2、100～150 mm的网格）相比，具有巨大优势，尤其是采用湿喷法时，有可能超越金属网失效能量和实际承载能力，同时，可以避免不密实、腐蚀、安装困难和耗时等问题。由于纤维补强的优势，其应用越来越广泛，但仍然有许多国家采用金属网补强。研究及实际应用表明，合适的纤维补强材料可以取代普通的焊接金属网。纤维喷混凝土将是今后初期支护采用的主要构件之一，应该尝试用纤维代替金属网，以简化作业程序，提高喷混凝土喷射速度和质量。
纤维喷混凝土性能优越，但前提条件是该技术需得到正确的应用和处置。纤维喷混凝土整体性能的提升，需要基于喷混凝土本身就具备良好的性能和品质。这是因为喷混凝土性能形成与射流成型时的密实程度高度关联，需要确保高施工性，一旦密实度不佳，导致性能下降，其纤维增强的作用也将大打折扣，甚至成为阻碍。此外，纤维并不能大幅提升喷混凝土的抗压强度，对其耐久性提升也主要依靠活性矿物外掺料和特定外加剂的使用。
因此，纤维喷混凝土技术必须建立在喷混凝土指标体系基础上，需要高度适应其技术和工艺特点，并正确地进行应用，才能附加和体现出纤维的技术特征和性能优势。
不同种类纤维的力学性能有很大差异，即抗拉强度、弹性模量和断裂伸长率的不同，因此不同种类的纤维掺入混凝土后其性能也有很大不同。在隧道、隧洞和地下工程中，钢纤维喷混凝土可应用于下列情况：
（1）隧道、隧洞和地下工程的单层衬砌；
（2）下列情形的围岩初期支护：①高地应力易发生较大塑性变形的软弱围岩和膨胀性围岩的控制变形措施；②破碎围岩情况下防止岩块坍落；③高地应力引起岩爆的防护措施；
（3）修补裂损衬砌，加固既有衬砌结构；
（4）用明挖法修建地下工程的边坡支护结构。
3.1.3 喷射混凝土施工技术
喷射混凝土现已进入机械化时代，机械装备程度已大幅度提高，与人工喷射相比，在效率、安全、品质、控制效果上具有独特优势，但不同单位之间机械化施工技术水平却参差不齐，在喷混凝土质量、成本控制和作业效率，特别是围岩变形控制等关键考核指标存在较大差异，亟待提高喷射混凝土机械化施工技术水平。若要实现喷射混凝土机械化施工技术的广泛推广，则需满足以下要求：
（1）信息化管理。在机械化作业条件下，应当运用信息化方式和手段对喷射混凝土各环节（如拌合站备料、罐车运输、喷射作业准备等）进行管理，使得各环节之间实现无缝衔接，提高综合效率。
（2）合理安排相关工序的交叉与平行作业。湿喷工艺与机械化作业条件下，作业环境和空间条件与传统人工作业具有很大差异，可以优化施工组织安排，实现相关工序的交叉和平行作业。
（3）加强班组建设。在目前的机械化时代（而非智能化时代），喷射手技能是影响喷混凝土品质、效率、成本的关键，应摒除人工作业时代的传统观念，以“工匠精神”强化专业喷射班组建设，提倡工序专业分包，以人机协同充分挖掘潜能。
（4）以试验室为龙头构建质量管控体系。喷射混凝土机械化作业应以高品质喷混凝土为目标，充分发挥喷混凝土支护构件在支护体系中的作用，确保安全质量。项目部混凝土试验室在质量管控体系中具有重要作用，应根据地材、环境、作业过程的变化动态调整相关参数，保障拌合物工作性在喷射作业时满足高品质喷混凝土的要求。
3.1.4 施工装备
研发的喷射混凝土施工装备主要包括单臂、双臂等喷射机，装备通过搭载智能喷射控制系统和三维激光扫描系统，可实现隧道3D轮廓扫描、喷射方量自动计算、自动分区、自动规划喷射路径、自动喷射、自动生成施工日志等功能，有效管控喷混作业质量（见图10）。实践表明，喷射机单臂喷射能力一般为15～32 m3/h，双臂工效还会进一步提升。
图10 智能型喷射混凝土施工装备及控制系统
3.1.5 工程案例
