浅谈隧道初期支护施工

张凯 李高洪

【摘 要】 随着我国隧道建设规模扩大，矿山法已成为隧道建设的主流。文章介绍了围岩的基本概念及其工程特性，认为大部分围岩具有自支护能力。阐明隧道锚杆的功能、锚杆支护措施，最后得出，锚杆的商品化问题是首要问题。详细阐述二次衬砌的功能及作用和二次衬砌耐久性问题，指出衬砌的耐久性问题取决于混凝土耐久性，认为在实际工程中要严格把控施工工艺，保证隧道建设的质量。

【关键词】施工技术; 矿山法; 围岩; 锚杆; 衬砌

据统计[1]，截至2019年底，我国铁路营业历程达13.9×104 km。其中，投入运营的铁路隧道16 084座，总长18 041 km。与往年相比，2019年新增开通运营线路铁路隧道967座，总长1 710 km。其中，长度10 km以上的特长隧道27座，总长369 km;目前正在建设的隧道2 950座，总长6 419 km;规划中的隧道6 395座，总长16 326 km[1]。已修建公路隧道19 067座，总长18 966.66×104 km，增加1 329座，总长173.05×104 km，其中其中特长隧道1 175座、521.75×104 km，长隧道4 784座、826.31×104 km[2]。铁路和公路隧道的施工绝大部分是采用矿山法的。因此，矿山法隧道建设在工程中已经积累了丰富的经验，对隧道建设技术具有重大意义。从目前的情况来看，我国的铁路、公路建设正处于一个新的高潮，矿山法在隧道中依然是重要的方法，不容替代。因此，认识和补充矿山法及其相关技术，仍然是隧道建设中不可缺少的环节，必须及时总结经验、完善不足、适应发展的新要求。

从过往的工程实践中看，在我国山区利用矿山法施工技术已经积累了大量的隧道施工经验和教训，而且也得到了理论研究的证实。如今，矿山法已经成为全地质型的施工方法，不断完善和发展。

本文从隧道施工的角度出发，重新整理思路，主要通过对围岩和初期支护中的重要构件（锚杆、衬砌）进行详细介绍，探讨解决矿山法中的实际问题，为提高隧道施工的技术水平提供思路，以满足隧道工程快速发展的需求。

1 围岩

隧道工程的一个重要力学特性就是：隧道是修筑在具有一定应力履历和一定应力场的围岩中的结构物。围岩是客观存在，隧道开挖会影响坑道周边围岩的初始状态，这是无法避免的。可以说，保护围岩是隧道施工中必不可少的环节，因此，认识和了解围岩是解决隧道施工中问题的前提条件。正确地认识和判断围岩，包括围岩的工程特性、围岩的分级及分类、围岩开挖后的动态、围岩的评价方法等，是隧道建设的先决条件[2]。隧道施工技术的发展，离不开对围岩的理论探索。

隧道是修筑在地下的线状结构物，从实际出发，其主要特征是由隧道周边的地址环境和周边围岩的条件决定的[3]。因此，了解围岩的工程特性是隧道建设中的重要环节。

围岩的工程特性由以下几个方面体现：

（1）在大多数情况下，围岩是矿山法隧道结构的主体。同时，围岩具有自我支护能力，因此，在实际工程中采取适当的方法保护围岩，充分发挥围岩的自我支护能力。比如，在坚硬围岩中，宜使用不降低或者少降低围岩自支护能力的方法，而在软弱围岩中，它的自支护能力比较弱，甚至没有支护能力，因此，在软弱围岩中施工最主要的是保证它的自支护能力，使施工作业有序开展。

（2）围岩也是隧道结构主体的材料。其对矿山法隧道的施工具有特殊的、不容忽略的影响。这种材料与其他建筑材料，如钢筋、混凝土、石材等不同，它受施工动态的影响具有很大的不确定性。同时，围岩也是可以改造的。因此，在施工过程中必须进行实时监控，及时采取可靠的支护方法和措施来保证围岩的支护能力。

（3）从施工角度看，在隧道施工过程中，围岩的力学状态不断地变化。降低开挖范围，就有可能减少因分部过多而引起的围岩内力的变化和围岩松弛。因此，在实际工程中，宜采取全断面或大断面分部的开挖方法。这也是矿山法隧道施工方法发展的主流趋势。

