巫镇高速公路隧道洞口支护施工技术及优化措施

闵帅

（中铁十七局集团第一工程有限公司，山东 青岛 266555）

1 工程概况

重庆巫溪至陕西镇平高速公路（重庆境内）一分部段，正线起讫里程为K0+000—K11+350。主线路基1 960m，互通路基1 696m，盖板涵4 座，隧道1.5 座/8136km。其中巫溪隧道属于重点内容，为左、右线分修，设横洞、通风斜井各1座。

2 隧道洞口支护的常见方法

2.1 喷射混凝土

岩体存在裂隙时，制备适量的混凝土，将此部分材料喷射至裂缝内，起到咬合、镶嵌的作用，使原本相对分散的岩块衔接为完整的整体。在采取喷射混凝土的方法后，岩块体的黏结力和摩擦力均有所提升，围岩的稳定性得到保证，同时给围岩表面以抗力和剪力，总体来看受力条件得到优化，围岩能够维持三轴应力状态。

2.2 锚杆支护

取适量合适尺寸的锚杆，将其搭设至岩土体内，通过锚杆的应用，有效约束岩土体的变形；并且，锚杆的搭设会对围岩施加压力，改善洞室内表面围岩的受力状态，该部分能够稳定维持三轴应力状态；岩体刚度可控，无异常变化的情况。向岩土体中搭设系统锚杆后，可以构成稳定可靠的加固圈，构成力学性能良好的岩土体承载拱，以便有效承受外部荷载，加之岩土体的协同作用，可确保在外部荷载的作用下无坍塌等异常现象，提升现场的岩土体的稳定性[1]。

2.3 挂设钢筋网

钢筋网施工通常联合应用到锚杆装置。单从锚杆应用效果来看，其按照特定的间距打设到位，锚杆约束作用间的岩土体缺乏足够的稳定性（偏薄弱）。为了增强支护效果，在打设锚杆的基础上挂设钢筋网，通过此类材料来连接锚杆，建立三轴应力状态。此外，锚杆间可以相互连接，在此方式下，有效降低锚杆失效的概率。

在采取钢筋网支护时，需注意如下几点：①以相对灵活的方式设置钢筋网，具体需考虑到围岩面的起伏情况，将钢筋网合理铺设到位，避免局部间隙过大；②在铺设钢筋网前，先喷射一层混凝土；③设置的钢筋网需要与打设的锚杆保持稳定的连接关系，以免在后续喷射混凝土时由于扰动作用而失稳；④正式喷射施工中，一方面保证材料的质量，另一方面则要规范作业，例如严格控制喷头与被喷面的距离；⑤注重对各细部的喷射施工，例如钢筋网背阴面也要被混凝土有效填充。

2.4 注浆导管超前支护

超前锚杆、超前注浆导管等均是较为典型的超前支护方法。对于超前锚杆支护，其应用机理与锚杆支护相似，依托于锚杆的抗弯作用稳定岩土体，但需注意的是，仅设置锚杆所取得的加固效果有限。对于注浆导管的加固方法，通过浆液的作用，可以纵向支撑松散的岩土体，联合应用后部钢支撑和前方未开挖的岩土体，由两部分共同支撑中间的岩土体。并且，对导管内注浆和砂浆锚杆注浆后，岩土体的裂隙能够被注入的浆液有效填充，达到相对饱满的状态，浆液固结后，构成土层加固圈，此结构的刚度较大，在保证岩土体稳定性方面有突出的作用。

2.5 管棚超前支护

岩土体地层的成拱效果较差时，岩土体侧向压力较大，易威胁到隧道的稳定性，严重时有纵向坍塌风险，为此可采用管棚超前支护的方法。在洞口处施作管棚，在开挖的外轮廓线处布设大直径的钢管，发挥出类似于纵向钢梁的作用，在该构件布置方式下，可削弱岩土体自重产生的侧向压力，由于不良力的作用得到控制，前方地层的稳定性随之提升。为切实保证岩土体的稳定性，部分情况下也可在钢管上预留注浆孔，先根据要求将管棚设置到位，再组织注浆作业。

3 初期支护方案

从现场围岩特性、隧道质量要求等基础条件出发，确定隧道洞口初期支护的基本方案，即：联合应用ϕ22mm水泥砂浆锚杆、R25自进式中空注浆锚杆，统一按照梅花形布置的方式将各类锚杆设置至指定位置，视实际围岩等级灵活调整锚杆的布设间距及长度，此外根据锚杆的尺寸适配垫板。

