路桥隧道工程开挖支护的施工要点研究

夏国燕， 赵炜锋， 方露妮

(1.杭州萧山城市建设投资集团有限公司，浙江 杭州 311200； 2. 杭州萧山城市基础设施建设有限公司，浙江 杭州 311200； 3.浙江明燧科技有限公司，浙江 杭州 311400)

0 引 言

在隧道施工过程中，由于现场作业环境复杂，为确保作业环境的安全，在施工过程中需要应用多种开挖支护技术，来对隧道内部的支护结构进行构建[1]。但隧道施工工序复杂、施工要点众多，且会受到多种影响因素而导致安全事故的发生，因此本文以隧道开挖支护施工为研究对象，重点对其施工要点进行分析。

1 隧道开挖支护施工综述

1.1 隧道施工的特点

隧道施工工艺复杂且施工难度大[2]，具体体现在以下几个方面：

(1) 隧道施工影响因素众多且不可预测，尤其是地质条件对隧道施工的影响尤为明显，若未探明并全面掌握，就无法对施工区域内的不良地质病害进行有效的预测及应对。

(2) 隧道施工不可避免地会对原有地质结构造成破坏，甚至可能会带来塌方等安全事故。

(3) 由于隧道施工环境处于地下，隐蔽性强，各施工工序之间紧密关联且环环相扣，后一道工序会覆盖前一道工序，如果一些较为隐蔽的风险未及时发现并处理，会给后续工作的开展带来影响。

1.2 隧道支护结构的发展历程

早期的地下建筑多采用砖石材料进行支护，多为拱形圬工结构。而随着混凝土与钢材的出现，地下建筑的支护施工进入了新阶段，形成了锚杆支护技术，最初用于对矿山巷道的加固。而随着喷射混凝土技术的出现，并与锚杆支护技术相互配合使用，形成了一种具有鲜明特点的新型支护技术，常用于隧道的初期支护[3]。新奥法建立在锚喷支护的基础之上，以喷射混凝土及锚杆作为主要支护方法，在施工期间对围岩变形进行监控测量，充分发挥其自稳能力。新奥法在初期支护表面铺设防水层，最内层采用混凝土结构作为永久支护。其中初期支护的主要功能是确保施工期间的安全与结构的稳定，永久支护则是确保隧道在使用期间的安全。

1.3 隧道施工不良地质灾害

1.3.1 岩爆

岩爆是指在隧道开挖施工过程中，承受高应力的脆性岩体因隧道开挖施工的扰动，内部存储的弹性应变能急剧释放而出现的开挖空间周围的岩石松动、剥落甚至是弹射抛掷的现象。岩爆多发生在Ⅱ、Ⅲ级围岩段[4]。对于岩爆形成的机制，目前主要有以下三种理论。

(1) 强度理论。强度理论认为隧道开挖之后会导致周围岩体内部出现应力集中现象，当岩体的极限强度无法抵抗其内部应力，就会导致岩体突然发生破坏，即岩爆现象。

(2) 刚度理论。刚度理论源于刚性压力机的出现，采用刚性压力机进行压缩试验，则试样的破坏并不猛烈。究其原因，是由于试件刚度大于试验机刚度。刚度理论即将这一结果应用于岩爆形成的机制中，但刚度理论多用于对煤矿冲击地压与矿柱岩爆问题进行研究，在公路隧道中应用较少。

(3) 冲击倾向性理论。冲击倾向性理论采用岩体的物理力学指标对岩爆的发生进行预测，当岩体的实际冲击倾向度大于规定的极限值，便产生冲击地压。冲击倾向度的度量参数主要有弹性应变能指数、脆性指数、有效冲击能指数等。

1.3.2 断层

岩石因受到地应力的作用而出现变形，随着变形的持续变大，会破坏岩石的连续性与完整性，形成不同程度的断裂。断层则是指岩石因受到构造运动的影响而发生断裂，并出现明显位移现象的断裂构造，如图1所示。断层会对隧道围岩的稳定性带来直接影响，而密封条件好的断层破碎带则为瓦斯等有害气体提供了良好的贮存条件。

图1 断层构造

1.3.3 岩溶

岩溶即喀斯特，是可溶性的碳酸盐类岩层在地表水及地下水的侵蚀、崩解以及机械破坏、搬运及沉积作用下出现的溶蚀现象，如图2所示。根据岩溶的形态规模、填充特性以及涌水量等，可将其进行分类，见表1。

