夏國燕， 趙煒鋒， 方露妮

(1.杭州蕭山城市建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 311200； 2. 杭州蕭山城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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

在隧道施工過程中，由于現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，為確保作業(yè)環(huán)境的安全，在施工過程中需要應(yīng)用多種開挖支護(hù)技術(shù)，來對隧道內(nèi)部的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建[1]。但隧道施工工序復(fù)雜、施工要點(diǎn)眾多，且會受到多種影響因素而導(dǎo)致安全事故的發(fā)生，因此本文以隧道開挖支護(hù)施工為研究對象，重點(diǎn)對其施工要點(diǎn)進(jìn)行分析。

1 隧道開挖支護(hù)施工綜述

1.1 隧道施工的特點(diǎn)

隧道施工工藝復(fù)雜且施工難度大[2]，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1) 隧道施工影響因素眾多且不可預(yù)測，尤其是地質(zhì)條件對隧道施工的影響尤為明顯，若未探明并全面掌握，就無法對施工區(qū)域內(nèi)的不良地質(zhì)病害進(jìn)行有效的預(yù)測及應(yīng)對。

(2) 隧道施工不可避免地會對原有地質(zhì)結(jié)構(gòu)造成破壞，甚至可能會帶來塌方等安全事故。

(3) 由于隧道施工環(huán)境處于地下，隱蔽性強(qiáng)，各施工工序之間緊密關(guān)聯(lián)且環(huán)環(huán)相扣，后一道工序會覆蓋前一道工序，如果一些較為隱蔽的風(fēng)險未及時發(fā)現(xiàn)并處理，會給后續(xù)工作的開展帶來影響。

1.2 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程

早期的地下建筑多采用磚石材料進(jìn)行支護(hù)，多為拱形圬工結(jié)構(gòu)。而隨著混凝土與鋼材的出現(xiàn)，地下建筑的支護(hù)施工進(jìn)入了新階段，形成了錨桿支護(hù)技術(shù)，最初用于對礦山巷道的加固。而隨著噴射混凝土技術(shù)的出現(xiàn)，并與錨桿支護(hù)技術(shù)相互配合使用，形成了一種具有鮮明特點(diǎn)的新型支護(hù)技術(shù)，常用于隧道的初期支護(hù)[3]。新奧法建立在錨噴支護(hù)的基礎(chǔ)之上，以噴射混凝土及錨桿作為主要支護(hù)方法，在施工期間對圍巖變形進(jìn)行監(jiān)控測量，充分發(fā)揮其自穩(wěn)能力。新奧法在初期支護(hù)表面鋪設(shè)防水層，最內(nèi)層采用混凝土結(jié)構(gòu)作為永久支護(hù)。其中初期支護(hù)的主要功能是確保施工期間的安全與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，永久支護(hù)則是確保隧道在使用期間的安全。

1.3 隧道施工不良地質(zhì)災(zāi)害

1.3.1 巖爆

巖爆是指在隧道開挖施工過程中，承受高應(yīng)力的脆性巖體因隧道開挖施工的擾動，內(nèi)部存儲的彈性應(yīng)變能急劇釋放而出現(xiàn)的開挖空間周圍的巖石松動、剝落甚至是彈射拋擲的現(xiàn)象。巖爆多發(fā)生在Ⅱ、Ⅲ級圍巖段[4]。對于巖爆形成的機(jī)制，目前主要有以下三種理論。

(1) 強(qiáng)度理論。強(qiáng)度理論認(rèn)為隧道開挖之后會導(dǎo)致周圍巖體內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)巖體的極限強(qiáng)度無法抵抗其內(nèi)部應(yīng)力，就會導(dǎo)致巖體突然發(fā)生破壞，即巖爆現(xiàn)象。

(2) 剛度理論。剛度理論源于剛性壓力機(jī)的出現(xiàn)，采用剛性壓力機(jī)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，則試樣的破壞并不猛烈。究其原因，是由于試件剛度大于試驗(yàn)機(jī)剛度。剛度理論即將這一結(jié)果應(yīng)用于巖爆形成的機(jī)制中，但剛度理論多用于對煤礦沖擊地壓與礦柱巖爆問題進(jìn)行研究，在公路隧道中應(yīng)用較少。

(3) 沖擊傾向性理論。沖擊傾向性理論采用巖體的物理力學(xué)指標(biāo)對巖爆的發(fā)生進(jìn)行預(yù)測，當(dāng)巖體的實(shí)際沖擊傾向度大于規(guī)定的極限值，便產(chǎn)生沖擊地壓。沖擊傾向度的度量參數(shù)主要有彈性應(yīng)變能指數(shù)、脆性指數(shù)、有效沖擊能指數(shù)等。