2 锚杆

在我国隧道建设迅速发展的过程中，锚杆作为隧道支护构件也得到了国内外学者的关注。锚杆是伸入围岩内部，阻止岩土体产生相对位移，利用围岩自承载能力实现围岩整体稳定承担隧道主动支护加强作用[6]。为了充分发挥锚杆的支护功效，有必要认识锚杆在隧道支护中的功能和如何提高锚杆的支护功能。同时，为了保证施工进度，锚杆宜采用标准化生产。

2.1 锚杆的功能

在实际工程中，锚杆应用发展迅速，是仅次于喷混凝土的主要初期支护构件。其功能是毋庸置疑的，锚杆既是初期支护构件，也可作为永久支护使用[7]。锚杆在改良围岩力学性能的同时，也可以控制围岩松弛，改善围岩自支护能力。锚杆可以发挥的作用有以下几点：

（1）增强围岩的连续性，提高围岩的整体性，保证隧道的稳定性。

（2）改善开挖后的围岩力学性能，提高围岩的抗剪强度，保证围岩承载力。

（3）提供一定约束力，可以控制围岩大变形的发生。

（4）可以对围岩进行加固。

2.2 提高锚杆支护功能的措施

（1）重视锚杆质量检测。锚杆是隧道施工过程中保证围岩稳定性，保证施工安全的重要支护构件。同时，隧道施工完成后，它也作为隧道的一部分长久存在。因此，在隧道施工中，锚杆的锚固质量关系到隧道的安全性，保证和检测锚杆的质量是极其重要的。传统的检测方法是“拉拔法”和“鉆孔法”，这两种方法具有简单和直观的有点，但是它们属于有损检测，受各种因素的制约，使得质量检测具有一定的局限性。随着应力波理论在岩土工程中的应用，锚杆的无损检测理论以及新的检测方法应运而生。国内外学者通过大量的理论和实践研究，提出了锚杆的无损检测理论和实践方法，大大提高了检测效率，为保证锚杆质量提供了新的依据。

（2）发展锚杆商品化。随着我国隧道大量建设，机械化和标准化越来越重要。锚杆在隧道支护中发挥着重要作用，同时也影响着施工进度。隧道建设用的锚杆应商品化、标准化。锚杆的商品化即把锚杆看作为一种商品，按需要的尺寸，就可以买来使用。在很多欧美国家，锚杆已经实现了工厂化、商品化。而在我国，锚杆大多是就地取材制作而成，质量不能完全保证，不能充分发挥其支护功能。因此，国家有必要制定相应的行业标准或规定。根据隧道支护需求，明确锚杆的功能，实现标准化生产是十分必要的。

3 衬砌

衬砌与围岩、喷混凝土、锚杆、钢架等共同构成隧道支护结构[8]。随着锚杆和喷混凝土技术的发展，隧道衬砌结构发生的重大变化，由围岩、初期支护、二次衬砌、防排水结构等组成的复合衬砌结构成为了我国矿山法隧道施工主要方法，被广大技术人员广泛地使用。复合式衬砌是由两种不同类型的衬砌结合， 为了保证最终支护结构达到预期效果， 首先使用锚喷修建支护， 然后再用混凝土模筑加固[9]。

在复合式衬砌隧道施工理论中，国内外学者有两种不同的意见。意见一：将围岩和初期支护作为隧道的主要承载体，认为初期支护结构对围岩的稳定起主导作用;意见二：把初期支护看作隧道的永久支护，认为二次衬砌仅发挥其安全储备和保证隧道隧道耐久性的作用。考虑到二次衬砌在隧道建设中的重要性，对二次衬砌的功能及作用和二次衬砌耐久性问题进行详细阐述。

3.1 复合式支护结构中衬砌的功能

现代隧道工程理念指出，复合式支护结构是由围岩、初期支护和二次衬砌构成，初期支护可以维持围岩的初步稳定，二次衬砌则是作为安全储备可以保证隧道的长期运营和耐久性。在隧道建设中，明确规定了二次衬砌的主要功能是：

（1）保证隧道正常使用的功能，如确保隧道具有必要的净空断面;较高的防水和耐火性功能;确保照明、通风等辅助设施功能。

（2）确保隧道应对不确定因素的功能，如构造稳定功能，防止围岩劣化;变形性能保持功能，破坏前的变形较大，但不会发展到衬砌崩塌，即使遇到地震等不可预测的情况也具有保持变形的功能。

