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隧道初期支护技术的相关分析

发表时间：2021/6/3 来源：《基层建设》2021年第2期作者：王栋

[导读] 摘要：由于地质状况、开挖方法、支护方案等存在差异，隧道大变形问题及应对措施仍需进一步研究。

        王栋绍兴高新技术产业开发区迪荡新城投资发展有限公司浙江绍兴 312000
        摘要：由于地质状况、开挖方法、支护方案等存在差异，隧道大变形问题及应对措施仍需进一步研究。我市某区1号隧道施工期间出现支护结构大变形，初期支护换拱率超过 50%，严重危害施工安全，造成工期延误和重大经济损失。因此，本文结合工程实际情况分析隧道灾害原因，提出隧道初期支护施工技术相关措施的可行性。
        关键词：隧道；初期支护；技术；
        为了能够提升我国交通运输的效率，在道路的施工过程中，常常采用隧道工程形式。最为常见的隧道施工方式就是喷锚暗挖法，多采用复合式衬砌结构，初期支护按承担全部基本荷载设计，二次衬砌作为安全储备，因此隧道施工中初期支护技术的应用对保证隧道施工过程中围岩的稳定性、施工的安全性就显得尤为重要。现以某隧道进口IV级围岩段为例作简单阐述。
        一、隧道设计概况
        工程地质概况：隧址区位于我市某区1号隧道，全长2680m，最大埋深158m，隧道净空断面100m2。隧道地处鲁中隆起区，微地貌属构造侵蚀、剥蚀低山地貌区，整体为单斜构造，地形切割一般，起伏稍大，全隧构造作用较强烈，节理裂隙发育。该隧道Ⅳ级围岩段采用复合式衬砌断面：Ⅳ级围岩Ⅳa型复合式衬砌类型初期支护采用喷锚及格栅钢架，间距1m，湿喷厚度25cm，围岩采用Φ42超前小导管和Φ42超前锚管超前支护。
        二、隧道初期运用支护施工技术概念及意义
        隧道初期运用支护施工技术是在隧道挖掘之后，为了能够降低隧道周围岩石的应力释放，避免围岩发生较大变形，采用支护技术提高隧道围岩的整体性、稳定性，便于隧道施工工作的顺利开展，此种技术具有及时性、密贴性、深入性以及封闭性的特点。隧道初支应具备足够的强度刚度承载能力，从而能够起到控制围岩变形的作用。在隧道施工初期合理运用支护施工技术，不仅能够提高隧道的稳定性，还能使支护结构与围岩两者之间密贴，从而可以有效防止围岩发生松弛和变形的现象，避免在施工过程中发生坍塌的情况，对施工工作人员的生命安全造成威胁。
        三、隧道初期支护问题
        1.隧道灾害
        隧道开挖至距洞口约900m处时，初期支护大范围出现大变形，初期支护换拱率超过50%。主要有以下几种破坏形式：
        1）初期支护侵限；初期支护施作完成后不久即出现大变形，其变形速率和变形量远超规范允许范围。1~2周出现初期支护侵限情况，拱顶累计沉降达 590mm，周边收敛累计达630 mm。
        2）喷射混凝土掉块、钢拱架扭曲变形；初期支护出现严重的开裂掉块情况。钢拱架在拱顶、拱腰、边墙、仰拱等位置均出现不同程度的扭曲变形，边墙及仰拱处尤为严重。
        3）底部结构开裂、隆起；填充层混凝土硬化后 1~2周出现开裂及隆起。仰拱累计最大隆起 1.5 m，最大裂缝 12 cm，开裂深度贯通填充层，但未深入仰拱结构。
        4）二次衬砌压溃、墙脚内挤；二次衬砌施作完成约 2个月拱腰混凝土出现压溃剥落，钢筋受压屈服变形，二次衬砌墙脚内挤。
        2.初期支护变形特征
        为研究该隧道初期支护的变形特征，在右线 K70+990—K71+240 区段内选取 50 个监测断面分析拱顶沉降及水平收敛随时间的变化情况。5个典型断面初期支护的拱顶沉降及水平收敛时程曲线见图 2。分析可得：同一断面处，拱顶沉降和水平收敛时程曲线形态相似，两者随时间变化规律一致。根据围岩变形速率，5 个断面围岩变形均可划分为 3 个阶段：①快速发展阶段。处于隧道变形前期，变形速率最快。初期支护变形在 0~7 d 超出预留变形量，随即出现围岩塌方或初期支护被严重压屈、侵限等现象。②持续发展阶段。处于隧道变形中期（第 2~3 周），变形速率明显减缓，但变形仍在持续增长，各断面的变形速率和累计变形量出现较大差异。③稳定阶段。处于变形后期，变形速率最慢，大部分断面变形已趋于稳定，个别断面仍然有较大增长。