兰渝铁路木寨岭隧道，全长19.06 km，位于甘肃省定西市漳县与岷县交界处、青藏高原隆升区边缘。隧道最大埋深715 m，最小埋深约30 m。受多期构造影响，区域断裂、褶皱发育，海拔高，地势起伏大，初始地应力复杂，实测水平地应力最大为27.16 MPa，岩石强度应力比为0.49，处于极高地应力状态。木寨岭隧道是全线地质条件最差的隧道，具有极高地应力和极低围岩应力，施工难度大、为极高风险隧道，是兰渝铁路控制性重难点工程，也是当时全国铁路最为高风险的隧道。
在大庄沟斜井采用中国铁道科学研究院集团有限公司C30早高强喷射混凝土技术成果替代原C25普通混凝土（见图11），支护厚度为25 cm，其余支护参数不变，进行与套拱段支护效益和经济性的对比。通过对2个试验段的观测和对比发现，早高强喷混凝土技术能够有效遏制早期变形发展，与普通喷射混凝土段支护效果对比见图12。
图11 木寨岭隧道大庄沟斜井进口
图12 早高强喷射混凝土与普通喷射混凝土支护效果对比
木寨岭隧道工程实践表明：大变形难以避免，但通过优化支护参数，适当提升支护刚度，有利于控制变形，促使支护-围岩结构更早地稳定。早高强喷射混凝土具备更高的早期性能，在联合钢支撑及其他支护构件时，使得整体支护效果更好。此外，支护方案不仅要在技术上可行，在经济上更需要合理。早高强喷射混凝土提高了喷层的性能和质量，与套拱支护段相比，可将初期支护一次施作到位，简化工序，避免拆换，经济效益显著。
3.2 锚杆（索）
隧道工程中常用的普通砂浆锚杆和普通注浆锚杆从受力机理来看属于被动支护锚杆的系列，即只有在围岩发生一定变形，注浆固结达到一定强度后才随着围岩变形发挥支护作用，导致支护时效较慢，这种情况对于常规硬质岩地层还是可以适用的，而对于软岩或特殊环境地层，需要锚杆提供及时支护力的情况则往往不能起到较好的支护效果［13］。
对于特殊情况，如大断面隧道、软弱围岩、高地应力岩爆及大变形等，开挖后需提供及时的支护力以改善围岩的受力状态、约束围岩的初始变形速率、控制围岩松动圈的发展，此时，通过采用预应力锚杆对围岩施加主动支护，往往会起到良好效果。在此，通过举例说明适应于特殊地质条件下的锚杆（索）支护构件。
3.2.1 低预应力中空锚杆
中空锚杆由细长的中空杆体作为受力杆件，头部带有垫板、螺母等配件，通过锚固介质使杆体与围岩底层共同作用，用以控制围岩变形的一种锚固装置［14］。预应力中空锚杆则是利用中空杆体自由段的弹性伸长，对中空杆体施加预应力，用以主动提供加固围岩所需支护力的中空锚杆。低预应力中空锚杆一般由以下部件组成：
（1）中空锚杆体：为全螺纹中空钢质杆体，按锚杆安装方式不同，锚杆体的中空孔可作为注浆（向下安装）或排气（向上安装）的通道。
（2）锚固端（段）：包括机械锚固和粘结锚固2类。机械锚固：涨壳锚固件整体长20～30 cm，由2个楔块和涨壳体组成，所有的零件都由高强度精钢铸成。目前已开发有适合中高硬岩条件锚固的表面为环向倒锯齿、“人”字形倒锯齿或颗粒状倒锯齿的涨壳夹片，以及适合软岩条件锚固的表面为糙面构造的涨壳夹片。粘结锚固：锚杆体与早强锚固材料粘结，粘结锚固段长度应视围岩条件、锚固力需求及压缩区长度而定，一般50～150 mm。
（3）垫板：一般采用拱形垫板，中孔与球垫配合，可方便调整角度，垫板承载力（高度变形量）需符合工程要求，垫板上需带注浆（或排气）孔。
（4）螺母（带半球垫圈）：用于预应力外部锁定紧固件和传递荷载的构件。
（5）注浆（或排气）管：塑料管一端深入钻孔，一端留在洞外。根据锚杆安装方式（向上安装或向下安装）与中空锚杆配合使用，具有注浆或排气的功能。
（6）连接套：对于锚固工程来讲，有时需要的锚杆长度较长，1根锚杆的长度难以满足现场施工要求，为此开发了连接套，连接套是带有内螺纹的套管，内螺纹的尺寸和牙型与中空锚杆体表面的螺纹相匹配，用于锚杆体间相互连接，起着接长锚杆的作用。
