浅谈隧道开挖支护.doc

浅谈隧道的开挖支护方法

[内容摘要]：对的常用方法进行了详述，本文对隧道Ⅳ类、Ⅴ类围岩开挖施工中的进、出洞方案、地质预报、开挖爆破、锚喷支护、防渗漏处理、二衬施工、量测等重要控制工序的阐述，着重介绍了隧道几种稳定开挖面的施工方法，
[关键词]隧道 围岩类别 开挖 支护
1.工程概况
分水岭隧道是地处平顶山段与南阳段分界点，隧道围岩主要为Ⅳ、Ⅴ类两种。其中南阳段左线长445.093米，右线长430.353米，出口段左线LK1+160～LK1+295段，长度135m；右线RK1+040～RK1+285段，长度245m；围岩定级为Ⅴ级，围岩为第四系残坡积亚砂土混碎石和元古代全～强风化混合花岗岩，岩体主要结构面为风化裂隙，节理和层面裂隙，发育间距0.1～0.3m，多张开，内有泥质、岩屑充填，结合差，呈碎石状散体结构岩体，极破碎岩体。洞身段左线LK0+849.907～LK1+160段，长度310.093m；右线RK0+854.647～RK1+040段，长度185.353m；围岩定级为Ⅳ级，围岩为元古代强～弱风化混合花岗岩。主要结构面为剪切裂隙，发育间距0.2～0.4m，多闭和，部分微张，结合程度一般，呈碎裂结构岩体，属较破碎岩体，自稳能力差，短期内易发生松动变形。
分水岭隧道隧址区地貌形态为中度剥蚀切割的低山区，总体地势北高南低。纵向地形中间高两端低，中部为一冲沟。地面标高介于483.40~510.00m之间，相对高差37m。隧道左行线最大埋深55m，隧道右行线最大埋深22.5m，属浅埋式短隧道。隧址区仅于进出口两侧发育有冲沟，无常年性地表水系分布，水文地质条件较为简单。根据区内气象站资料，区内年最大降雨量达1542.9㎜，最小降雨量391.3㎜，秋季多连阴雨。这样的降雨强度和时间分布特点，加之隧址区岩体节理裂隙发育，岩体破碎，对地下水的补给有利，Ⅴ级围岩段，尤在雨季施工开挖，洞室可能会有点滴壮出水或涌流状出水，对洞口边坡和围岩的稳定性不利。
根据围岩类别不同，采用不同的初期支护方式和二次衬砌，不设明洞；暗洞衬砌结构按新奥法原理采用复合式结构形式，初期支护以锚杆、钢拱架和钢筋网喷砼组成联合支护体系，二次衬砌采用钢筋混凝土结构。

分水岭隧道衬砌支护参数表
围岩类型
初期支护
二次衬砌
衬砌长度
锚杆
喷砼
钢拱架
拱圈
仰拱
Ⅳ
485.446
Ф22长3.0m
（1.0×1.0m）
18cm
15×15格栅钢架间距1.0m
40cm
40cm
Ⅴ
390
Ф25长3.5m
(0.75×1.0m)
26cm
20a号工字钢拱架间距0.75m
45cm
50cm
2.隧道开挖对围岩自承体系影响的基本理论
目前，部分学者提出，隧道开挖是个4维问题：三维空间十时间而隧道围岩中的自承体系也是在这个四维的条件下形成的，在隧道开控后，围岩稳定状态将随支护状态而变化，随时间而发展。
隧道的开挖是在三维空间中实现的，开挖面前方一定距离外，岩体即已开始变形，在较好的岩体中（Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类），这距离可能在l—2倍洞径之外；在软弱围岩（Ⅳ类、Ⅴ类、Ⅵ类），则可能在3—5倍洞径之外。这变形是自承体系形成的基础，由于有这变形基础，洞室开挖后围岩中才可能形成自承体系。专家认为，开挖面前方岩体沿隧道切向的应力增高，使岩体在隧道切向和径向发生压性变形，而周围岩体的约束使沿隧道径向也发生压性变形，这种应力和变形使岩体向自由空间方向位移，自由空间有两个，一个是开挖面，另一个是地面。
自承体系的范围由许多因素决定，岩体的强度是一个重要因素。岩石隧道围岩的自承体系常仅几米宽，在土质隧道中则可能宽达20~30m。开挖方法，隧道洞形，支护形式和及时与否等，都会影响自承体系的范围。自承体系稳定，隧道的变形才能停止。而松弛带的岩体稳定，变形不再发展，是整个自承体系稳定的前题。可以将包括支护在内的整个自承体系看作一个承载结构，它朝向岩体的外缘的原岩应力对它的作用可看作是它的外荷。
最外层的松弛带岩体无论是沿切向还是径向都发生了张性变形，实际上可以分为两层，即最外面靠近临空面的部分，岩体受爆破、施工、自重影响，变形最严重；靠里的一部分，则主要是受应力解除影响的变形。松弛带岩体在隧道刚开始时并未松动，除局部或特殊情况外还是自稳的。而压密区的岩体，是在三维空间中受压缩的。在有围压情况下，岩体强度远大于单轴抗压强度。因此，压密区岩体有很高的强度，形成一个厚壁圆桶，或很厚的岩拱，与原岩应力相平衡或承载原岩压力。压密区通过过渡带受松弛带的支护，如果松弛带不破坏，不发展，压密区就会渐趋完善，保护岩体整体稳定。
松弛带、过渡带、压密区，广义的加上支护，形成一个围岩自承体系。