1.3.2 斷層

巖石因受到地應(yīng)力的作用而出現(xiàn)變形，隨著變形的持續(xù)變大，會破壞巖石的連續(xù)性與完整性，形成不同程度的斷裂。斷層則是指巖石因受到構(gòu)造運(yùn)動的影響而發(fā)生斷裂，并出現(xiàn)明顯位移現(xiàn)象的斷裂構(gòu)造，如圖1所示。斷層會對隧道圍巖的穩(wěn)定性帶來直接影響，而密封條件好的斷層破碎帶則為瓦斯等有害氣體提供了良好的貯存條件。

圖1 斷層構(gòu)造

1.3.3 巖溶

巖溶即喀斯特，是可溶性的碳酸鹽類巖層在地表水及地下水的侵蝕、崩解以及機(jī)械破壞、搬運(yùn)及沉積作用下出現(xiàn)的溶蝕現(xiàn)象，如圖2所示。根據(jù)巖溶的形態(tài)規(guī)模、填充特性以及涌水量等，可將其進(jìn)行分類，見表1。

表1 巖溶分類

圖2 隧道涌水

巖溶對隧道施工的影響主要來自于巖溶水、巖溶洞穴及其填充物，主要有以下三方面的危害：

(1) 隧道圍巖范圍內(nèi)的巖溶水會導(dǎo)致圍巖的工程地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件發(fā)生變化，降低其強(qiáng)度，誘發(fā)涌水突泥事故的發(fā)生，而且?guī)r溶水還會對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)帶來腐蝕。

(2) 溶洞導(dǎo)致了隧道圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，引發(fā)隧道巖層的剛度及應(yīng)力場的變化，尤其是在溶洞周邊會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，引發(fā)圍巖變形量的增大。

(3) 溶洞會導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)部分懸空現(xiàn)象。

1.3.4 涌水

在隧道開挖過程中，由于含水層結(jié)構(gòu)的破壞，圍巖力學(xué)平衡及水動力條件發(fā)生急劇變化，引發(fā)地下水所存儲的能量以水流高速移動的形式瞬間釋放而形成的一種動力破壞現(xiàn)象，即涌水。研究表明，涌水多發(fā)生在斷層破碎帶、溶洞及暗河區(qū)域。當(dāng)涌水中含有大量的泥質(zhì)物質(zhì)時，即為突泥，經(jīng)常會引發(fā)重大安全事故。隧道涌水與施工影響、地形地貌、圍巖巖性、地質(zhì)構(gòu)造及隧道的長度及埋深有直接關(guān)系。

1.3.5 塌方

塌方是指隧道開挖施工期間洞頂圍巖塌陷、側(cè)壁滑移的現(xiàn)象，嚴(yán)重時甚至發(fā)生冒頂?shù)痊F(xiàn)象，包括圍巖塌方與支護(hù)結(jié)構(gòu)塌方兩方面。塌方作為隧道施工中最為常見的安全事故，其成因復(fù)雜、危害性高且難以治理，但歸根到底是由地質(zhì)因素所決定的。隧道塌方由于分類標(biāo)準(zhǔn)的不同，塌方類型也存在差異，主要有以下幾種分類方法。

(1) 按塌方體積及塌腔高度分類。根據(jù)塌方體積及塌腔高度可將隧道分為三類，即小塌方、中塌方及大塌方，見表2。

表2 塌方分類

(2) 按塌方區(qū)域分類。按塌方區(qū)域可將隧道塌方分為拱頂塌方、側(cè)壁塌方及掌子面塌方。其中拱頂塌方多發(fā)生在隧道剛開始開挖，初期支護(hù)未來得及施工或者是剛施工完畢，隧道洞身上部的圍巖由于開挖而出現(xiàn)臨空面，導(dǎo)致其失去支撐而發(fā)生垮塌。側(cè)壁塌方通常發(fā)生在隧道洞身的拱腰處，其產(chǎn)生的主要原因是相對完整但垂直節(jié)理較為發(fā)育的圍巖在隧道開挖之后會出現(xiàn)塑性變形區(qū)，導(dǎo)致垂直節(jié)理不斷發(fā)育，最終形成縱向貫通的裂縫引發(fā)塌方，而對于破碎的圍巖，若開挖之后未及時進(jìn)行初期支護(hù)，經(jīng)常會形成大范圍的塌方。掌子面塌方是由于前方巖體較破碎，引發(fā)掌子面因失穩(wěn)而塌方。

