隧道工程中超前支护施工技术

摘要 隧道工程施工时需注意控制围岩变形，为降低围岩变形，文章以某地区隧道工程为例，研究超前支护施工技术的应用性效果，结合该工程的施工难度和施工时发生的问题，制定该隧道的水平旋喷超前加固方案并确定施工流程，选择合理的施工设备、严格控制施工参数以及施工工艺，完成隧道工程施工。对隧道的施工效果进行分析后得出：超前施工技术的施工质量较好，可控制隧道围岩变形程度，降低隧道拱顶沉降，保证隧道施工工程安全。

關键词 隧道工程；超前支护；施工技术；水平旋喷

中图分类号 U441文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）23-0056-04

0 引言

隧道工程是现代交通工程的重要组成部分，广泛应用于公路、铁路、水工等领域。在隧道施工过程中，超前支护施工技术作为一种重要的施工方法，能够有效地提高隧道施工的安全性和稳定性，受到广泛地关注和应用。依据隧道工程的施工位置可分为山岭隧道、水下隧道以及城市隧道3种工程类型，其中山岭隧道工程是修建数量最多的工程^[1]，该类隧道工程在施工过程中，隧道穿越软弱、破碎围岩时，在进行工作面开始时，该类围岩在开挖扰动下^[2]，会发生较大变形，该变形可能会超过允许范围^[3]，会导致隧道周围形成围岩压力，即偏压，该压力具有不对称性特点，特别是在软弱围岩的地质情况下^[4]，如果不能有效处理偏压情况，会导致隧道施工风险增加，对于施工人员造成较大安全风险^[5]，极易引发掌子面稳定性降低，引发隧道塌方。

超前支护施工技术是指在隧道开挖之前，采取一定的措施对前方围岩进行加固和稳定^[6]，以防止隧道开挖过程中围岩变形、坍塌等现象发生，确保施工安全和稳定。超前支护施工技术的具体形式包括超前锚杆、超前小导管、水平旋喷桩等，其作用主要是对前方围岩进行加固和稳定，提高围岩的自承载能力，减少开挖过程中变形和坍塌风险^[7]。通过应用该技术能够成功控制围岩变形，有效地预防突水、突泥等事故发生，提高施工的稳定性和安全性，确保施工安全。

为研究超前支护施工技术在隧道工程中的应用效果，文中以某地区的山岭隧道工程为例，研究超前支护施工技术的应用效果，为类似工程提供有效参考。

1 超前支护施工技术

1.1 工程概况

文中以某地区的山岭隧道工程为例，研究超前支护施工技术的应用效果，该隧道工程全长3 200 m，属于单洞双线隧道，开挖面积接近142 m2，该隧道穿行在山体下部并且地势起伏明显，相对高差接近200 m，最小埋深为6.2 m，地表存在明显的沟谷发育，水资源丰富。

该隧道工程在施工过程中，掌子面属于细粉砂层，自稳定性极差，初期支护变形显著，发生多次坍塌，严重影响工程进度。因此，针对该隧道工程的施工难度，需选择合理、科学的施工技术进行辅助施工，保证隧道工程安全施工。

1.2 超前支护施工方案设计

1.2.1 水平旋喷超前支护方案

结合该隧道工程的施工设计方案和施工难度，文中选择高压水平旋喷桩支护超前支护施工技术作为该工程的辅助施工方案，因为高压水平旋喷桩支护超前支护施工技术具有高强度、高均匀性、高可控性等优势，能够将土体和水泥浆有效混合并进行高压旋喷，形成高强度的固结体；同时能够在成桩过程中，破碎大块土体，控制浆液注入范围并调节注入参数，全面提升土体的防渗、抗滑等能力。

文中设计水平旋喷超前加固方案，用于实现该隧道工程辅助支护，该方案主要是：在隧道周围设计水平旋喷桩，在40 cm间距下设置拱强单排咬合；掌子面采用玻璃纤维锚杆旋喷桩，并采用梅花形设计；采用直径为60 cm锁脚旋喷桩替代锁脚锚杆。水平旋喷超前加固方案断面示意图如图1和图2所示。