表1 岩溶分类

图2 隧道涌水

岩溶对隧道施工的影响主要来自于岩溶水、岩溶洞穴及其填充物，主要有以下三方面的危害：

(1) 隧道围岩范围内的岩溶水会导致围岩的工程地质条件与水文地质条件发生变化，降低其强度，诱发涌水突泥事故的发生，而且岩溶水还会对隧道支护结构带来腐蚀。

(2) 溶洞导致了隧道围岩的物理力学性质发生变化，引发隧道岩层的刚度及应力场的变化，尤其是在溶洞周边会出现应力集中现象，引发围岩变形量的增大。

(3) 溶洞会导致隧道结构出现部分悬空现象。

1.3.4 涌水

在隧道开挖过程中，由于含水层结构的破坏，围岩力学平衡及水动力条件发生急剧变化，引发地下水所存储的能量以水流高速移动的形式瞬间释放而形成的一种动力破坏现象，即涌水。研究表明，涌水多发生在断层破碎带、溶洞及暗河区域。当涌水中含有大量的泥质物质时，即为突泥，经常会引发重大安全事故。隧道涌水与施工影响、地形地貌、围岩岩性、地质构造及隧道的长度及埋深有直接关系。

1.3.5 塌方

塌方是指隧道开挖施工期间洞顶围岩塌陷、侧壁滑移的现象，严重时甚至发生冒顶等现象，包括围岩塌方与支护结构塌方两方面。塌方作为隧道施工中最为常见的安全事故，其成因复杂、危害性高且难以治理，但归根到底是由地质因素所决定的。隧道塌方由于分类标准的不同，塌方类型也存在差异，主要有以下几种分类方法。

(1) 按塌方体积及塌腔高度分类。根据塌方体积及塌腔高度可将隧道分为三类，即小塌方、中塌方及大塌方，见表2。

表2 塌方分类

(2) 按塌方区域分类。按塌方区域可将隧道塌方分为拱顶塌方、侧壁塌方及掌子面塌方。其中拱顶塌方多发生在隧道刚开始开挖，初期支护未来得及施工或者是刚施工完毕，隧道洞身上部的围岩由于开挖而出现临空面，导致其失去支撑而发生垮塌。侧壁塌方通常发生在隧道洞身的拱腰处，其产生的主要原因是相对完整但垂直节理较为发育的围岩在隧道开挖之后会出现塑性变形区，导致垂直节理不断发育，最终形成纵向贯通的裂缝引发塌方，而对于破碎的围岩，若开挖之后未及时进行初期支护，经常会形成大范围的塌方。掌子面塌方是由于前方岩体较破碎，引发掌子面因失稳而塌方。

1.3.6 偏压

偏压是因隧道结构左右两侧所受到的荷载不同而引发的结构内力不对称现象，多发生在隧道洞口浅埋段，由于地形所导致。偏压产生的主要原因有地形原因、地质原因及施工原因三种。

(1) 地形原因。对于傍山的隧道，由于地面倾斜导致侧压力大，如果隧道埋深较浅就会形成偏压。因地形原因导致的偏压是由于重力场所导致的，包括稳定地形偏压与蠕变地形偏压。

(2) 地质原因。若围岩产状倾斜且节理发育，加之存在软弱结构面或滑动面，导致其自稳能力差，在隧道施工中一旦受到扰动，就会导致岩体沿着节理面出现滑动，如图3(a)所示。

(3) 施工原因。施工方法不当打破围岩压力的稳定状态，引发应力集中，或者是隧道开挖时存在超挖现象且并未对超挖部分进行回填，就会导致围岩出现脱落而对支护结构造成冲击，从而导致偏压的出现，如图3(b)所示。

2 隧道开挖支护施工要点

2.1 开挖施工技术及要点研究

2.1.1 全断面开挖

全断面开挖技术一次性开挖整个隧道洞身断面[5]，开挖操作简单，还可有效地保证隧道开挖施工的质量，应用比较广泛。需要注意的是，全断面开挖施工前需要先进行全断面钻孔并装药引爆，隧道洞身开挖往前推进一段距离之后需要重复上述过程。同时在开挖期间还需要设置防水隔离层，并且要对已开挖的部分及时进行支护，确保隧道的稳定性。在引爆时，人员需要撤出洞外，钻孔台车距离爆破点位置最少要保持50 m的安全距离，避免受到爆破的影响。

