隧道工程开挖支护施工技术研究

李德增

摘 要：结合G0711乌鲁木齐至尉犁高速公路天山胜利隧道施工，通过隧道开挖支护施工特点、支护结构发展、开挖支护技术分析和研究，进而掌握隧道开挖支护施工技术要点。在隧道施工时，应当对隧址区地形、地貌与地质进行全面考虑，一定要将超前地质预报和监控量测工作做到位，以此来提升隧道的施工质量和安全。应对隧道施工的每一道工序质量进行严格控制，进而确保隧道工程施工的顺利进行。

关键词：乌尉高速公路；隧道开挖支护；施工技术

中图分类号：TU74                                     文獻标识码：A                              文章编号：2096-6903（2023）02-0040-03

0 引言

乌尉高速公路天山胜利隧道是一座超长高速公路隧道，位于新疆乌鲁木齐市西南侧天山腹地，穿越天格尔峰。隧道进口位于G216国道望峰道班附近，为乌鲁木齐河谷底部斜坡，高程2 772 m。穿越天山胜利达坂后，隧道出口位于乌拉斯台村南疆铁路乌斯托火车站东侧下方缓坡处，高程2 897 m。隧道全长22 105 m，最大埋深1 102 m，按照双向四车道高速公路标准设计，隧道主洞采用钻爆法施工。

隧道属于地下隐蔽工程施工作业，存在极高的复杂性、风险性，极易造成施工过程的危险事故。所以，要想进一步提升工程施工的安全性，就应当对洞口和洞身施工根据实际情况选择合适的开挖和支护施工工艺。也可以根据超前地质预报，来采取不同方式相结合的方法施工，对施工技术要点进行严格管控，进而推动隧道工程施工的顺利开展[1]。

1 隧道施工特点

隧道施工具有极强的多变性，施工现场的地质条件与工程建设的顺利开展有着十分紧密的联系。一些施工现场经常性存在许多不良地质现象，例如逆流、突泥、涌水、断层破碎带、溶洞等，若未进行充分勘察就进行施工作业，非常容易引发施工事故。工程建设所在区域的地质情况也会不断变化，部分区域表面看上去属于正常的地质状况，很可能会存在不良的地质夹层，为工程施工埋下了安全隐患，严重影响了工程施工的安全性。

在开展隧道施工时，各环节之间有着较强的连续性，要想开展二次修复工作困难较大。隧道工程经常会在河流、溶洞以及沟壑等位置施工，在这些位置用水用电都十分困难，因此需要在施工中做好充分准备，才可以确保后续施工的顺利进行。

通常情况下，隧道施工现场的作业空间都非常小，且施工场地粉尘多，能见度比较低，施工过程中噪声过大，会造成工作人员听觉上的不适。操作环境潮湿阴暗、场地过小将很难使用大型的机械设备等[2]。隧道净空断面尺寸的问题，导致很多施工的环节在操作工序上都出现了干扰，使得多道施工无法同时进行。

2 隧道支护结构的发展历程

传统的地下建筑基本都会通过砖石材料来实现支护，一般为拱形结构。混凝土和钢材在建筑行业被大量使用，锚杆支护技术得到了广泛应用，混凝土喷射技术得到了推广，同时和锚杆支护技术融合，变为一种新型支护技术，并在隧道的初期支护当中得到了普遍应用。该技术主要是以锚杆和喷射混凝土组合在一起，将作为主要支护手段的一种施工方法，可以使围岩自稳能力得到进一步改善和提升。在施工初期，该技术会在表面铺设防水层，而最内层会通过混凝土结构来进行支护。通过初期的支护可以使施工过程中的安全性以及结构稳定性得到保障，而最内层的混凝土结构可以进一步提升隧道使用过程中的安全性。

3 开挖支护技术重要性

3.1 提升隧道开挖的安全

对于隧道工程来说，大部分施工现场都处于山区地下位置，施工环境十分复杂，很多工程还会在山体当中进行施工，甚至在岩石上施工，难以确保工程施工的安全性。因此在开展隧道开挖作业时，应当利用支护的方式来有效加固隧道围岩结构，以此来提升隧道结构的安全性，确保隧道工程施工作业安全、顺利进行。

3.2 提升围岩稳定性

在对隧道开挖支护进行施工，不仅可以使隧道施工的安全性得到不断加强，还可以进一步提升隧道周围岩体的牢固性。大部分隧道工程，施工周期较长，在开展开挖作业以后，隧道周围的围岩应力将会重新分配，影响岩体稳定性，给施工安全埋下隐患。通过隧道初期支护加强围岩稳定性，可以有效降低周围环境对隧道岩体的影响，保障围岩稳定，提升施工安全。