该方案施工时，水平旋喷桩纵向长度设计结果和开挖长度之间，需预留3 m作为循环搭接；保证桩体之间紧密咬合，以此形成完整的帷幕体系，有效降低开挖过程中对围岩土体的扰动；掌子面采用梅花分布的旋喷桩保证掌子面正前方土体的稳定性，避免发生土体流塌；锁脚旋喷桩的主要作用是形成临时封闭，保证隧道落底工序的安全，该桩体的打设方式是沿隧道两侧下方，角度为30°～45°，在每榀拱架之间的两侧拱脚处各安装一根桩体。

1.2.2 超前支护总体流程

确定施工方案后则制定总体施工流程，高压水平旋喷桩支护超前支护施工技术主要包含多个施工步骤组成，整体施工流程如图3所示。

高压水平旋喷桩支护超前支护施工技术进行隧道工程辅助施工时，需严格保证支护体系的施工质量，严格按照施工标准、工程实际情况等完成施工，以此保证施工质量。

1.3 关键施工步骤

1.3.1 施工设备选择

确定施工流程后，则进行关键步骤施工，在施工前，需选择施工设备，详情如表1所示。

1.3.2 施工参数设计

完成施工设备选择后，为保证施工效果，需进行施工参数选择，包含桩体孔距、状体外插角、桩体长度等，同时确定桩体位置，依据上述参数设计满足该隧道工程的水平旋喷施工技术。

水平旋喷桩桩体孔距计算：水平旋喷桩桩体孔距的计算需依据桩体布孔孔距和旋喷桩固结体的交联关系确定，该关系示意图如图4所示。

（a）依据图4计算桩体布孔孔距k，其计算公式为：

式中，R——旋喷桩交圈半径；L——旋喷桩长度。

（b）旋喷桩外插角计算：旋喷施工时，需保证旋喷桩下轮廓线和前期支护外边缘线连接，在此前提下，旋喷桩外插角计算公式为：

式中，a——桩体中心点距离前期支护内边缘线之间的距离；b——钻壁机长度；h——旋喷桩最大工作高度。

（c）旋喷桩长度计算：依据外插角计算旋喷桩长度l，其计算公式为：

依据该公式确定l结果。

1.3.3 桩位设计

依据上述公式计算旋喷桩的施工技术参数后，设计旋喷桩施工位置，如图5所示。

旋喷桩的孔位间距和交圈半径大小可结合实际工程施工情况确定，从而更好地提升旋喷桩的施工效果。

1.3.4 输浆管道设置以及止漿墙施工

在进行旋喷桩施工时，为降低材料损耗、提升施工效率，将高压泵站以及制浆站组建在工作面上方，并且通过地表穿孔将其和隧道掌子面连接，该穿孔采用井钻完成，将钢管沿着钻孔安装，孔壁和钢管之间的缝隙采用随时填筑以及注浆的方式进行加固；加固完成后，通过高压输浆管进行浆液输送。

止浆墙的主要作用是降低掌子面冒浆量，其主要是通过喷射混凝土进行施工，混凝土等级为C20，喷射厚度不可超过50 cm，并且在止浆墙上安装钢筋网片，间隔距离为15 cm，并且采用双层安装方式，此时采用锁脚旋喷桩进行钢筋网片的加固处理。

1.3.5 钻孔施工

将选择的施工设备运送至施工现场进行钻孔施工，该施工主要采用高压水平旋喷机完成，先进行其顶端的1号孔位施工，再采取间隔孔位的施工方式以此完成其他孔位的交替施工。

在该施工过程中，依据土层情况确定钻孔的速度和顶推力，文中研究工程的土层以粉砂土为主，因此，文中确定的钻孔速度在2 m/min以上，顶推力在5 kN以上。钻孔时，需同时配合清水，并在低流量的情况下配合钻孔，以此避免杂物进行喷嘴中，堵塞旋喷机。