（3）在小埋深、膨胀性围岩等特殊围岩条件下具有支护的力学性能，如在隧道开挖过程中变形没有收敛，给隧道必要的约束力。

3.2 保证衬砌的耐久性

在隧道建设中，衬砌的材料主要是混凝土或钢筋混凝土。因此，其耐久性大多受混凝土的耐久性控制。实际上，衬砌的耐久性也取决于混凝土的施工工艺。也就是说，实际工程中严格把控施工工艺满足混凝土的耐久性，进而确保隧道衬砌的耐久性。

目前，大多数隧道建设中的衬砌主要使用素混凝土和钢筋混凝土。素混凝土衬砌耐久性问题是混凝土因化学物质、冻害、碱-骨料反应和结构受力状态使素混凝土劣化。而钢筋混凝土衬砌的劣化主要取决于钢筋锈蚀的程度，钢筋锈蚀是在水和氧气条件下的电化学反应，使衬砌的开裂、混凝土的碳化会进一步加快钢筋锈蚀。

目前衬砌存在的主要问题有：①衬砌背后充填有空洞;②衬砌厚度不均匀;③衬砌初期开裂普遍存在;④防水质量欠佳。这些缺陷是造成衬砌耐久性不足的重要原因。因此，提高混凝土施工技术、构筑厚度均匀和填充密实的混凝土衬砌是隧道耐久性的保证。

从实际工程出发，提高衬砌耐久性的主要措施是：①严格按照施工工艺施工，保证混凝土的运输、浇筑、捣固等作业环节符合规范要求;②控制混凝土的施工配合比，保证混凝土有良好的施工性能③选用纤维混凝土代替钢筋混凝土;④提高施工管理、监测水平，减少衬砌初始缺陷。

4 结束语

（1）围岩是矿山法隧道中的结构主体，大多数围岩具有自支护能力。针对不良围岩采取改进围岩的方法，提高其支护能力。不同围岩的动态特征特征略有不同，在施工过程中需监测开挖后围岩的动态变化，选择合理的改善围岩措施。

（2）充分认识锚杆的功能。重视锚杆在隧道施工中的质量问题，采取更加合理的监测方法和施工方法，提高锚杆在隧道中的支护功能。为保证施工进度和机械化施工，锚杆的商品化应加速。

（3）二次衬砌可保证隧道长期运营和耐久性，充分认识衬砌的功能可加快隧道建设。保证混凝土的耐久性也就是保证了隧道衬砌的耐久性，在隧道建设中严格把控混凝土施工工艺，提高施工管理水平，增强隧道衬砌耐久性。

（4）提高施工技術和施工管理水平，减少对周边环境和结构物的影响，加快隧道建设。

参考文献

[1] 田四明，巩江峰.截至2019年底中国铁路隧道情况统计[J].隧道建设： 中英文，2020，40（2）：292-297.

[2] 交通运输部.2019年交通运输行业发展统计公报[J].中国水运： 上半月，2020，（5）：40-43.

[3] 关宝树.漫谈矿山法隧道技术讲座第一讲——围岩[J].隧道建设，2015，35（10）：981-988.

[4] ArildPalmstrom， HakanStille. Rock engineering[M]. Elles- mere ： Thomas Telford，2010.

[5] AASHTO. Technical manual for design and construction of road tunnls：Civil element [S]. Florida： U. S. Department of Transportation， 2010.

[6] 李伟.软弱围岩隧道锚杆施工技术优化分析[J].黑龙江交通科技，2020，43（7）：160-161.

[7] 关宝树.漫谈矿山法隧道技术第三讲——锚杆[J].隧道建设，2016，36（1）：1-11.

[8] 关宝树.漫谈矿山法隧道技术第五讲——衬砌（一）[J].隧道建设，2016，36（3）：251-256.

[9] 张清川.隧道复合式衬砌初期支护技术研究与应用[J].公路交通科技：应用技术版，2019，15（4）：255-257.

[10] 张志刚，陈佳，姬海，等.东欧公路隧道复合式衬砌结构设计与实践[J].地下空间与工程学报，2020，16（S1）：127-136.

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