摘要 隧道工程施工時(shí)需注意控制圍巖變形，為降低圍巖變形，文章以某地區(qū)隧道工程為例，研究超前支護(hù)施工技術(shù)的應(yīng)用性效果，結(jié)合該工程的施工難度和施工時(shí)發(fā)生的問題，制定該隧道的水平旋噴超前加固方案并確定施工流程，選擇合理的施工設(shè)備、嚴(yán)格控制施工參數(shù)以及施工工藝，完成隧道工程施工。對(duì)隧道的施工效果進(jìn)行分析后得出：超前施工技術(shù)的施工質(zhì)量較好，可控制隧道圍巖變形程度，降低隧道拱頂沉降，保證隧道施工工程安全。

關(guān)鍵詞 隧道工程；超前支護(hù)；施工技術(shù)；水平旋噴

中圖分類號(hào) U441文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）23-0056-04

0 引言

隧道工程是現(xiàn)代交通工程的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于公路、鐵路、水工等領(lǐng)域。在隧道施工過程中，超前支護(hù)施工技術(shù)作為一種重要的施工方法，能夠有效地提高隧道施工的安全性和穩(wěn)定性，受到廣泛地關(guān)注和應(yīng)用。依據(jù)隧道工程的施工位置可分為山嶺隧道、水下隧道以及城市隧道3種工程類型，其中山嶺隧道工程是修建數(shù)量最多的工程^[1]，該類隧道工程在施工過程中，隧道穿越軟弱、破碎圍巖時(shí)，在進(jìn)行工作面開始時(shí)，該類圍巖在開挖擾動(dòng)下^[2]，會(huì)發(fā)生較大變形，該變形可能會(huì)超過允許范圍^[3]，會(huì)導(dǎo)致隧道周圍形成圍巖壓力，即偏壓，該壓力具有不對(duì)稱性特點(diǎn)，特別是在軟弱圍巖的地質(zhì)情況下^[4]，如果不能有效處理偏壓情況，會(huì)導(dǎo)致隧道施工風(fēng)險(xiǎn)增加，對(duì)于施工人員造成較大安全風(fēng)險(xiǎn)^[5]，極易引發(fā)掌子面穩(wěn)定性降低，引發(fā)隧道塌方。

超前支護(hù)施工技術(shù)是指在隧道開挖之前，采取一定的措施對(duì)前方圍巖進(jìn)行加固和穩(wěn)定^[6]，以防止隧道開挖過程中圍巖變形、坍塌等現(xiàn)象發(fā)生，確保施工安全和穩(wěn)定。超前支護(hù)施工技術(shù)的具體形式包括超前錨桿、超前小導(dǎo)管、水平旋噴樁等，其作用主要是對(duì)前方圍巖進(jìn)行加固和穩(wěn)定，提高圍巖的自承載能力，減少開挖過程中變形和坍塌風(fēng)險(xiǎn)^[7]。通過應(yīng)用該技術(shù)能夠成功控制圍巖變形，有效地預(yù)防突水、突泥等事故發(fā)生，提高施工的穩(wěn)定性和安全性，確保施工安全。

為研究超前支護(hù)施工技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用效果，文中以某地區(qū)的山嶺隧道工程為例，研究超前支護(hù)施工技術(shù)的應(yīng)用效果，為類似工程提供有效參考。

1 超前支護(hù)施工技術(shù)

1.1 工程概況

文中以某地區(qū)的山嶺隧道工程為例，研究超前支護(hù)施工技術(shù)的應(yīng)用效果，該隧道工程全長3 200 m，屬于單洞雙線隧道，開挖面積接近142 m2，該隧道穿行在山體下部并且地勢起伏明顯，相對(duì)高差接近200 m，最小埋深為6.2 m，地表存在明顯的溝谷發(fā)育，水資源豐富。

該隧道工程在施工過程中，掌子面屬于細(xì)粉砂層，自穩(wěn)定性極差，初期支護(hù)變形顯著，發(fā)生多次坍塌，嚴(yán)重影響工程進(jìn)度。因此，針對(duì)該隧道工程的施工難度，需選擇合理、科學(xué)的施工技術(shù)進(jìn)行輔助施工，保證隧道工程安全施工。

