软弱结构条件下支护技术应用.pdf

姻工程科技第 9 卷第 1 期 2024 年 2 月收稿日期：2023-08-04作者简介：许志刚（1979），男，山西省稷山县人，工程师，从事建筑施工工作。0引言在软弱结构条件下开展支护施工作业时，需要全面掌握软弱结构的具体特点及施工难点，才能够根据实际情况采取科学合理的支护施工技术，以提升软弱结构条件下支护技术的应用效果，从而为后续隧洞开挖施工提供有利条件。1软弱结构特点分析1.1工程概况本文以青海省引大济湟北干二期支渠工程项目为例，在该项目施工过程中，设计引水隧洞 6 座，总长度为 5 018 m，其中最长的隧洞为 1 433.5 m。该工程项目的地质条件为卵砾石、黄土、粘土岩。在本次施工过程中选择两条隧洞进行深入分析，其中一条隧洞长度为 1 433.5 m，属于长隧洞，为第四系高阶地冲洪积卵砾石层，该层砂砾石厚度大，分布连续，微胶结，为泥、钙质胶结，砂砾石透水性较强，无地下水活动或活动轻微。另一条隧洞长度为448.39 m，为短隧道，隧洞进口和洞身段为第四系高阶地冲洪积卵砾石层，该层砂砾石厚度大，微胶结，软弱结构条件下支护技术应用许志刚（中铁十七局集团第五工程有限公司，山西太原030032）摘要院在引水隧洞施工过程中袁如果围岩不稳定会导致施工难度上升遥本文深入分析了软弱结构条件下常用的施工支护技术遥在软弱结构条件下进行隧洞开挖施工作业时袁需要对软弱结构的具体情况进行分析袁明确适合的支护方式遥 本工程应用钢架结构作为主要支护材料袁针对隧洞特点尧地质条件袁将铣挖机开挖和人工开挖进行有效结合袁利用高强度尧轻重量尧可升降的安全防护棚辅助施工袁在提高施工效率的同时袁降低了隧洞开挖和支护过程中存在的安全风险遥关键词院软弱结构曰支护技术曰隧洞中图分类号院U455.4文献标识码院A文章编号院圆园怨远-2118渊2024冤01-0044-04Under the Condition of Weak Structure Supporting Technology ApplicationXU Zhigang（China Railway 17th Bureau Group Fifth Engineering Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi030032，China）Abstract：During the construction of diversion tunnel，if the surrounding rock is unstable，the construction diffi原culty will increase.In this paper,the commonly used construction support technology under the condition of weakstructure is deeply analyzed.It is necessary to analyze the concrete condition of the weak structure and determinethe suitable support method when the tunnel excavation is carried out under the condition of weak structure.Inthis project，steel frame structure is used as the main supporting material，according to the characteristics and ge原ological conditions of the tunnel，the excavation of milling machine and manual excavation are effectively com原bined，and the construction is assisted by the safety protection shed with high strength，light weight and can belifted，which improves the construction efficiency and reduces the safety risks in the process of tunnel excavationand support.Keywords：weak structure；support technology；tunnelDOI：10.3969/j.issn.2096-2118.2024.01.011图 1初期支护隧洞洞身断面示意图图 2施工流程图为泥、钙质胶结，砂砾石透水性较强；出口段为风积黄土，厚度约 15 m，该黄土地基湿陷等级为芋级。