4 隧道支护结构分析

4.1 衬砌支护结构

衬砌支护结构主要是通过与隧道围岩进行紧密贴合，在衬砌和周围岩体接触以后产生作用，利用协调松动岩体的变形来保证围岩的稳定性。衬砌支护结构主要是拱形、闭合环形的一种结构形式，这种结构自身具备极强的柔韧性和整体性，能够对围岩的应力状态进行良好的改善，通过释放局部集中的应力来对围岩的变形进行控制。衬砌支护结构能够通过其闭合式的结构，对围岩整体起到支撑作用。在完成支护结构施工以后，能够对围岩的应力进行再次分配，使其应力状态产生变化，通过与隧道周围岩体进行紧密贴合来协调围岩变形。对于衬砌所约束的岩体来讲，其变形量的大小主要取决于隧道周围岩体和支护结构之间的相互作用力，支护结构可以阻止其发生变形或位移。

4.2 超前管棚支护技术

超前管棚支护技术主要应用在软弱围岩等不良地质中，通过各管棚之间的搭接和连接形成具有搭扣形式的管棚结构。在拟开挖隧道的外围周边隐形弧线上，先沿着开挖轮廓利用管棚钻机进行钻孔，并打入钢管。随后在管内注入水泥砂浆，以提升围岩物理参数，使其形成伞状加固圈，以改善围岩所处应力场和掌子面应力场。

该技术具有支护距离长、加固技术好、经济成本低、施工便捷等优势，是近些年新发展起来的一种隧道施工辅助技术。超前管棚支护技术主要设备和材料包括钢管、管棚钻机、夯管锤等。具体施工工序为：施工准备→测量定位→施作套拱→钻孔→插入钢管→焊接外露段与钢支撑→综合检查→注浆封孔。

在管棚支护施工中，主要利用钻机进行钻孔作业，在架设钻机时，确保与钻进线路中心线保持一定仰角，避免出现偏移或者倾斜问题，进而导致管棚偏离，无法充分发挥管棚支护作用。为避免这一问题产生，应采用水平导向跟管钻进法，用棚管替代钻杆，管棚选用长度10～40 m和管径70～180 mm的热轧无缝钢管。在棚管顶端安装导向钻头和角度传感器，然后通过水平定向钻机将棚管打入土体或岩体中[3]。在钻进过程中，角度传感器持续传出信号，施工人员根据信号控制钻进角度，确保钻进角度和方向符合设计图纸要求。管棚施作之后，利用钢尺测距仪检查每节钢管的方向和长度，确保准确无误。

4.3 钢拱架支护结构

钢拱架支护结构的力学模型主要是以拱形为主，在通过钢拱架结构进行支护时，需要充分分析岩体的应力状态，明确钢拱架模型。通过对钢拱架进行科学设计，再加上对钢拱架支护结构和隧道围岩接触的位置进行刚性连接，可以使钢拱架支护结构的受力更加稳定。在实际施工过程中，钢拱架和围岩之间常会出现缝隙。针对这种情况，可通过木楔填塞的方式来解决。对于钢拱架支护结构而言，在支护的前期具有较高的强度及刚度，能够有效地控制围岩的变形，并且它可以与衬砌配合起来共同作用，有效地扩宽支护体系整体的承载范围。

5 隧道工程开挖支护施工技术研究

5.1 超前地质预报

超前地质预报能够对隧道施工的基础工作提供很大帮助，为管理人员提供准确的地质预报信息，以此来提升现场施工管理工作。对于隧道开挖作业而言，应当在施工之前结合地质勘察与超前地质预报的一系列信息，来选择合适的开挖支护方法，制定合理的施工进度计划，施行全过程、无缝隙监测。现场施工管理人员应与地质预测、预报等部门进行充分沟通，以此来及时调整施工工艺和进度计划，保证工程施工作业的顺利开展。

5.2 全断面开挖法

全断面开挖法主要是按照设计断面一次基本开挖成形的施工方法。它需要通过全方位支护来进行施工。应用该技术进行施工，对施工现场的岩层条件有一定要求，要求围岩必须达到I-IV级。以IV级围岩为例，要想通过全断面开挖法进行施工，围岩就一定要具有从开挖初期到支护完成整个阶段保持稳定状态的条件，这样才能保证施工安全。在经济层面，大型机械设备投入到施工当中会严重增加施工成本。除此之外，还应当确保机械设备的配套性，以此来提升施工效率以及施工质量和安全[4]。全断面施工技术的优势十分明显，那就是作业面的空间相对较大，能够通过大型机械设备进行施工，进而降低施工作业人员的劳动强度。同时，全断面开挖法的工序也非常简单，对于周围围岩的干扰非常小，施工管理十分方便，可以有效确保工程施工的质量和进度。不过该方法也存在一定的局限性，并且施工时机械化程度较高，要求施工组织十分严密[5]。

