隧道工程開挖支護施工技術研究

李德增

摘 要：結合G0711烏魯木齊至尉犁高速公路天山勝利隧道施工，通過隧道開挖支護施工特點、支護結構發展、開挖支護技術分析和研究，進而掌握隧道開挖支護施工技術要點。在隧道施工時，應當對隧址區地形、地貌與地質進行全面考慮，一定要將超前地質預報和監控量測工作做到位，以此來提升隧道的施工質量和安全。應對隧道施工的每一道工序質量進行嚴格控制，進而確保隧道工程施工的順利進行。

關鍵詞：烏尉高速公路；隧道開挖支護；施工技術

中圖分類號：TU74 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）02-0040-03

0 引言

烏尉高速公路天山勝利隧道是一座超長高速公路隧道，位于新疆烏魯木齊市西南側天山腹地，穿越天格爾峰。隧道進口位于G216國道望峰道班附近，為烏魯木齊河谷底部斜坡，高程2 772 m。穿越天山勝利達坂后，隧道出口位于烏拉斯臺村南疆鐵路烏斯托火車站東側下方緩坡處，高程2 897 m。隧道全長22 105 m，最大埋深1 102 m，按照雙向四車道高速公路標準設計，隧道主洞采用鉆爆法施工。

隧道屬于地下隱蔽工程施工作業，存在極高的復雜性、風險性，極易造成施工過程的危險事故。所以，要想進一步提升工程施工的安全性，就應當對洞口和洞身施工根據實際情況選擇合適的開挖和支護施工工藝。也可以根據超前地質預報，來采取不同方式相結合的方法施工，對施工技術要點進行嚴格管控，進而推動隧道工程施工的順利開展[1]。

1 隧道施工特點

隧道施工具有極強的多變性，施工現場的地質條件與工程建設的順利開展有著十分緊密的聯系。一些施工現場經常性存在許多不良地質現象，例如逆流、突泥、涌水、斷層破碎帶、溶洞等，若未進行充分勘察就進行施工作業，非常容易引發施工事故。工程建設所在區域的地質情況也會不斷變化，部分區域表面看上去屬于正常的地質狀況，很可能會存在不良的地質夾層，為工程施工埋下了安全隱患，嚴重影響了工程施工的安全性。

在開展隧道施工時，各環節之間有著較強的連續性，要想開展二次修復工作困難較大。隧道工程經常會在河流、溶洞以及溝壑等位置施工，在這些位置用水用電都十分困難，因此需要在施工中做好充分準備，才可以確保后續施工的順利進行。

通常情況下，隧道施工現場的作業空間都非常小，且施工場地粉塵多，能見度比較低，施工過程中噪聲過大，會造成工作人員聽覺上的不適。操作環境潮濕陰暗、場地過小將很難使用大型的機械設備等[2]。隧道凈空斷面尺寸的問題，導致很多施工的環節在操作工序上都出現了干擾，使得多道施工無法同時進行。

2 隧道支護結構的發展歷程

傳統的地下建筑基本都會通過磚石材料來實現支護，一般為拱形結構?；炷梁弯摬脑诮ㄖ袠I被大量使用，錨桿支護技術得到了廣泛應用，混凝土噴射技術得到了推廣，同時和錨桿支護技術融合，變為一種新型支護技術，并在隧道的初期支護當中得到了普遍應用。該技術主要是以錨桿和噴射混凝土組合在一起，將作為主要支護手段的一種施工方法，可以使圍巖自穩能力得到進一步改善和提升。在施工初期，該技術會在表面鋪設防水層，而最內層會通過混凝土結構來進行支護。通過初期的支護可以使施工過程中的安全性以及結構穩定性得到保障，而最內層的混凝土結構可以進一步提升隧道使用過程中的安全性。

3 開挖支護技術重要性

3.1 提升隧道開挖的安全

對于隧道工程來說，大部分施工現場都處于山區地下位置，施工環境十分復雜，很多工程還會在山體當中進行施工，甚至在巖石上施工，難以確保工程施工的安全性。因此在開展隧道開挖作業時，應當利用支護的方式來有效加固隧道圍巖結構，以此來提升隧道結構的安全性，確保隧道工程施工作業安全、順利進行。

3.2 提升圍巖穩定性

在對隧道開挖支護進行施工，不僅可以使隧道施工的安全性得到不斷加強，還可以進一步提升隧道周圍巖體的牢固性。大部分隧道工程，施工周期較長，在開展開挖作業以后，隧道周圍的圍巖應力將會重新分配，影響巖體穩定性，給施工安全埋下隱患。通過隧道初期支護加強圍巖穩定性，可以有效降低周圍環境對隧道巖體的影響，保障圍巖穩定，提升施工安全。