1.3.6 偏壓

偏壓是因隧道結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)所受到的荷載不同而引發(fā)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力不對稱現(xiàn)象，多發(fā)生在隧道洞口淺埋段，由于地形所導(dǎo)致。偏壓產(chǎn)生的主要原因有地形原因、地質(zhì)原因及施工原因三種。

(1) 地形原因。對于傍山的隧道，由于地面傾斜導(dǎo)致側(cè)壓力大，如果隧道埋深較淺就會形成偏壓。因地形原因?qū)е碌钠珘菏怯捎谥亓鏊鶎?dǎo)致的，包括穩(wěn)定地形偏壓與蠕變地形偏壓。

(2) 地質(zhì)原因。若圍巖產(chǎn)狀傾斜且節(jié)理發(fā)育，加之存在軟弱結(jié)構(gòu)面或滑動面，導(dǎo)致其自穩(wěn)能力差，在隧道施工中一旦受到擾動，就會導(dǎo)致巖體沿著節(jié)理面出現(xiàn)滑動，如圖3(a)所示。

(3) 施工原因。施工方法不當(dāng)打破圍巖壓力的穩(wěn)定狀態(tài)，引發(fā)應(yīng)力集中，或者是隧道開挖時存在超挖現(xiàn)象且并未對超挖部分進(jìn)行回填，就會導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)脫落而對支護(hù)結(jié)構(gòu)造成沖擊，從而導(dǎo)致偏壓的出現(xiàn)，如圖3(b)所示。

2 隧道開挖支護(hù)施工要點(diǎn)

2.1 開挖施工技術(shù)及要點(diǎn)研究

2.1.1 全斷面開挖

全斷面開挖技術(shù)一次性開挖整個隧道洞身斷面[5]，開挖操作簡單，還可有效地保證隧道開挖施工的質(zhì)量，應(yīng)用比較廣泛。需要注意的是，全斷面開挖施工前需要先進(jìn)行全斷面鉆孔并裝藥引爆，隧道洞身開挖往前推進(jìn)一段距離之后需要重復(fù)上述過程。同時在開挖期間還需要設(shè)置防水隔離層，并且要對已開挖的部分及時進(jìn)行支護(hù)，確保隧道的穩(wěn)定性。在引爆時，人員需要撤出洞外，鉆孔臺車距離爆破點(diǎn)位置最少要保持50 m的安全距離，避免受到爆破的影響。

2.1.2 分部開挖

分部開挖是一種采用引導(dǎo)坑開挖掘進(jìn)的方式，簡單來說就是將隧道開挖分為兩部分，其中一部分先行開挖與支護(hù)，另一部分待先行開挖部分完成后再開始施工。首先采用引導(dǎo)坑對隧道洞身斷面的其中一部分進(jìn)行開挖，將工作面向前推進(jìn)，然后進(jìn)行必要的支護(hù)，待已開挖隧道部分支護(hù)完成之后才可進(jìn)行剩余部分的開挖。這種開挖方法相對而言安全性更有保障，適用于對一些特殊土層進(jìn)行開挖。

2.1.3 長臺階法

長臺階開挖多用于地形特殊的Ⅰ～Ⅲ級圍巖隧道的開挖施工，這種方法最大的特點(diǎn)是開挖面積小而作業(yè)面長度大，在開挖施工過程中對隧道圍巖穩(wěn)定性影響較小。長臺階開挖的施工長度通常控制在100 m以內(nèi)，在施工期間還需要采用支護(hù)結(jié)構(gòu)來配合施工。在長臺階開挖施工時，需要注意做好掌子面處的排煙與排水工作。

2.1.4 短臺階法

短臺階法用于對圍巖等級在Ⅳ級及以上隧道的開挖施工，由于等級高的圍巖穩(wěn)定性差，且傳遞荷載低，若開挖長度過大易引發(fā)隧道塌方，因而采用縮短開挖臺階長度的方法進(jìn)行施工。由于開挖作業(yè)面短，且開挖完成之后立即進(jìn)行支護(hù)施工，能夠有效地確保開挖施工期間隧道的安全性與穩(wěn)定性。

2.1.5 超短臺階法

Ⅴ級、Ⅵ級圍巖由于穩(wěn)定性非常差，在隧道開挖過程中容易發(fā)生塌方，給施工人員及機(jī)械帶來嚴(yán)重的安全威脅。超短臺階法可很好地解決這些問題，在開挖施工中及時支護(hù)，形成密集的支護(hù)環(huán)境[6]，確保開挖施工期間的安全性。經(jīng)過大量的工程實(shí)踐證明，短臺階開挖法用于圍巖完整性很差的隧道施工具有很好的成效，但是支護(hù)結(jié)構(gòu)會給施工質(zhì)量帶來很大的影響。