1.3.6 旋喷施工

钻孔完成后则进行旋喷施工，在施工前对高压水平旋喷机、高压注浆泵的读数情况进行检查，判断其是否位于45～50 MPa之间，保证其满足施工标准；同时确保管内不存在漏气情况。旋喷操作时，为保证施工质量，先进行0.5 min的旋喷，并且控制旋喷范围不可过大；旋喷速度范围为15～20 cm/min。完成0.5 min旋喷后展开旋喷后退操作，此时调整旋喷速度，使其上升到35 r/min，并扩大旋喷面积，使其达到20 m²，此时停止继续后退，校正选旋喷头的回抽速度。

在旋喷施工过程中，需密切关注高压注浆泵的变化情况，如果压力逐渐下降并趋于稳定，则停止旋喷施工，对输送管道进行隔离处理、拔出钻杆，进行封孔处理。

在通过上述步骤进行超前支护施工时，需严格控制施工质量，旋喷桩施工位置施工误差不可超过3 m，角度误差不可超过2%。

1.4 施工稳定性分析

为分析超前支护施工质量，获取该隧道工程采用超前支护和不采用超前支护施工后，在不同的开挖长度下，隧道的拱顶沉降结果，如图6所示。

图6 隧道的拱顶沉降结果

对图6测试结果进行分析后得出：该工程施工时，不采用超前支护施工技术进行施工时，随着开挖长度的逐渐增加，隧道拱顶沉降结果也逐渐增加，最大沉降结果达到9 mm左右；采用该文研究超前支护施工技术进行施工后，随着开挖长度的逐渐增加，隧道拱顶沉降结果明显降低，最大沉降结果仅为3.6 mm左右。因此，超前支护施工技术在隧道工程中具有较好的应用效果，能够保证隧道施工的稳定性，避免隧道发生变形甚至坍塌。

2 结论

隧道工程施工时，软土围岩地质的稳定性较差，容易在施工过程中发生隧道坍塌，影响施工人员的人身安全。

因此，为保证隧道施工质量，文中以实际隧道工程为例，研究超前支护施工技术在隧道工程中的应用效果。通过制定施工方案、控制施工参数、关键步骤施工流程控制等，保证超前支护施工。并对施工效果进行分析，分析结果表明：超前支护施工技术具有较好的施工质量，能够保证隧道工程的施工质量，保证隧道围岩的稳定性，有效避免隧道拱顶变形，即降低围岩变形。

然而，超前支护施工技术在应用过程中也存在一定的局限性和不足之处，比如对于地质条件的适应性有待进一步提高。未来，随着科技的不断进步和工程实践的不断积累，超前支护施工技术将会不断完善和优化，应进一步加强对超前支护施工技术的研究和应用，不断完善技术手段和施工流程，以适应更复杂的地质条件和更高的工程技术要求，提升隧道工程的施工质量和安全性。同时，希望相关人员能够关注隧道工程中超前支护施工技术的进一步研究和实践，为提升隧道工程建设水平作出更大贡献。

参考文献

[1]杨赟. 在软弱围岩隧道工程中超前小导管支护快速进洞技术应用[J]. 运输经理世界， 2021（35）： 101-103.

[2]吴旦， 皮圣， 荆永波， 等. 超前小导管支护快速进洞技术在软弱围岩隧道工程中的应用[J]. 中外公路， 2021（1）： 186-189.

[3]刘熙媛， 张冲， 曹富兴， 等. 公路隧道散体围岩中锚杆支护优化布置研究[J]. 公路工程， 2022（4）： 53-60.

[4]应华峰， 王连勇， 叶晖， 等. 软岩隧道超前预加固布置优化与地层力学响应[J]. 公路， 2022（6）： 378-385.

[5]郝婷， 张智健， 李娇， 等. 富水软弱围岩偏压隧道超前支护施工技术研究[J]. 信阳师范学院学报（自然科学版）， 2021（2）： 324-330.

[6]张顶立， 方黄城， 陈立平， 等. 隧道支护结构体系的刚度设计理论[J]. 岩石力学与工程学报， 2021（4）： 649-662.

[7]吴明先， 刘瑞辉， 王万平， 等. 地下水对深埋软弱围岩隧道初期支护结构破坏及其控制措施研究[J]. 公路， 2022（5）： 237-243.

收稿日期：2023-09-07

作者简介：高亚清（1988—），男，本科，工程师，研究方向：公路工程。