        图2典型断面初期支护变形时程曲线
        3.原因分析
        1）地质构造
        受断裂影响，断裂带及其附近岩体极破碎。物探与钻探结果表明该断裂带岩层风化强烈，节理裂隙发育，溶蚀发育，围岩等级低，稳定性差，富水性和透水性较好，且水位动态变化大。
        2）围岩性质
        距隧道进口约 900 m 的大变形区段围岩为砂质泥岩，节理裂隙发育，呈碎块状，强度低，遇水成泥。距隧道出口约 1800 m 的大变形区段围岩为灰岩，开挖后呈碎块状、粉末状，且隧道处于活动断裂带影响区。隧道开挖后围岩自稳能力差，初期支护变形无法稳定，导致出现大变形。
        4）初期支护强度不足
        I18或 I20工字钢所形成的支护体系难以抵御围岩压力，造成初期支护喷射混凝土掉块、钢拱架扭曲变形等情况。同时，原设计锁脚锚杆长4.5m，不足以锁住拱脚，造成初期支护周边收敛较大，边墙钢拱架折断变形。
        四、隧道初期支护施工技术相关分析
        1.加工钢筋网片技术分析
        在一般情况之下，隧道初期的支护技术的施工过程中，要使用规格为20厘米×20厘米的钢筋网，进行全断面的布置。首先，需要对Ⅰ级Φ6钢筋进行焊接工作，通过加工将其制定为钢筋网片。在加工时，要先使用钢筋直机设备将钢筋变直，最后对钢筋进行截取工作，使之成为钢筋条，之后再根据钢筋网片与所要搭建的长度来确定钢筋网片的尺寸。为了能够有效避免刚制作完成的钢筋网片出现变形现象，就要对其采取要轻拿轻放的方式。同时，还需要注意，要将制作完成的钢筋网片存放在适宜的环境中，以避免因环境潮湿而出现锈蚀和变形的现象发生。要按照施工图纸将制作完成的钢筋网片进行铺设，可借助于绑扎工具将其固定在锚杆上并对其进行焊接。
        2.锚杆支护施工技术以及操作要点
        锚杆支护的作用主要是将其插入到岩石层内，从而对岩石进行加固作用，可有效提高岩层的承载能力，达到实施支护的最终效果。由于锚杆施工技术具有干扰性小，操作简单以及支护承载能力强等优势，所以在隧道施工工程中被广泛运用。
        2.1锚杆支护施工技术
        第一，需要将岩石层进行挖掘，经过初喷混凝土等工序，进而再让测量技术人员依照设计图纸使用油漆标杆的方式在锚杆的位置上进行标记。第二，人工使用凿岩机按设计位置、深度、角度钻孔，后用高压风清孔。完毕之后，再根据具体要求实施检查工作，如果在检查工作中发现钻孔的标准没有达到所要求的标准，就需要对其进行补钻。第三，在布置时，岩体主结构面与锚杆两者间的角度要尽量加大，若是两者之间的角度太小，就要与隧道周边的轮廓之间处于垂直状态，而且所布置的形状要呈现出梅花形。第四，在以上步骤都被相关监理工作人员批准通过之后，再确定锚杆钻孔以及所要使用的安装方式。但要特别注意的是，锚杆钻孔要尽量保持圆直，且要与岩石面垂直。另外，还要保障钻孔处与岩面两者间的平整。第五，在选择注浆锚杆时所要使用的方法、设备以及相关材料，要严格按照监理工程师的批准标准选择使用。第六，在一般情况之下，采用注浆泵进行注浆施工。注浆压力一般为地下水净水压的2—3倍，同时考虑岩层的裂隙阻力。第七，固定锚杆时，需要确保每根锚杆的抗拔力都能够达到设计的规定要求，与此同时，还需对每根锚杆进行检查工作，确保每根锚杆均已达到相关规定的标准。
        2.2使用锚杆支护施工技术要点
        第一，首先要根据具体的设计要求对锚杆进行截取，并且还要对其实施除油、除绣的工作。同时，对于锚杆和不需要附加垫板的一侧时，要将不需要垫板的一侧弯至弯头的状态。均匀搅拌黏结产浆并调整它的和易性，尽量达到随用随到的效果，搅拌一次砂浆最好是在初凝之后就使用完，这样是为了确保所使用的锚杆和黏结材料之间的黏结力度加强。第二，将注浆管插入到钻孔的底部，在注浆工作开始时，再将已插入的注浆管缓慢往外抽，但切记还要将注浆管口持续的埋在砂浆内，以防止将内产生空洞的现象。另外，在体积较大的隧道工程施工时，在将注浆管全部拔出之后，就要采取风钻或是锤击的方式将杆体迅速地插入进去，以确保插入杆体的固定性。同时，还要保证杆体的孔内长度与黏结长度要达到设计要求的90%以上。第三，注浆是否完成可以以孔口有没有砂石挤出来进行判断。第四，杆体确定位置之后，可借助于小石子和木头等小工具将其固定，以防止杆体滑落出来。以上是具体的施工技术要点。但是如果在遇到砂浆的黏合强度小于设计要求的70%以下时，最好对其不要碰撞，然后再采取有效方式对其进行完善。