低预应力中空锚杆可分为涨壳式预应力中空锚杆（见图13）、分段式预应力中空锚杆（见图14）、套管式预应力中空锚杆（见图15）等。
图13 涨壳式预应力中空锚杆
图14 分段式预应力中空锚杆
图15 套管式预应力中空锚杆
3.2.2 自进式中空锚杆
自进式中空锚杆由中空螺纹钢管、连接器（可选）、钻头、垫板、螺母等组成。自进式中空锚杆结构见图16。
3.2.3 大变形锚杆（索）
大变形锚杆可分为释能让压锚杆和恒阻大变形锚索［15］。
（1）释能让压锚杆。所谓“让压锚杆”，即在保持锚杆恒定支护阻力的条件下，允许围岩及支护结构产生一定位移量以释放部分围岩压力及动荷载作用时积累的能量，当这种可控的变形-让压量释放完毕后，让压锚杆随变形的进一步加大而持续承载直至破坏。基于上述思想，研发的让压锚杆结构特征为：在锚杆中安装一种特定的让压装置，当支护结构发生大变形时，通过让压装置使锚杆体产生与岩土体相适应的变形，避免锚杆体拉断失效，保持支护作用，是一种可以有效地控制复杂多变而又难以支护的大变形围岩中的特定锚杆（见图17）。
图17 让压锚杆
按让压方式进行划分，通常可分为套筒式让压锚杆（见图18、图19）和挤压套式让压锚杆（见图20）2类。
（2）恒阻大变形锚索。恒阻大变形锚索又称为NPR（Negative Poisson's Ratio）锚索，是一种新型锚索，主要由恒阻器、钢绞线、方形托盘、锚具等组成，能够在隧道围岩发生大变形时产生滑移变形，并保持恒定的工作阻力。NPR锚索结构见图21。
3.2.4 施工装备
图18 套筒式恒阻让压锚杆（内锚让压）
图19 套筒式恒阻让压锚杆（外部让压）
图20 恒阻挤压套式让压锚杆（锚底内锚式）
图21 NPR锚索结构
国内外锚杆（索）的施工装备基本类似，主要包括凿岩台车和锚杆台车2类，其中锚杆台车是用于钻凿锚杆孔并完成部分或全部锚杆安装工序的自移式专用设备。
目前，我国已研发出系列功能齐全、自动化程度高的智能型锚杆台车装备，如XD20智能型锚杆台车、MTZ141智能型锚杆台车等（见图22、图23），可实现锚杆施工的高度机械化、智能化，减轻了工人劳动强度，提高了工作效率和施工质量。
图22 XD20智能型锚杆台车
图23 MTZ141智能型锚杆台车
3.2.5 工程案例
京张高速铁路新八达岭隧道全长12.01 km，八达岭长城站位于新八达岭隧道内，车站中心里程距离隧道进口8.79 km，距离隧道出口3.22 km。车站两端的站隧过渡段，是1个由两线铁路过渡到四线铁路的单跨隧道，最大开挖跨度32.7 m，拱顶埋深62.7～120.0 m。大跨过渡段洞身主要穿越强、弱风化花岗岩，块状构造，岩体总体上较完整～较破碎，岩质较坚硬，岩块单轴饱和抗压强度为40～60 MPa。大跨段DK68+260—DK68+300处露F2断层，与线路相交角度35°，断层带宽约2 m，带内夹泥、岩体破坏、强风化，为Ⅴ级围岩。大跨段为目前我国开挖跨度最大的暗挖铁路隧道，安全风险高，施工难度大［16-17］。为保证隧道的稳定性，新八达岭隧道设置了预应力锚（杆）索支护，其中Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ级围岩设置7-φ15.2 mm和5-φ15.2 mm的预应力锚索；Ⅴ、Ⅳ级围岩在拱墙位置设置预应力锚索，间距（环×纵）分别为2.4 m×2.4 m和3.6 m×2.4 m；Ⅲ级围岩在局部设置预应力锚索（见图24）［18］。
3.3 超前及掌子面支护