5.3 爆破控制

对于隧道施工来说，爆破是一项非常重要的作业环节，通过爆破技术可以有效提升隧道工程施工的效率，保障工期。不过，这种高效率的施工技术可能会在工程施工时引发安全事故。爆破技术虽然进一步提升了施工效率，但由于其威力巨大，若是无法对其作业范围进行控制，就会对整个施工流程产生较大影响，严重的还会引发塌方事故[6]。因此，在开展爆破作业之前，应当对爆破作业开展科学爆破设计，完善爆破方案，防止由于爆破而引发安全和质量事故。应准确计算爆破装药量，对炮孔布设进行准确计算，降低爆破对于周围产生的影响，提升工程施工的安全性。

5.4 变形控制

要想进一步提升隧道的稳定性，就需要通过更加先进的技术，来增强隧道的抗塌方以及变形能力。这就要求对施工现场的地质情况予以全面掌握，将前期的地质勘察工作做到位，并对施工现场出现坍塌事故的概率进行深入研究，明确事故发生率相对较大的位置，制定相应的预防措施。施工人员需要通过超前支护和锚杆支护等方式来避免隧道围岩出现变形，规避塌方事故，进一步增强工程的施工质量以及安全性[7]。

5.5 隧道防排水施工

隧道防排水应遵循“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理”的原则，保证隧道结构物和设备的正常使用和行车安全，并对地表水、地下水妥善处理，形成一个完整通畅的防排水系统[8]。

隧道内部积水会对隧道耐久性和行车安全产非常大影响，防排水系统的设计和施工质量控制相当重要，必须第一时间排除隧道内部积水。防排水施工进行之前，应当通过喷射混凝土封闭隧道围岩，以此来改善岩层裂缝问题，并利用边沟排出低洼位置的积水。隧道开挖施工之前必须在洞口的上方设置截水沟，并按照设计要求组织施工，防止隧道上方坡面水流冲刷隧道边仰坡，进而对隧道安全造成安全隐患。对于边坡坡面，应按照设计要求或利用喷射混凝土予以防护施工，避免出现渗漏水的现象[9]。在止水带、止水条施工的过程中，需要保证其具备较好的平顺度，结合施工实际情况来对止水带的长度进行设计，并对接头位置进行密封处理。

6 结语

隧道施工本身就存在极高的安全风险，这就要求严格控制每一道工序的施工质量，并结合现场实际地质情况、施工机械設备、施工材料、劳动力数量选择合适的施工工艺进行施工，确保工程施工的质量和安全。

随着时代的发展和社会的进步，山区公路长大隧道越来越多，社会各界对隧道工程施工质量和安全的关注度越来越高，隧道施工技术也越来越先进，工作人员应当熟练掌握隧道开挖支护施工技术，进而不断改进和提高隧道施工水平，以满足社会各界的需求。

参考文献

[1] 李丰现.水电站引水隧洞开挖与支护的施工技术[J].工程技术研究，2019，4（5）：86-87.

[2] 赵淑红.道路桥梁隧道工程开挖支护的施工要点研究[J].绿色环保建材，2021（7）：109-110.

[3] 阎倩倩.隧洞工程开挖支护施工方法[J].河南水利与南水北调，2020，49（5）：41-42.

[4] 李书友，冯亚辉，职承杰.支护条件下隧洞围岩稳定性及支护结构受力分析[J].水利科技与经济，2022，28（1）：77-81.

[5] 王月勇.公路隧道工程中二次衬砌技术探讨[J]. 黑龙江交通科技，2021，（04）：137-138.

[6] 张廷彪.公路隧道工程渗漏水防治设计优化研究[J].工程技术研究，2021，（17）：236-237.

[7] 沈桂基.公路隧道工程建设的开挖支护施工及其管理[J].城市建筑，2019，（36）：163-164.

[8] 郑云.公路隧道工程建设质量管理研究[J].黑龙江交通科技， 2020，（06）：241+243.

[9] 甘宇峰.公路隧道工程质量控制过程中的关键问题分析[J].江西建材，2017，（17）：131-132.