1.2 超前支護(hù)施工方案設(shè)計(jì)

1.2.1 水平旋噴超前支護(hù)方案

結(jié)合該隧道工程的施工設(shè)計(jì)方案和施工難度，文中選擇高壓水平旋噴樁支護(hù)超前支護(hù)施工技術(shù)作為該工程的輔助施工方案，因?yàn)楦邏核叫龂姌吨ёo(hù)超前支護(hù)施工技術(shù)具有高強(qiáng)度、高均勻性、高可控性等優(yōu)勢，能夠?qū)⑼馏w和水泥漿有效混合并進(jìn)行高壓旋噴，形成高強(qiáng)度的固結(jié)體；同時(shí)能夠在成樁過程中，破碎大塊土體，控制漿液注入范圍并調(diào)節(jié)注入?yún)?shù)，全面提升土體的防滲、抗滑等能力。

文中設(shè)計(jì)水平旋噴超前加固方案，用于實(shí)現(xiàn)該隧道工程輔助支護(hù)，該方案主要是：在隧道周圍設(shè)計(jì)水平旋噴樁，在40 cm間距下設(shè)置拱強(qiáng)單排咬合；掌子面采用玻璃纖維錨桿旋噴樁，并采用梅花形設(shè)計(jì)；采用直徑為60 cm鎖腳旋噴樁替代鎖腳錨桿。水平旋噴超前加固方案斷面示意圖如圖1和圖2所示。

該方案施工時(shí)，水平旋噴樁縱向長度設(shè)計(jì)結(jié)果和開挖長度之間，需預(yù)留3 m作為循環(huán)搭接；保證樁體之間緊密咬合，以此形成完整的帷幕體系，有效降低開挖過程中對(duì)圍巖土體的擾動(dòng)；掌子面采用梅花分布的旋噴樁保證掌子面正前方土體的穩(wěn)定性，避免發(fā)生土體流塌；鎖腳旋噴樁的主要作用是形成臨時(shí)封閉，保證隧道落底工序的安全，該樁體的打設(shè)方式是沿隧道兩側(cè)下方，角度為30°～45°，在每榀拱架之間的兩側(cè)拱腳處各安裝一根樁體。

1.2.2 超前支護(hù)總體流程

確定施工方案后則制定總體施工流程，高壓水平旋噴樁支護(hù)超前支護(hù)施工技術(shù)主要包含多個(gè)施工步驟組成，整體施工流程如圖3所示。

高壓水平旋噴樁支護(hù)超前支護(hù)施工技術(shù)進(jìn)行隧道工程輔助施工時(shí)，需嚴(yán)格保證支護(hù)體系的施工質(zhì)量，嚴(yán)格按照施工標(biāo)準(zhǔn)、工程實(shí)際情況等完成施工，以此保證施工質(zhì)量。

1.3 關(guān)鍵施工步驟

1.3.1 施工設(shè)備選擇

確定施工流程后，則進(jìn)行關(guān)鍵步驟施工，在施工前，需選擇施工設(shè)備，詳情如表1所示。

1.3.2 施工參數(shù)設(shè)計(jì)

完成施工設(shè)備選擇后，為保證施工效果，需進(jìn)行施工參數(shù)選擇，包含樁體孔距、狀體外插角、樁體長度等，同時(shí)確定樁體位置，依據(jù)上述參數(shù)設(shè)計(jì)滿足該隧道工程的水平旋噴施工技術(shù)。

水平旋噴樁樁體孔距計(jì)算：水平旋噴樁樁體孔距的計(jì)算需依據(jù)樁體布孔孔距和旋噴樁固結(jié)體的交聯(lián)關(guān)系確定，該關(guān)系示意圖如圖4所示。