        2.3 喷射混凝土支护施工技术以及要点
        喷射混凝土的施工原理就是将压缩空气为动力，将其喷射在含有速凝剂的混凝土表面，从而减少混凝土的凝固时间。这种支护施工技术主要具有强度大，提高施工效率以及节约施工材料等优势，为快速挖掘岩石奠定下了良好的施工基础。
        2.4 喷射混凝土支护施工技术
        在隧道挖掘完毕之后，首先，就需要及时随岩石层表面实施混凝土喷射技术，以防止岩石层发生松弛。在一般的情况下，所实施的混凝土喷射的方法主要是采用湿喷工艺。首先将喷射面运用压力水或者是压缩空气将其表面的石粉和杂质吹干净，方可进行喷射混凝土施工。喷射混凝土骨料用强制式拌合机分次投料拌和，为减少回弹量，降低粉尘，提高一次喷层厚度，喷射混凝土采用混凝土湿喷机，湿式喷射作业。开始喷射时，应减小喷头至受喷面的距离，并调整喷射角度，钢筋保护层厚度不得小于2cm。锚喷支护喷射混凝土，一般分为初喷和复喷二次进行。初喷在开挖完成后立即进行，以尽早封闭暴露岩面，防止表层风化剥落。复喷混凝土在锚杆、挂网和钢架安装后进行，尽快形成喷锚支护整体受力，以抑制围岩变位。钢架间用混凝土喷平，并有足够的保护层。喷射混凝土分段、分片由下而上顺序进行，一次喷射厚度控制在6cm以下，喷射时插入长度比设计厚度大5cm的铁丝，每1—2m设一根，作为施工喷层厚度控制用。严格控制风压和喷射的速度，喷嘴与喷射面之间的距离最好是要保持在0.6米与1.2米之间，且喷射角度尽量也要控制在九十度之内。要掌握喷射顺序，避免角隅钢筋前面出现砂襄或蜂窝现象，如果发现存有此种情况，就需要将其清理干净之后，再重新喷射一次。
        2.5喷射混凝土支护施工技术要点
        在隧道岩石挖掘完毕之后，采用混凝土喷射支护技术的操作要点是，首先，在喷射时要综合考虑混凝用途颗粒的凝聚力、喷射的效率以及岩石层面与喷射面两者之间的黏结程度来确定喷射的厚度。如果喷射厚度太大，则就会对混凝土颗粒的凝聚力造成不利影响，会使其凝聚力降低。特别是在喷射拱顶时，更容易产生由于混凝土太重而产生过脱落或者是分层的现象。而相反的，若是喷射的厚度又太小，则不仅会提高了回填量，进一步也无法保障混凝土的质量。所以，在混凝土喷射时，喷射厚度最好是不要小于最大骨料粒直径的两倍。一次混凝土喷射时，一般情况下，它的拱部厚度与边墙的厚度最好是控制在3—5cm、5—7cm最佳。如若在混凝土中加入速凝剂，可增加一次喷射的厚度，这时拱部厚度与边墙厚度为5—7cm、7—10cm。如果所要喷射的混凝土较厚，则就需要采取分层喷射的方式进行喷射工作。另外，还需要结合所选用的混凝土原材料、温度以及凝结时间来确实定喷射的间隔时间。最好是后一层喷射在前层混凝土终凝后进行，喷射的混凝土按规定洒水养护。如果上下层的室间隔时间太长，则就需要对上一层喷射混凝土表层清理干净之后再对下一层进行喷射。
        结束语
        由于地质状况、开挖方法、支护方案等存在差异，隧道施工各类问题及应对措施仍需进一步研究。在隧道初期运用支护技术，加强对支护技术的运用以及质量控制，可对隧道的整体施工工作奠定下良好的基础和有利条件。
        参考文献：
        ［1］张宇，阳军生，祝志恒，等．基于图像点云空间测距算法的隧道初期支护整体变形监测技术研究与应用［J］．隧道建设（中英文），2020（06）：45．
        ［2］陈桂虎，韩爱果，陈锦涛.成兰铁路云屯堡隧道软岩大变形特征及地质成因分析［J］.铁道建筑，2017，57（10）：156-159.
        ［3］李廷春.毛羽山隧道高地应力软岩大变形施工控制技术［J］.现代隧道技术，2019，48（02）：159-167.