3.1 ϕ22mm水泥砂浆锚杆施工工艺

（1）施工准备。全面检查锚杆，保证锚杆类型、质量、数量等方面均满足要求；根据锚杆的类型，适配合适型号的钻机，进场时检验其性能，若有故障则及时处理，保证钻机稳定运行。

（2）锚杆钻孔。钻孔作业由人工操作风洞凿岩机完成。为提高钻孔施工效率，搭建简易台架，于该处施钻；准确检测钻孔方向并予以控制，以垂直结构面或初喷混凝土表面为宜；钻孔的孔径要比锚杆直径大15mm；依据设计要求控制钻孔深度，误差控制在±50mm；钻进期间钻机始终保持稳定，钻进成孔后，通入高压风，清理钻孔期间残留在孔内的岩粉等物质。

（3）锚杆施工。对锚杆体钻头的水孔做详细的检查，判断是否堆积杂物，若有则予以清理，而后正式安装锚杆。锚杆安装到位后，用水和空气洗孔，其间观察孔口的实际情况，待该处返水或返气时，即可结束。

（4）注浆。材料选用纯水泥浆或1∶1 水泥砂浆，选取水泥等优质的原材料，按照0.4～0.5的水灰比制备。浆液拌制后，及时从杆体孔灌入，尽可能做到随拌随用。

3.2 R25自进式中空注浆锚杆施工工艺

（1）施工准备。全面检查锚杆，保证类型、质量和数量等方面均满足要求；根据锚杆的类型，适配合适型号的钻机，进场时检验钻机性能，保证钻机能够稳定运行。

（2）锚杆钻孔。钻孔施工采用潜孔钻，套上专用纤尾套，使该部分与锚杆稳定连接，在首节锚杆前端套钻头。根据现场勘查揭示的地质条件，合理设定锚杆长度，可根据长度要求在现场拼接。待第1节锚杆钻进到位后，在该构件的尾部套上连接套，连接下一节锚杆，以此类推。

（3）注浆。材料选用纯水泥浆或1∶1 水泥砂浆，按照0.4～0.5 的水灰比制备。浆液拌制后，及时从杆体中孔灌入，尽可能做到随拌随用。

锚杆尾端借助快速注浆接头与锚杆尾端注浆泵紧密连接，而后启用灰浆搅拌机，根据预先确定的配合比选取原材料，将水泥与其他材料均匀拌和。经过拌制后，将浆液输送至压浆泵内，全程压浆高压管始终保持顺直的姿态。压浆施工期间，考虑压浆泵的压力值或浆液的生产能力，据此动态调整压浆量。压浆结束后，随即将止浆塞安装好，再做锚固处理。锚杆局部外露，将该部分套上拱形垫板，并在垫板外上好球形螺母。

4 隧道洞口加固方案

基底偏软弱，右洞施工过程中，进尺达到10m后发现地表有开裂的迹象，观察此时的初期支护结构，发现有下沉和开裂问题。为此，制订加固方案，优化初期支护条件，强化隧道施工安全性。

4.1 注浆封闭地表

隧道上方地表有裂缝出现，而施工恰逢雨季，地表水易经由裂缝下渗，若未采取有效的控制措施，拱顶上覆土层将由于偏松散而在冲刷作用下受损。为此，采用挂网喷浆方法处理隧道上方地表。加固范围取隧道纵向15m、横向20m，地表设尺寸为20cm×20cm 的ϕ6mm 钢筋网片，在连接部位以焊接的方法设置1m 长的ϕ22mm 锚杆，起到加固的作用，而后组织C20 混凝土喷射施工，厚度按10cm控制[2]。

4.2 隧道边墙地表注浆

初期支护的拱脚存在向隧道内侧变形的发展趋势。为有效控制此现象，以地表垂直钻孔注浆的方法对隧道洞身的两侧做加固处理。注浆范围取隧道纵向10m，钻孔深度根据地表标高而定，为13～18m，孔径125mm，孔间距90cm×90cm（梅花形布置），设置壁厚为6mm 的ϕ108mm热轧无缝钢管。