超前及掌子面支护是在初期支护手段和分部开挖措施不能有效或高效作用的场合而采取的支护措施，其目的是控制掌子面挤出变形及其前方的超前变形、保证掌子面的稳定、隧道结构安全和周围环境安全［19］。隧道位于软弱松散地层条件时，自稳性非常差，施工中除了采用合理的施工方案外，开挖前必须采用一些辅助措施先对掌子面前方沿隧道轮廓线进行超前加固，然后再开挖，以保证施工安全。在此主要对不同类型的超前及掌子面支护，以及其辅助施工的施工工艺和施工装备进行介绍。
3.3.1 超前支护
（1）超前小导管施工。超前小导管注浆是隧道开挖过程中对下一步需要开挖的区域进行超前支护，主要适用于软弱和松散围岩，在隧道开挖后围岩不宜形成自承拱的围岩，有时和管棚注浆技术结合对隧道围岩进行预加固。
超前小导管注浆是在开挖前，沿隧道周边向前方围岩内打入带孔小导管，并通过小导管向围岩压注起胶结作用的浆液，待浆液硬化后，坑道周围岩体就形成了有一定厚度的加固圈。在此加固圈的保护下即可安全地进行开挖等作业（见图25）。小导管管径一般为32、42 mm，壁厚3.5 mm，导管单根长3.5～6.0 m，环向间距3根/m，纵向搭接长度不小于1 m；后注水泥浆或双液浆。
图25 注浆小导管加固隧道围岩断面
浆液被压注到岩体裂隙中并硬化后，不仅将岩块或颗粒胶结为整体起到了加固作用，而且填塞了裂隙，阻隔了地下水向坑道渗流的通道，起到了堵水作用。因此，超前注浆小导管不仅适用于一般软弱破碎围岩，也适用于含水的软弱破碎围岩。
（2）超前管棚施工。超前管棚不但可以对隧道围岩起到一定的支撑作用，而且还可与注浆技术相结合，提高隧道周边围岩的物理力学性能，是隧道工程中较为常用的超前支护措施（见图26）。
图26 超前管棚处理隧道围岩断面
超前管棚是在隧道开挖前沿隧道外周用钻机设置水平的钢管而后在钢管内外充填砂浆的工法，是抑制洞口、拱顶稳定和先行位移、地表面下沉及保护周边环境的一种方法。采用的钢管比一般钢管直径大，控制地表面下沉的效果很高。
根据国内外实践，综合我国目前地下工程管棚支护应用的实际案例，管棚支护主要适用于：软弱砂土质地层，砂卵砾石地层，膨胀性软流塑、硬可塑状粉质黏土地层，裂隙发育岩体、突泥突水段、断裂破碎带、塌方段、破碎土岩堆地段、浅埋大偏压等地质和地下水丰富条件的地下构筑物施工的支护，隧道进出口段开挖的支护，也多应用于地铁等穿越城区的地下工程的开挖预支护，可作为穿越既有建筑物、公路、铁路及地下结构物下方修建隧道的辅助办法。
3.3.2 掌子面支护
（1）掌子面喷混凝土施工。掌子面喷混凝土是在开挖后自稳性差的开挖面喷射3～10 cm的混凝土，覆盖掌子面，以防止掌子面松弛，提高掌子面的自稳性。喷混凝土并非作为轴力构件发挥作用，而是防止掌子面发生掉块，常与掌子面锚杆同时使用。此外通过观察喷混凝土表面是否有裂纹发生，还可以作为掌子面是否有崩塌发生的信息（见图27）。
图27 掌子面喷混凝土
掌子面喷混凝土可用来防止围岩掉块，其对施工要求不高，在洞身初喷混凝土时可一并喷上，因此，在掌子面围岩条件较差，有掉块可能危及施工安全时，可采用掌子面喷混凝土。
掌子面喷混凝土作为掌子面支护的常用措施，在掌子面围岩条件较差时，常和其他超前及掌子面支护措施共同作用。其施工工艺和隧道洞身喷混凝土并无太大区别，此处不再介绍。
（2）掌子面锚杆施工。掌子面锚杆是向掌子面前方围岩，水平地打设锚杆的方法（见图28）。掌子面锚杆一般有小于6 m的短锚杆和大于6 m的长锚杆，前者用于防止松弛和裂隙张开而导致的崩塌，后者则以抑制先行位移为主要目的。其中，纤维锚杆是比较常用的掌子面锚杆类型。
图28 掌子面锚杆
掌子面锚杆适用于低黏聚力软弱地层中的大断面隧道开挖。易挖除性是纤维锚杆优于钢质注浆管的主要特点之一，使其在TBM等机械化施工工程中不会损坏刀具。因此，其主要应用在施工难度较大的机械化施工工程中的土体锚固改良。