两条隧洞的围岩类型均为 V 类围岩。隧洞断面为城门洞型，断面尺寸为 2.78 m伊2.84 m（宽伊高）。在隧洞初期支护过程中，需要利用间距 80 cm钢拱架（H140 mm伊80 mm）、波浪形喷射混凝土加钢筋网片支护，喷射厚度为 10 cm。钢筋网片采用 囟8mm 钢筋，网片规格尺寸为 20 cm伊20 cm；边墙拱架设锁脚锚杆，锚杆采用 囟18 mm 钢筋，长度 1.5 m，间距 80 cm，如图 1 所示。在支护施工过程中，需要根据施工现场情况确定具体施工流程，见图 2。1.2软弱结构变形机制一般情况下，软弱围岩隧洞在开挖过程中围岩应力状态变化是导致围岩变形的重要原因。围岩应力状态受围岩力学参数、支护力的影响相对较大1。现阶段，在隧洞施工中更加重视以钢拱架和喷射混凝土为主形成初期支护和二次衬砌的支护体系。这一支护体系虽然可以为围岩提供有效的支护力，但会导致围岩无法发挥其自身承载能力，围岩变形也比较大，存在较多安全隐患。导致软弱围岩应力变化的因素较多，围岩自身的力学特性和开挖施工过程中的扰动情况及支护类型等都会对围岩的变化产生一定影响。软弱围岩变形是比较复杂的力学演化过程。在隧洞开挖过程中，如果产生较大振动，围岩应力状态会出现变化，导致围岩物理力学参数降低，使围岩变形。围岩变形会使围岩裂隙扩张，如果受地下水影响，会导致其力学性能下降。对软弱围岩变形机制进行分析，可以明确开挖后围岩力学参数降低、支护力提供不及时等情况会对围岩的稳定性和承载力产生直接影响。因此，在开展软弱结构下支护施工过程中也需考虑这两方面问题，从而保证支护体系的合理性，提高软弱围岩结构的稳定性。2隧洞支护开挖施工意义在隧洞建设过程中开挖支护是保证工程建设顺利进行的重要基础。隧洞建设一般是在一些地质条件比较复杂的区域进行，有效的支护技术是确保隧洞工程安全施工的重要手段。在隧洞施工过程中，需要根据岩层的自身特性进行分析，如果岩层结构稳定性较差，特别是存在一些已经被破坏的岩层，在隧洞施工之前需要进行支护施工2。一般情况下，会利用钢架作为支护材料，钢架的适应度和刚性都比较强，应用钢架结构可以确保工程结构的稳定性。之后利用混凝土进行喷射施工，可以提高岩层结构的承载力。在施工初期，混凝土作为可塑性比较强的材料，可以充分填充钢架及岩石之间的缝隙，促使支护结构的牢固性得到有效提升，从而保证施工安全。一般在支护结构安装完成后还要进行全面检查，根据支护工程的安装顺序和结构特点进行全面检测，以便及时发现问题并快速处理，在最大程度上确保支护结构的稳定性，提高对软弱结构的处理效果，保证隧洞开挖施工作业安全稳定进行。3软弱结构条件下常用支护技术应用3.1钢架支护施工技术在软弱结构条件下开展支护施工作业时，钢架支护技术是其中的应用要点。在钢架支护完成后，钢拱架 H140 mm伊80 mm，间距 80 cm采用 椎22 mm 钢筋连接，间距 40 cm椎18 mm，L=1.5 m锁脚锚杆间距 80 cm喷 C20 混凝土厚 10 cm椎8 mm 钢筋网（20 cm伊20 cm）C25 衬砌厚 35 cmC10 垫层厚 10 cm2.78 m施工准备施工测量开挖作业出渣、降尘通风排险拱架安装、锚杆支护钢筋网喷射混凝土支护隧洞变形观测拱架、锚杆制作钢筋网制作混凝土制备循环作业第 1 期许志刚院软弱结构条件下支护技术应用图 3安全防护棚施工效果（图片来源：作者自摄）利用喷射混凝土进行加固，有助于提高钢架结构支护体系的稳定性。该支护技术主要是在具有一定自稳性的岩层中进行施工。若岩层的稳定性较差，钢架支护施工技术的施工难度会有所增加。此外，钢架支护施工技术本身具有一定的安全风险，为了降低这一安全风险，保证在隧洞开挖支护过程中的安全水平，需要加强原材料质量控制工作，在对该支护体系进行应用前，需要对施工区域的地质结构进行分析，对施工区域的地质条件和水文条件进行全面把控，判断是否可以应用钢架支护施工方案3。在钢架支护施工过程中还要加强钢架制作质量管理工作，保证钢架的每一个节点或弧度与设计要求相符合，要进行分节焊接。在对钢架节点进行连接时，以高强螺栓为主。为了确保钢架和围岩之间的适应性，还需要用混凝土填补钢架与围岩间的空隙。这样才能够对围岩的形状和稳定性进行有效控制，同时提高支护体系的整体承载力。3.2锚杆支护技术锚杆支护技术在应用过程中需要根据实际施工需求对不同类型的锚杆进行科学选择。砂浆锚杆在施工前需要先完成孔位标注工作，并进行钻孔和孔洞清洁作业。随后在孔洞内注入砂浆，插入固定锚杆，将锚杆垫板和螺栓安装完成后可以形成锚杆支护体系。