2.2 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)研究

2.2.1 隧道圍巖支護(hù)體系

(1) 隧道圍巖支護(hù)體系的構(gòu)成。隧道圍巖常用的支護(hù)體系由復(fù)合圍巖結(jié)構(gòu)和復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)組成，其中復(fù)合圍巖結(jié)構(gòu)包括原巖、深層圍巖與淺層圍巖，復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)由初期支護(hù)與二次襯砌組成[7]。確保淺層圍巖的穩(wěn)定是隧道開挖穩(wěn)定性控制的關(guān)鍵。軸向壓力由圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)共同進(jìn)行承擔(dān)，其中圍巖是承載軸向壓力的主體，要確保其自穩(wěn)能力。首先是支護(hù)結(jié)構(gòu)能防止淺層圍巖因變形而出現(xiàn)破壞，確保其穩(wěn)定性；其次是在隧道開挖之后允許圍巖出現(xiàn)可控的塑性變形，并在合適的時機(jī)進(jìn)行支護(hù)施工，最大限度發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力。

(2) 支護(hù)結(jié)構(gòu)的功能及機(jī)制。支護(hù)結(jié)構(gòu)的基本功能為確保隧道斷面的使用凈空，承受各種荷載。其中“支”是指支護(hù)結(jié)構(gòu)給隧道圍巖應(yīng)力狀態(tài)帶來變化，改變受力狀態(tài)，使其從單向受力變?yōu)殡p向受力或者是從雙向受力變?yōu)槿蚴芰ΓM(jìn)而提高了圍巖的穩(wěn)定性及安全性，如圖4(a)所示。而“護(hù)”則是改變了圍巖的力學(xué)性能，進(jìn)而提高隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，如圖4(b)所示。

圖4 支護(hù)體系作用機(jī)制

2.2.2 隧道支護(hù)設(shè)計(jì)方法研究

(1) 收斂約束法。收斂約束法即特性曲線法，是新奧法與連續(xù)介質(zhì)理論的實(shí)踐成果，能夠貼合地對圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的相互作用進(jìn)行反映。通過對圍巖的變形進(jìn)行測量分析，確定最佳支護(hù)時機(jī)與強(qiáng)度，準(zhǔn)確地預(yù)估支護(hù)結(jié)構(gòu)和巖層的穩(wěn)定性。但這種方法停留在定性描述階段，還需要進(jìn)行完善及改進(jìn)。

(2) 荷載結(jié)構(gòu)法。荷載結(jié)構(gòu)法通過建立模型對支護(hù)結(jié)構(gòu)在圍巖荷載作用下的受力及變形情況進(jìn)行計(jì)算，首先通過對巖層進(jìn)行分類來確定其壓力，在保障支護(hù)結(jié)構(gòu)能安全承受壓力的前提下以彈性地基理論計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，進(jìn)而進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該方法適用于對圍巖自穩(wěn)能力較差的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算邏輯清楚，結(jié)果可靠。

(3) 地層結(jié)構(gòu)法。地層結(jié)構(gòu)法以巖土彈塑性理論為基礎(chǔ)，將圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)視作連續(xù)整體，建立隧道的平面應(yīng)變力學(xué)模型，是現(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的設(shè)計(jì)方法，包括解析法與數(shù)值法兩種。地層結(jié)構(gòu)法不僅考慮圍巖自身的承載能力，還綜合考慮了其與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的相互作用，可對支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與圍巖變形進(jìn)行模擬，與工程實(shí)際最為貼合。地層結(jié)構(gòu)法不能很好地反映自穩(wěn)能力較差的軟弱圍巖承載能力，因此不適用于軟弱圍巖隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。

2.2.3 支護(hù)施工技術(shù)及要點(diǎn)研究

(1) 錨桿。錨桿的位置布設(shè)需要根據(jù)圍巖等級、風(fēng)化程度以及巖層狀態(tài)等，從理論角度來分析，錨桿的布設(shè)方向、間距以及長度均需要與巖層面垂直，以便充分發(fā)揮錨桿的作用。在設(shè)計(jì)施工中，需要根據(jù)圍巖的水文地質(zhì)條件對錨桿長度及間距進(jìn)行調(diào)整，避免出現(xiàn)錨桿過?；蛘卟蛔愕膯栴}，消除安全風(fēng)險。在進(jìn)行錨桿施工時，要確保錨桿的孔深、位置及布置位置的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行鉆孔施工時要及時地排除孔內(nèi)的積水。