2.1.2 分部开挖

分部开挖是一种采用引导坑开挖掘进的方式，简单来说就是将隧道开挖分为两部分，其中一部分先行开挖与支护，另一部分待先行开挖部分完成后再开始施工。首先采用引导坑对隧道洞身断面的其中一部分进行开挖，将工作面向前推进，然后进行必要的支护，待已开挖隧道部分支护完成之后才可进行剩余部分的开挖。这种开挖方法相对而言安全性更有保障，适用于对一些特殊土层进行开挖。

2.1.3 长台阶法

长台阶开挖多用于地形特殊的Ⅰ～Ⅲ级围岩隧道的开挖施工，这种方法最大的特点是开挖面积小而作业面长度大，在开挖施工过程中对隧道围岩稳定性影响较小。长台阶开挖的施工长度通常控制在100 m以内，在施工期间还需要采用支护结构来配合施工。在长台阶开挖施工时，需要注意做好掌子面处的排烟与排水工作。

2.1.4 短台阶法

短台阶法用于对围岩等级在Ⅳ级及以上隧道的开挖施工，由于等级高的围岩稳定性差，且传递荷载低，若开挖长度过大易引发隧道塌方，因而采用缩短开挖台阶长度的方法进行施工。由于开挖作业面短，且开挖完成之后立即进行支护施工，能够有效地确保开挖施工期间隧道的安全性与稳定性。

2.1.5 超短台阶法

Ⅴ级、Ⅵ级围岩由于稳定性非常差，在隧道开挖过程中容易发生塌方，给施工人员及机械带来严重的安全威胁。超短台阶法可很好地解决这些问题，在开挖施工中及时支护，形成密集的支护环境[6]，确保开挖施工期间的安全性。经过大量的工程实践证明，短台阶开挖法用于围岩完整性很差的隧道施工具有很好的成效，但是支护结构会给施工质量带来很大的影响。

2.2 隧道支护结构研究

2.2.1 隧道围岩支护体系

(1) 隧道围岩支护体系的构成。隧道围岩常用的支护体系由复合围岩结构和复合支护结构组成，其中复合围岩结构包括原岩、深层围岩与浅层围岩，复合支护结构由初期支护与二次衬砌组成[7]。确保浅层围岩的稳定是隧道开挖稳定性控制的关键。轴向压力由围岩和支护结构共同进行承担，其中围岩是承载轴向压力的主体，要确保其自稳能力。首先是支护结构能防止浅层围岩因变形而出现破坏，确保其稳定性；其次是在隧道开挖之后允许围岩出现可控的塑性变形，并在合适的时机进行支护施工，最大限度发挥围岩的自稳能力。

(2) 支护结构的功能及机制。支护结构的基本功能为确保隧道断面的使用净空，承受各种荷载。其中“支”是指支护结构给隧道围岩应力状态带来变化，改变受力状态，使其从单向受力变为双向受力或者是从双向受力变为三向受力，进而提高了围岩的稳定性及安全性，如图4(a)所示。而“护”则是改变了围岩的力学性能，进而提高隧道结构的稳定性，如图4(b)所示。

图4 支护体系作用机制

2.2.2 隧道支护设计方法研究

(1) 收敛约束法。收敛约束法即特性曲线法，是新奥法与连续介质理论的实践成果，能够贴合地对围岩和支护结构之间的相互作用进行反映。通过对围岩的变形进行测量分析，确定最佳支护时机与强度，准确地预估支护结构和岩层的稳定性。但这种方法停留在定性描述阶段，还需要进行完善及改进。

(2) 荷载结构法。荷载结构法通过建立模型对支护结构在围岩荷载作用下的受力及变形情况进行计算，首先通过对岩层进行分类来确定其压力，在保障支护结构能安全承受压力的前提下以弹性地基理论计算结构内力，进而进行支护结构设计。该方法适用于对围岩自稳能力较差的隧道支护结构进行设计，计算逻辑清楚，结果可靠。