为保证钻孔效果，用全站仪进行钻孔测量放样，确定准确的孔位以及地面标高，而后在指定位置利用钻机钻进施工。钻孔后，清理孔内的杂物，而后尽快将注浆管下入，以免堵塞孔洞。注浆管连接时，为保证连接的严密性与稳定性，采用丝扣连接的方法。水泥浆液注浆施工时，加强对注浆压力的观测与记录，判断该项指标的实际情况，予以有效的控制，通常以0.4～1MPa较为合适[3]。

4.3 加强洞内支撑

为避免洞内初支拱顶持续下沉的问题，决定用20b型工字钢对洞内纵向10m做加固处理，即借助该类工字钢稳定支撑钢拱架。相邻工字钢以纵向钢筋焊接的方法稳定连接，考虑到工字钢可能会下沉的情况（与受力较大、受力面积较小有关），在工字钢的下支撑点处设合适尺寸的钢板，分散作用力。

洞内支撑方案见图1。结合图中信息展开分析，在支撑时，先将残留在钢板底部的稀泥、废渣清理干净，而后垫上钢板，架立工字钢斜撑，架设到位后采取焊接措施，使斜撑和钢拱架、下垫钢板稳定结合于一体。在前述基础上，完成纵向连接钢筋的焊接作业。

图1 洞内支撑方案

4.4 钢拱架锁脚小导管加固

在钢拱架拱脚部位设锁脚小导管，采取此措施进一步提高钢拱架的稳定性，避免下沉。选材方面，锁脚小导管选用的是热轧无缝钢管，长4.5m、壁厚3.5mm、外径42mm，除尾部1m 外，其余部分的管壁四周均钻ϕ8mm 压浆孔。向小导管内插入长度为4.2m 的ϕ22mm锚杆，而后再组织注浆作业。

4.5 洞内注浆

钢拱架经过加固处理后，可维持稳定，再从套拱到掌子面纵向10m 区域设ϕ42mm 注浆小导管，在小导管尾部焊接ϕ6.5mm加筋箍，除管道尾端1m外，管壁四周均按纵向15mm 的间距设置ϕ8mm 压浆孔。为保证注浆效果，先用全站仪测放注浆孔，而后将制作好的注浆小导管设置到位。对钢管逐一编号，以跳跃式的方法注浆，即先完成奇数号钢管的注浆作业，而后再转为偶数号，注浆期间灵活调整注浆压力，以0.4～1MPa为宜。

4.6 软基加固处理

在采取钢拱架加固、注浆加固等措施后，初期支护拱顶下沉现象不再继续发生，喷射的混凝土保持稳定，未见继续开裂的情况。在此前提下，及时开挖下导坑、施作仰拱，将相关工作落到实处后，尽快使隧道断面封闭成环。为保证仰拱基础开挖的安全性，先检验现场地基的承载力，对于不满足要求的部分，用C25 混凝土回填。在前述基础上，将底脚的钢拱架接上，将洞内支撑钢架拆除，确认各项准备工作均无误后，正式开挖下导坑以及施作仰拱。

5 施工效果分析

5.1 堵水效果

原始状态下（未采取处理措施时），隧道内存在较为明显的渗水问题，而在落实封闭地表、边墙地表垂直注浆、洞内注浆等相关措施后，洞内渗水问题得到有效的解决，仅存在零星滴水问题，但并不会对现场安全状况造成影响，表明堵水效果较好。

5.2 地表裂缝与沉降的控制效果

对地表做封闭处理后，原本存在于地表的裂缝被有效填充，结构恢复相对完整的状态；地表的稳定性也得到保证，即地表沉降趋于稳定。

5.3 初期支护的加固效果

初期支护拱顶下沉不再继续发生，仰拱施工结束后做详细的检查，最为明显的区域集中在钢拱架处，下沉量为14cm，但未超过预留值20cm 限度。另外，初期支护拱脚向隧道内侧的变形现象也得到有效抑制，实测结果显示拱脚最大变形量为16cm，未超过预留值20cm 限度。已经存在的混凝土裂缝无发展的趋势，后续也几乎不存在新裂缝，混凝土结构保持相对完整的状态。

6 结语

隧道洞口段围岩条件特殊，通常存在部分浅埋、松散破碎的岩体，而隧道洞口施工的扰动作用较强，容易破坏围岩的稳定性，改变其初始应力状态，必须采取有效的初期支护方法。在巫镇高速公路隧道工程中，洞口初期支护效果良好，表明采取的初期支护方法以及优化措施具有可行性，可供同类施工参考。