图1 某隧道围岩自承体系示意图
3.稳定开挖面的几种方法的原理及运用
3.1、预支护方法
3.1.1方法原理：通过采用安装锚杆、小钢管、管棚等形成对前方围岩的预支护（预锚固）或通过对隧道开挖面及围岩预注浆加固，及时保护松弛带，随着对岩体径向和切向变形的约束，松弛带就可能情况改善，张性变形减少，松弛带缩小，过渡带成为压密区的一部分，压密区扩大并均匀化，最后达到稳定，在提前形成的围岩稳定区（锚固圈）的保护下，进行开挖、装、出渣和衬砌等施工。
3.1.2超前锚杆或超前小钢管预支护方法
1、组成及适用性
超前锚杆或超前小钢管预支护方法是沿隧道开挖轮廓线，以稍大的外插角，向开挖面前方安装锚杆或小钢管，形成对前方围岩的预支护，适用于围岩应力较小、地下水较少、岩体软弱破碎、开挖面有可能坍塌的隧道中，超前锚杆宜采用早强砂浆锚杆，以便及早发挥超前支护的作用。
2、超前锚杆或超前小钢管施工要点
a、超前锚杆或超前小钢管施工时，根据地质预报资料，在拱部、必要是在边墙局部设置。
b、超前锚杆或超前小钢管纵向两排水平投影，搭接长度不小于1米。
c、超前锚杆或超前小钢管支护，宜和钢拱架支撑配合使用，并从钢拱架腹部穿过，特殊情况下可以钢拱架底部或顶部穿出。
d、施工外插角为5-10，长度大于循环进尺，一般为3-5米，钢管顶入钻孔长度不小于小钢管长度90%。
e、超前小钢管应平直，尾部焊箍，顶部为尖锥形状。
f、超前锚杆或超前小钢管尾端，应置钢拱架腹部或焊接在系统锚杆尾部的环向钢筋。
3、分水岭隧道超前锚杆或超前小钢管使用
分水岭隧道岩体节理裂隙发育，岩体较破碎，自稳能力差, Ⅴ类设计采用超前锚杆，主要参数见下表：
分水岭隧道超前锚杆或超前小钢管设计参数
围岩类别
锚杆直径（mm）
小钢管直径（mm）
长度（m）
环向间距（cm）
外插角（°）
锚杆
小钢管
Ⅴ类
Ф22