但在实际施工中，锚杆支护设计方案易与施工现场之间存在差异，主要在施工阶段和设计阶段本身会存在一些不同。设计图纸是为施工提供依据，但在具体的施工作业中，受地质条件和外部自然环境的影响，可能会遇到设计图纸无法有效发挥作用的情况，此时需要根据施工现场情况对设计方案进行调整和更改，确保设计数据和施工数据相符合，防止出现安全隐患，提升支护施工的合理性。4安全防护棚施工技术安全防护棚施工技术主要在围岩结构软弱、不稳定的条件下进行隧洞开挖时，拱顶易出现坍塌、掉块问题，存在较大的安全隐患。一般情况下，在隧洞开挖过程中，会对围岩结构产生扰动，导致本身并不稳定的围岩出现脱落、坍塌等问题。对安全防护棚进行有效运用可以减少这一类安全隐患，确保施工人员的人身安全，同时能够提高隧洞开挖效率。需要注意在安全防护棚操作过程中，其虽然能够有效降低拱顶存在的安全风险，但是防护棚对隧洞内部的空间有一定要求。如果洞身断面本身比较小，安全防护棚在应用过程中还要占用一定空间，会导致作业空间受到限制，可能影响施工进度。如果安全防护棚比较重，不方便移动和安装，会导致安全防护棚的应用效益下降。如果防护棚使用的材料不合格，会对防护棚的防护效果产生负面影响。安全防护棚的具体施工效果见图 3。4.1开挖防护技术要点软弱结构条件下进行开挖施工作业时，需要根据工程项目的实际情况和经济效益制定科学严谨的施工方案。该工程在施工过程中，长隧洞主要利用铣挖机进行开挖、短隧洞以人工开挖为主。1）人工开挖要点。在人工开挖过程中，需要加强支护技术的有效应用，对各种开挖工具进行科学应用。在人工开挖时，可以配合风镐保证开挖效率。在具体的开挖施工作业中，上部围岩变化预测难度相对较大，隧洞拱顶以上部位可能会出现坍塌和掉块问题，影响施工效率，甚至威胁施工人员的人身安全。为了防止出现意外事故，需利用科学合理的措施为施工人员提供安全可靠的施工环境。在本次施工过程中，安全防护棚技术是主要技术要点。除了常规支护技术外，对安全防护棚技术进行应用时，需要利用钢管、钢筋、底托进行施工。在实际操作时，需要先利用 4 根 椎60 mm 钢管作为钢管底部底托完成安装作业，之后在 椎60 mm 钢管内安装 椎42 mm 钢管形成立杆，然后将 椎12 mm 钢筋按照 0.1 m伊0.1 m 的间距焊接成弧形网片，并与立杆进行连接。这样可以形成具有升降功能的防护罩。在立杆底部顺着隧洞的方向需要利用角钢进行连接，可以提高安全防护棚的稳定性。在立杆上还第 9 卷（c）俯视图图 4安全防护棚施工示意图可以设置卡扣进行升降。安全防护棚施工方法见图4。2）铣挖机开挖作业。在对长隧洞进行开挖施工时，主要利用铣挖机进行开挖，可以提高开挖效率。使用铣挖机施工时，可以在无支护的掌子面进行开挖，但操作室需设在有支护的安全范围内，以保证软弱结构坍塌不会威胁操作人员的人身安全，可以提高开挖作业的安全水平和开挖效率。4.2安全支护技术要点在初期支护前施工人员会暴露在无任何防护措施的隧洞内，为了缩短钢拱架和网片的安装时间，减少对施工人员人身安全的威胁，需要利用安全防护棚进行防护，以防止人员伤亡事故。一般开挖作业完成后需设立拱架，先将安全防护棚就位并降落至低位，方便人工将钢拱架放置在防护棚的外圈卡槽内，然后将钢拱架连接筋和钢筋网片根据设计要求进行焊接，之后将防护棚的立杆部位进行上抬，确保立杆升到拱架需要的设计位置后，通过卡扣固定立杆，操作人员在防护棚下安装边墙拱架，与拱部拱架进行连接，从而形成受力环，随后人工完成两侧边墙钢筋网片的安装。5结语在软弱结构下开展支护施工作业时，需要根据工程项目的具体情况对安全支护技术进行有效应用。在本次施工过程中，为了保证开挖支护作业顺利进行，主要利用安全防护棚降低在隧洞开挖和支护过程中存在的安全风险，从而保障施工人员的人身安全。需要注意在安全防护棚施工过程中，尽量利用高强度轻重量的材料，同时利用卡扣实现防护棚的升降功能，以方便进行操作。在隧洞开挖支护过程中，应将铣挖机开挖和人工开挖进行有效结合，在提高施工效率的同时，降低安全风险。参考文献1杨为民，孙莉.软弱粉砂板岩隧道开挖及支护施工关键技术J.四川建材，2021，47（10）：91-92.2段东，唐世斌，张百胜，等.复杂构造条件下地应力精细测试及巷道围岩稳定性控制关键技术J.中国科技成果，2023，24（7）：2.3向武松.软弱围岩隧道喷锚支护开挖时的围岩稳定性分析J.中国公路，2022（5）：2.编辑院杨洋（a）侧视图（b）正视图椎12 mm，0.1 m伊0.1 m椎42 mm 钢管椎60 mm 钢管2.3 m1.2 m椎12 mm，0.1 m伊0.1 m第 1 期许志刚院软弱结构条件下支护技术应用