（a）依據(jù)圖4計(jì)算樁體布孔孔距k，其計(jì)算公式為：

式中，R——旋噴樁交圈半徑；L——旋噴樁長度。

（b）旋噴樁外插角計(jì)算：旋噴施工時(shí)，需保證旋噴樁下輪廓線和前期支護(hù)外邊緣線連接，在此前提下，旋噴樁外插角計(jì)算公式為：

式中，a——樁體中心點(diǎn)距離前期支護(hù)內(nèi)邊緣線之間的距離；b——鉆壁機(jī)長度；h——旋噴樁最大工作高度。

（c）旋噴樁長度計(jì)算：依據(jù)外插角計(jì)算旋噴樁長度l，其計(jì)算公式為：

依據(jù)該公式確定l結(jié)果。

1.3.3 樁位設(shè)計(jì)

依據(jù)上述公式計(jì)算旋噴樁的施工技術(shù)參數(shù)后，設(shè)計(jì)旋噴樁施工位置，如圖5所示。

旋噴樁的孔位間距和交圈半徑大小可結(jié)合實(shí)際工程施工情況確定，從而更好地提升旋噴樁的施工效果。

1.3.4 輸漿管道設(shè)置以及止?jié){墻施工

在進(jìn)行旋噴樁施工時(shí)，為降低材料損耗、提升施工效率，將高壓泵站以及制漿站組建在工作面上方，并且通過地表穿孔將其和隧道掌子面連接，該穿孔采用井鉆完成，將鋼管沿著鉆孔安裝，孔壁和鋼管之間的縫隙采用隨時(shí)填筑以及注漿的方式進(jìn)行加固；加固完成后，通過高壓輸漿管進(jìn)行漿液輸送。

止?jié){墻的主要作用是降低掌子面冒漿量，其主要是通過噴射混凝土進(jìn)行施工，混凝土等級(jí)為C20，噴射厚度不可超過50 cm，并且在止?jié){墻上安裝鋼筋網(wǎng)片，間隔距離為15 cm，并且采用雙層安裝方式，此時(shí)采用鎖腳旋噴樁進(jìn)行鋼筋網(wǎng)片的加固處理。

1.3.5 鉆孔施工

將選擇的施工設(shè)備運(yùn)送至施工現(xiàn)場進(jìn)行鉆孔施工，該施工主要采用高壓水平旋噴機(jī)完成，先進(jìn)行其頂端的1號(hào)孔位施工，再采取間隔孔位的施工方式以此完成其他孔位的交替施工。

在該施工過程中，依據(jù)土層情況確定鉆孔的速度和頂推力，文中研究工程的土層以粉砂土為主，因此，文中確定的鉆孔速度在2 m/min以上，頂推力在5 kN以上。鉆孔時(shí)，需同時(shí)配合清水，并在低流量的情況下配合鉆孔，以此避免雜物進(jìn)行噴嘴中，堵塞旋噴機(jī)。

1.3.6 旋噴施工

鉆孔完成后則進(jìn)行旋噴施工，在施工前對(duì)高壓水平旋噴機(jī)、高壓注漿泵的讀數(shù)情況進(jìn)行檢查，判斷其是否位于45～50 MPa之間，保證其滿足施工標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)確保管內(nèi)不存在漏氣情況。旋噴操作時(shí)，為保證施工質(zhì)量，先進(jìn)行0.5 min的旋噴，并且控制旋噴范圍不可過大；旋噴速度范圍為15～20 cm/min。完成0.5 min旋噴后展開旋噴后退操作，此時(shí)調(diào)整旋噴速度，使其上升到35 r/min，并擴(kuò)大旋噴面積，使其達(dá)到20 m²，此時(shí)停止繼續(xù)后退，校正選旋噴頭的回抽速度。

在旋噴施工過程中，需密切關(guān)注高壓注漿泵的變化情況，如果壓力逐漸下降并趨于穩(wěn)定，則停止旋噴施工，對(duì)輸送管道進(jìn)行隔離處理、拔出鉆桿，進(jìn)行封孔處理。

在通過上述步驟進(jìn)行超前支護(hù)施工時(shí)，需嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，旋噴樁施工位置施工誤差不可超過3 m，角度誤差不可超過2%。

1.4 施工穩(wěn)定性分析

為分析超前支護(hù)施工質(zhì)量，獲取該隧道工程采用超前支護(hù)和不采用超前支護(hù)施工后，在不同的開挖長度下，隧道的拱頂沉降結(jié)果，如圖6所示。