4.3
40
10

3.1.3超前管棚预支护方法
1、组成及适用性
超前管棚预支护方法是沿隧道开挖轮廓线，以较小的外插角，向开挖面前方钢管或钢插板构成，形成对前方围岩的预支护，适用于特殊地段，如在破碎岩体、塌方体、砂土质地层、强膨胀性地层、强流变性地层、裂隙发育地层、断层破碎带、浅埋偏压等隧道，目前，我国公路隧道在进洞时基本采用大管棚（长管棚）预支护方法。
2、超前管棚预支护施工要点
a、管棚钻孔孔径比钢管设计直径大2cm~3cm。
b、超前管棚纵向两组间应有不小于1. 5米搭接长度。
c、管棚施工外插角为1°-2°。
d、钢管分段连接采用丝扣连接，丝扣长度不小于15cm。
3、分水岭隧道超前管棚预支护的使用
分水岭隧道Ⅴ级围岩进洞口段设计采用φ89超前管棚，管棚长度20m，环向间距40cm，外插角（α）2°，施工方法如下：进洞之前先进行2m长的护拱（俗称套拱）施工，套拱砼内予埋I14钢拱架四榀，并在钢拱架背部焊接孔口管（ф127），便于今后ф108管棚施工作定位用，确保管棚位置角度的准确。采用卧式潜孔钻机进行ф108大管棚打眼，管棚环向间距40cm，纵向平行于线路中线，外插角3度，钢管采用每段3m、6m的Φ108×6热轧无缝钢管，以长15cm的丝扣连接。钢管上打梅花型孔洞（俗称钢花管），钢花管送入孔内后即行注浆，水泥浆液的水灰比为1:1，注浆初压0.5~1Mpa，终压2Mpa。
3.1.4超前小导管注浆预支护方法
1、组成及适用性
超前小导管是在进行初喷封闭后的开挖面及开挖面5米范围内，沿开挖外轮廓线向前以一定的外插角，打入管壁带小孔的小导管，并以一定压力向管内压入水泥浆，水泥浆起胶结作用，待浆液硬化后，开挖面周围岩体得到预加固。超前小导管注浆采用φ32、φ40、φ50焊接钢管或无缝钢管，长度为3~5米，采用水泥砂浆或水泥水玻璃浆液。超前小导管适用于自稳时间很短的砂层、砂卵（砾）石层、断层破碎带、软弱围岩浅埋段、处理塌方地段、地下水较多的软弱破碎围岩、裂隙发育较强围岩中。
2、超前小导管注浆预支护施工要点
a、小导管外径根据设计及钻孔直径选择，外径一般比钻孔直径小2cm，管壁按照设计要求交错钻眼，如没有设计，一般每隔10~20cm，眼孔直径不小于6mm。
b、超前小导管纵向两组间应有不小于1米搭接长度。
c、小导管施工外插角为10°-30°。
d、小导管插入钻孔后应外露一定长度，以便连接注浆管，同时采用浓度40°Be水玻璃拌52.5水泥的塑胶泥将导管周围孔壁封堵密实。
e、小导管注浆配合比应根据现场试验确定，水泥浆水灰比为0.8：1~1：1，注水玻璃浆液水灰比为0.8：1~1.5：1，注浆压力为0.5~1.0MPa,注浆完成后，视浆液种类4h（水泥水玻璃）~8h（水泥浆）后方能开挖，开挖时，保留1.5~2.0米的止浆墙，防止下一次孔口跑浆。
f、超前小导管注浆应先注内圈孔，后注外圈孔；先注无水孔，后注有水孔；从拱顶顺序对称向下进行。
g、注浆结束后，根据一定数量的钻孔检查或用声波探测仪检查注浆效果，如未满足要求，应进行补注。
3、分水岭隧道中超前小导管注浆预支护的使用
分水岭隧道Ⅴ级围岩中，采用Ф50*4超前小导管长5m，环向间距35cm，前后两排小导管应搭接1.174m，外插角10度。φ50超前小导管注浆孔间距设计为10cm，端头0.5m没有注浆孔，施工采用KBY-50/70双液注浆泵注浆，浆液采用HJ1-352型砂浆搅拌机拌和，注浆为水泥浆，注浆自下而上进行。

小导管施工工艺流程图

拌浆
机具设备检 修
封闭工作面

压力流量达到要求
压水检查达到要求
是
结束
注浆
连接管路及封闭孔口
安设小导管
准备工作
是

钻孔
制作小导管
否 否

3.2、留核心土及喷射混凝土方法
3.2.1留核心土方法
原理：隧道开挖后，最靠内的岩体成为松弛带，在一定深度，开挖面前方岩体已经发生的沿隧道切向的压性变形仍然存在，它们处于三维应力状态下，具有较高的承载能力，能在一定时间内保持围岩不发生整体破坏，对上弧形导坑留一定长度的核心土，降低开挖面临空高度，减缓开挖面的坡面角定，抵抗开挖面的下滑和塌方。
运用：根据地质情况，分水岭隧道Ⅴ级围岩采用正台阶分部扇形开挖法，IV级围岩采用长台阶开挖法，确保隧道开挖稳定。
3.2.2喷射混凝土封闭作业面方法
原理：从围岩中自承体系这个角度出发，使松弛带岩体得到保护和加固，至少使它不发生松动和恶化，就可通过松弛带岩体对压密区给以保护，使岩体，尤其是压密区岩体通过变形自我调整达到最佳状态，最后达到稳定。从这个角度出发，我们的支护可以不一定要求深入到压密区或未受扰动的岩体，而可着眼于加固松弛带岩体，甚至可主要加固松弛带最内层变形最剧烈的那部分岩体。采用喷射混凝土封闭的作业面，就是可以使被封闭的围岩和开挖面前方的岩体的含水量不变，能使开挖面岩体强度和稳定性不会产生明显的降低；同时由于混凝土封闭，开挖面不与隧道内潮湿的气体接触，可以减缓岩土体风化的影响，从一定程度上加固松弛带最内层变形最剧烈的那部分岩体。
运用：分水岭隧道采用5cm的喷射混凝土及时对开挖挖面进行初喷，为开挖面稳定和后续工序的开展提供了良好的保证。
4.结束语
分水岭隧道南阳段通过采用几种稳定开挖的方法，很好地保证了隧道的稳定，在开挖施工过程中未出现大面积塌方事故，确保了施工质量和进度。值得注意的是，隧道施工是一个动态控制的过程，开挖面的稳定必须和实际的地形、地质、开挖方法、隧道洞形、支护形式和及时与否等多种情况相关，我们在隧道施工中必须做好监控量测工作，以便及时加强和调整稳定开挖面的方法，确保隧道施工的安全。