(2) 噴射混凝土。隧道開挖之后，要及時地進(jìn)行噴射混凝土處理，盡快閉合圍巖，確保其穩(wěn)定性滿足要求，噴射混凝土要分層操作，且完成噴射之后必須要及時進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。噴射混凝土采用濕噴作業(yè)，應(yīng)按照設(shè)計(jì)流程范圍加入速凝劑，噴嘴要與圍巖面保持垂直，噴射距離控制在0.8～1.2 m，遵循從上至下的原則分段進(jìn)行施工。在進(jìn)行仰拱部分的混凝土噴射時，可采用臺階法進(jìn)行噴射施工，先噴射拱腳部分，后噴射拱頂部分，噴射長度控制在4 m之內(nèi)。在噴射混凝土過程中，若發(fā)現(xiàn)圍巖面存在不平整現(xiàn)象，應(yīng)優(yōu)先噴射凹陷部分。

(3) 鋼筋網(wǎng)。鋼筋網(wǎng)多用于和錨桿組合使用，能夠進(jìn)一步提高錨桿支護(hù)的穩(wěn)定性，消除錨桿支護(hù)無法達(dá)到的盲區(qū)。采用鋼筋網(wǎng)對錨桿的空隙位置進(jìn)行支護(hù)處理，加強(qiáng)圍巖的質(zhì)量，還可與噴射混凝土組合使用。鋼筋網(wǎng)進(jìn)行綁扎之前，首先要檢查鋼筋是否存在銹蝕現(xiàn)象。鋼筋網(wǎng)的鋪設(shè)遵循隨高就低原則，緊貼初噴面布設(shè)，如果有鋼支撐則將其放置在兩側(cè)的鋼外弧處并與其進(jìn)行點(diǎn)焊，若無鋼支撐，則在圍巖打膨脹螺栓，將鋼筋網(wǎng)片固定在膨脹螺栓上并與錨桿尾部進(jìn)行點(diǎn)焊[8]。

(4) 超前小導(dǎo)管。超前小導(dǎo)管的支護(hù)原理是通過在巖層中打入小導(dǎo)管，通過注漿泵施加壓力，漿液順著小導(dǎo)管的孔洞滲透至巖層縫隙中，以此來改變其物理力學(xué)性能。經(jīng)過注漿加固的巖層不僅能夠起到止水的效果，還可以在開挖面周圍形成一個承載殼[9]。與此同時，超前小導(dǎo)管還視為縱向錨桿，能夠延長圍巖的自穩(wěn)時間，限制其松弛程度。超前小導(dǎo)管在隧道拱部120°范圍內(nèi)環(huán)向布設(shè)，其環(huán)向間距宜為0.4～0.5 m，外傾角控制在10°～12°。在進(jìn)行小導(dǎo)管施工之前，首先要進(jìn)行布孔，鉆孔完成之后才可進(jìn)行小導(dǎo)管的安裝。

(5) 鋼拱架。鋼拱架的承載力高，用于隧道支護(hù)時能很好地發(fā)揮支護(hù)作用。作為一種常用的支護(hù)形式，鋼拱架支護(hù)多采用鋼筋格柵、工字鋼以及U形鋼等形式。采用鋼拱架支護(hù)時，首先要安裝拱部的鋼拱架，以方便拱部與下部拱架之間的連接。在完成隧道下部的開挖之后，要及時安裝邊墻拱架，并通過縱向連接筋將已安裝的拱架連接成為一個整體。拱架安裝的誤差對其支護(hù)效果有直接影響，垂直度偏差小于2°，縱向、橫向及高程誤差不得超過5 cm。

3 結(jié)束語

隨著近年來公路建設(shè)工作的大力推進(jìn)，加之技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的提高，盤山繞行方案在山區(qū)公路建設(shè)中已很少采用，取而代之的是隧道方案。特別是中西部地區(qū)山區(qū)公路建設(shè)工作的大力推進(jìn)，隧道開挖支護(hù)問題已成為公路建設(shè)中一項(xiàng)不容忽視的難題。本文通過對隧道支護(hù)的特點(diǎn)及施工期間常見的地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象進(jìn)行研究，并對常用的隧道開挖支護(hù)技術(shù)及其要點(diǎn)進(jìn)行分析，能夠?qū)λ淼赖氖┕ぬ峁┮恍﹨⒖技敖ㄗh。