3.3.3 超前及掌子面支护辅助施工
（1）超前注浆施工。注浆技术是指以气压、液压或者电化学等为动力，使注浆材料进入软弱或破碎岩体中，使软弱、破碎的岩体结合成为一个整体。在掌子面前方围岩条件较差时，超前注浆可作为超前及掌子面支护的重要辅助措施，通过注浆可明显改善掌子面及前方围岩条件。
采用超前小导管注浆，对围岩加固的范围和止水的效果有限，作为软弱破碎围岩隧道施工的一项主要辅助措施，占用的时间和循环次数较多。超前深孔注浆能较好解决这些问题。
深孔注浆一般可超前开挖面30～50 m，可以形成有相当厚度和较长区段的筒状加固区，从而使堵水的效果更好，也使注浆作业次数减少，它更适用于有压地下水及地下水丰富的地层，也更适用于采用大中型机械化施工的隧道（见图29）。
图29 超前深孔注浆加固
（2）超前水平旋喷施工。水平高压旋喷是隧道开挖中控制隧道变形的有效超前支护辅助措施，其主要应用于软土隧道，对周边环境扰动小，施工安全性高。但其施工工序复杂，施工速度慢，造价高昂。水平旋喷是以高压泵为动力源，通过水平钻机钻杆、喷嘴把配制好的浆液喷射到土体内。喷射流以巨大能量将一定范围内的土体切削，并在喷嘴作缓慢旋转和进退的同时切割土体，强制土颗粒与浆液搅拌混合。浆液凝固后，形成水平圆柱状水泥土固结体即水平旋喷桩，当旋喷桩相互咬合后，便以同心圆形式在拱顶及周边形成封闭的水平旋喷帷幕体，起到防流砂、抗滑移、防渗透的稳定拱壳保护作用。隧道拱部水平旋喷注浆体形成拱棚示意见图30。
图30 隧道拱部水平旋喷注浆体形成拱棚示意图
根据多年工程经验，超前水平旋喷主要包括拱部水平旋喷和掌子面水平旋喷，主要适用于流塑状、孔隙率小、开挖后自稳能力极差的地层，如含水砂层、淤泥地层、含水全风化地层、第三系含水未成岩地层等。
3.3.4 超前及掌子面支护施工装备
川藏铁路隧道地质条件复杂，不同类型的隧道需要用到的超前及掌子面支护措施不尽相同，所采用的施工装备也不相同。其中，掌子面支护用到的喷混凝土、锚杆等施工装备和洞身支护基本相同，可能用到的其他超前及掌子面支护施工装备见图31、图32。
3.3.5 工程案例
图31 ZYS113G全电脑高原型三臂凿岩台车
图32 智能化成套注浆设备
厦门—深圳铁路梁山隧道［20］穿越L7富水软弱带，使工程进展严重受阻。L7富水软弱带与该隧道洞身相交于里程DK 96+505—DK 96+533段，延伸长度约2.3 km。为确保隧道顺利通过L7富水软弱带，通过多种经济、技术比选，最终确定的超前预加固方案为：“全环水平旋喷桩超前加固圈+拱墙大管棚超前支护及补充注浆+掌子面水平旋喷桩改良预加固”的综合加固措施。通过对预加固体系的支护机理及支护效果进行研究分析可知，旋喷桩加固圈厚度为0～3 m时，加固效果显著；全环水平旋喷桩可以起到承载与止水的双重作用，并可减弱支护体系所承受的外荷载。从承载方面看，施作旋喷桩后可使围岩向最大位移减小12.2%，二次衬砌的最大主应力可减小5.3%；从止水方面看，施作旋喷桩后可有效降低固结体渗透系数，可在开挖轮廓线外形成一道阻水屏障，防止在渗水过程中把固体物质带出而发生较大规模的涌水，可显著降低坍塌的风险。
4 结束语
随着隧道高性能支护材料的发展，隧道建造高性能支护体系的建立已是必然趋势。通过对现有支护体系、支护材料及性能、工程实践的分析，明确高性能支护类型及相关施工技术标准。从高性能支护构件类型（早高强喷射混凝土、纤维喷射混凝土、预应力锚杆（索）、超前支护及掌子面加固）、支护机理、施工技术、施工装备及工程案例5个方面，阐述高性能支护体系在未来我国特殊地质条件下隧道建设的应用前景，可为我国川藏铁路隧道的修建提供技术参考。