(3) 地层结构法。地层结构法以岩土弹塑性理论为基础，将围岩与支护结构视作连续整体，建立隧道的平面应变力学模型，是现阶段应用较为广泛的设计方法，包括解析法与数值法两种。地层结构法不仅考虑围岩自身的承载能力，还综合考虑了其与支护结构之间的相互作用，可对支护结构内力与围岩变形进行模拟，与工程实际最为贴合。地层结构法不能很好地反映自稳能力较差的软弱围岩承载能力，因此不适用于软弱围岩隧道支护结构设计计算。

2.2.3 支护施工技术及要点研究

(1) 锚杆。锚杆的位置布设需要根据围岩等级、风化程度以及岩层状态等，从理论角度来分析，锚杆的布设方向、间距以及长度均需要与岩层面垂直，以便充分发挥锚杆的作用。在设计施工中，需要根据围岩的水文地质条件对锚杆长度及间距进行调整，避免出现锚杆过剩或者不足的问题，消除安全风险。在进行锚杆施工时，要确保锚杆的孔深、位置及布置位置的准确性，在进行钻孔施工时要及时地排除孔内的积水。

(2) 喷射混凝土。隧道开挖之后，要及时地进行喷射混凝土处理，尽快闭合围岩，确保其稳定性满足要求，喷射混凝土要分层操作，且完成喷射之后必须要及时进行养护。喷射混凝土采用湿喷作业，应按照设计流程范围加入速凝剂，喷嘴要与围岩面保持垂直，喷射距离控制在0.8～1.2 m，遵循从上至下的原则分段进行施工。在进行仰拱部分的混凝土喷射时，可采用台阶法进行喷射施工，先喷射拱脚部分，后喷射拱顶部分，喷射长度控制在4 m之内。在喷射混凝土过程中，若发现围岩面存在不平整现象，应优先喷射凹陷部分。

(3) 钢筋网。钢筋网多用于和锚杆组合使用，能够进一步提高锚杆支护的稳定性，消除锚杆支护无法达到的盲区。采用钢筋网对锚杆的空隙位置进行支护处理，加强围岩的质量，还可与喷射混凝土组合使用。钢筋网进行绑扎之前，首先要检查钢筋是否存在锈蚀现象。钢筋网的铺设遵循随高就低原则，紧贴初喷面布设，如果有钢支撑则将其放置在两侧的钢外弧处并与其进行点焊，若无钢支撑，则在围岩打膨胀螺栓，将钢筋网片固定在膨胀螺栓上并与锚杆尾部进行点焊[8]。

(4) 超前小导管。超前小导管的支护原理是通过在岩层中打入小导管，通过注浆泵施加压力，浆液顺着小导管的孔洞渗透至岩层缝隙中，以此来改变其物理力学性能。经过注浆加固的岩层不仅能够起到止水的效果，还可以在开挖面周围形成一个承载壳[9]。与此同时，超前小导管还视为纵向锚杆，能够延长围岩的自稳时间，限制其松弛程度。超前小导管在隧道拱部120°范围内环向布设，其环向间距宜为0.4～0.5 m，外倾角控制在10°～12°。在进行小导管施工之前，首先要进行布孔，钻孔完成之后才可进行小导管的安装。

(5) 钢拱架。钢拱架的承载力高，用于隧道支护时能很好地发挥支护作用。作为一种常用的支护形式，钢拱架支护多采用钢筋格栅、工字钢以及U形钢等形式。采用钢拱架支护时，首先要安装拱部的钢拱架，以方便拱部与下部拱架之间的连接。在完成隧道下部的开挖之后，要及时安装边墙拱架，并通过纵向连接筋将已安装的拱架连接成为一个整体。拱架安装的误差对其支护效果有直接影响，垂直度偏差小于2°，纵向、横向及高程误差不得超过5 cm。

3 结束语

随着近年来公路建设工作的大力推进，加之技术标准的提高，盘山绕行方案在山区公路建设中已很少采用，取而代之的是隧道方案。特别是中西部地区山区公路建设工作的大力推进，隧道开挖支护问题已成为公路建设中一项不容忽视的难题。本文通过对隧道支护的特点及施工期间常见的地质灾害现象进行研究，并对常用的隧道开挖支护技术及其要点进行分析，能够对隧道的施工提供一些参考及建议。