圖6 隧道的拱頂沉降結(jié)果

對(duì)圖6測試結(jié)果進(jìn)行分析后得出：該工程施工時(shí)，不采用超前支護(hù)施工技術(shù)進(jìn)行施工時(shí)，隨著開挖長度的逐漸增加，隧道拱頂沉降結(jié)果也逐漸增加，最大沉降結(jié)果達(dá)到9 mm左右；采用該文研究超前支護(hù)施工技術(shù)進(jìn)行施工后，隨著開挖長度的逐漸增加，隧道拱頂沉降結(jié)果明顯降低，最大沉降結(jié)果僅為3.6 mm左右。因此，超前支護(hù)施工技術(shù)在隧道工程中具有較好的應(yīng)用效果，能夠保證隧道施工的穩(wěn)定性，避免隧道發(fā)生變形甚至坍塌。

2 結(jié)論

隧道工程施工時(shí)，軟土圍巖地質(zhì)的穩(wěn)定性較差，容易在施工過程中發(fā)生隧道坍塌，影響施工人員的人身安全。

因此，為保證隧道施工質(zhì)量，文中以實(shí)際隧道工程為例，研究超前支護(hù)施工技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用效果。通過制定施工方案、控制施工參數(shù)、關(guān)鍵步驟施工流程控制等，保證超前支護(hù)施工。并對(duì)施工效果進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明：超前支護(hù)施工技術(shù)具有較好的施工質(zhì)量，能夠保證隧道工程的施工質(zhì)量，保證隧道圍巖的穩(wěn)定性，有效避免隧道拱頂變形，即降低圍巖變形。

然而，超前支護(hù)施工技術(shù)在應(yīng)用過程中也存在一定的局限性和不足之處，比如對(duì)于地質(zhì)條件的適應(yīng)性有待進(jìn)一步提高。未來，隨著科技的不斷進(jìn)步和工程實(shí)踐的不斷積累，超前支護(hù)施工技術(shù)將會(huì)不斷完善和優(yōu)化，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)超前支護(hù)施工技術(shù)的研究和應(yīng)用，不斷完善技術(shù)手段和施工流程，以適應(yīng)更復(fù)雜的地質(zhì)條件和更高的工程技術(shù)要求，提升隧道工程的施工質(zhì)量和安全性。同時(shí)，希望相關(guān)人員能夠關(guān)注隧道工程中超前支護(hù)施工技術(shù)的進(jìn)一步研究和實(shí)踐，為提升隧道工程建設(shè)水平作出更大貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]楊赟. 在軟弱圍巖隧道工程中超前小導(dǎo)管支護(hù)快速進(jìn)洞技術(shù)應(yīng)用[J]. 運(yùn)輸經(jīng)理世界， 2021（35）： 101-103.

[2]吳旦， 皮圣， 荊永波， 等. 超前小導(dǎo)管支護(hù)快速進(jìn)洞技術(shù)在軟弱圍巖隧道工程中的應(yīng)用[J]. 中外公路， 2021（1）： 186-189.

[3]劉熙媛， 張沖， 曹富興， 等. 公路隧道散體圍巖中錨桿支護(hù)優(yōu)化布置研究[J]. 公路工程， 2022（4）： 53-60.

[4]應(yīng)華峰， 王連勇， 葉暉， 等. 軟巖隧道超前預(yù)加固布置優(yōu)化與地層力學(xué)響應(yīng)[J]. 公路， 2022（6）： 378-385.

[5]郝婷， 張智健， 李嬌， 等. 富水軟弱圍巖偏壓隧道超前支護(hù)施工技術(shù)研究[J]. 信陽師范學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2021（2）： 324-330.

[6]張頂立， 方黃城， 陳立平， 等. 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的剛度設(shè)計(jì)理論[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2021（4）： 649-662.

[7]吳明先， 劉瑞輝， 王萬平， 等. 地下水對(duì)深埋軟弱圍巖隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞及其控制措施研究[J]. 公路， 2022（5）： 237-243.

收稿日期：2023-09-07

作者簡介：高亞清（1988—），男，本科，工程師，研究方向：公路工程。