4 隧道支護結構分析

4.1 襯砌支護結構

襯砌支護結構主要是通過與隧道圍巖進行緊密貼合，在襯砌和周圍巖體接觸以后產生作用，利用協調松動巖體的變形來保證圍巖的穩定性。襯砌支護結構主要是拱形、閉合環形的一種結構形式，這種結構自身具備極強的柔韌性和整體性，能夠對圍巖的應力狀態進行良好的改善，通過釋放局部集中的應力來對圍巖的變形進行控制。襯砌支護結構能夠通過其閉合式的結構，對圍巖整體起到支撐作用。在完成支護結構施工以后，能夠對圍巖的應力進行再次分配，使其應力狀態產生變化，通過與隧道周圍巖體進行緊密貼合來協調圍巖變形。對于襯砌所約束的巖體來講，其變形量的大小主要取決于隧道周圍巖體和支護結構之間的相互作用力，支護結構可以阻止其發生變形或位移。

4.2 超前管棚支護技術

超前管棚支護技術主要應用在軟弱圍巖等不良地質中，通過各管棚之間的搭接和連接形成具有搭扣形式的管棚結構。在擬開挖隧道的外圍周邊隱形弧線上，先沿著開挖輪廓利用管棚鉆機進行鉆孔，并打入鋼管。隨后在管內注入水泥砂漿，以提升圍巖物理參數，使其形成傘狀加固圈，以改善圍巖所處應力場和掌子面應力場。

該技術具有支護距離長、加固技術好、經濟成本低、施工便捷等優勢，是近些年新發展起來的一種隧道施工輔助技術。超前管棚支護技術主要設備和材料包括鋼管、管棚鉆機、夯管錘等。具體施工工序為：施工準備→測量定位→施作套拱→鉆孔→插入鋼管→焊接外露段與鋼支撐→綜合檢查→注漿封孔。

在管棚支護施工中，主要利用鉆機進行鉆孔作業，在架設鉆機時，確保與鉆進線路中心線保持一定仰角，避免出現偏移或者傾斜問題，進而導致管棚偏離，無法充分發揮管棚支護作用。為避免這一問題產生，應采用水平導向跟管鉆進法，用棚管替代鉆桿，管棚選用長度10～40 m和管徑70～180 mm的熱軋無縫鋼管。在棚管頂端安裝導向鉆頭和角度傳感器，然后通過水平定向鉆機將棚管打入土體或巖體中[3]。在鉆進過程中，角度傳感器持續傳出信號，施工人員根據信號控制鉆進角度，確保鉆進角度和方向符合設計圖紙要求。管棚施作之后，利用鋼尺測距儀檢查每節鋼管的方向和長度，確保準確無誤。

4.3 鋼拱架支護結構

鋼拱架支護結構的力學模型主要是以拱形為主，在通過鋼拱架結構進行支護時，需要充分分析巖體的應力狀態，明確鋼拱架模型。通過對鋼拱架進行科學設計，再加上對鋼拱架支護結構和隧道圍巖接觸的位置進行剛性連接，可以使鋼拱架支護結構的受力更加穩定。在實際施工過程中，鋼拱架和圍巖之間常會出現縫隙。針對這種情況，可通過木楔填塞的方式來解決。對于鋼拱架支護結構而言，在支護的前期具有較高的強度及剛度，能夠有效地控制圍巖的變形，并且它可以與襯砌配合起來共同作用，有效地擴寬支護體系整體的承載范圍。

5 隧道工程開挖支護施工技術研究

5.1 超前地質預報

超前地質預報能夠對隧道施工的基礎工作提供很大幫助，為管理人員提供準確的地質預報信息，以此來提升現場施工管理工作。對于隧道開挖作業而言，應當在施工之前結合地質勘察與超前地質預報的一系列信息，來選擇合適的開挖支護方法，制定合理的施工進度計劃，施行全過程、無縫隙監測?，F場施工管理人員應與地質預測、預報等部門進行充分溝通，以此來及時調整施工工藝和進度計劃，保證工程施工作業的順利開展。

5.2 全斷面開挖法

全斷面開挖法主要是按照設計斷面一次基本開挖成形的施工方法。它需要通過全方位支護來進行施工。應用該技術進行施工，對施工現場的巖層條件有一定要求，要求圍巖必須達到I-IV級。以IV級圍巖為例，要想通過全斷面開挖法進行施工，圍巖就一定要具有從開挖初期到支護完成整個階段保持穩定狀態的條件，這樣才能保證施工安全。在經濟層面，大型機械設備投入到施工當中會嚴重增加施工成本。除此之外，還應當確保機械設備的配套性，以此來提升施工效率以及施工質量和安全[4]。全斷面施工技術的優勢十分明顯，那就是作業面的空間相對較大，能夠通過大型機械設備進行施工，進而降低施工作業人員的勞動強度。同時，全斷面開挖法的工序也非常簡單，對于周圍圍巖的干擾非常小，施工管理十分方便，可以有效確保工程施工的質量和進度。不過該方法也存在一定的局限性，并且施工時機械化程度較高，要求施工組織十分嚴密[5]。

5.3 爆破控制

對于隧道施工來說，爆破是一項非常重要的作業環節，通過爆破技術可以有效提升隧道工程施工的效率，保障工期。不過，這種高效率的施工技術可能會在工程施工時引發安全事故。爆破技術雖然進一步提升了施工效率，但由于其威力巨大，若是無法對其作業范圍進行控制，就會對整個施工流程產生較大影響，嚴重的還會引發塌方事故[6]。因此，在開展爆破作業之前，應當對爆破作業開展科學爆破設計，完善爆破方案，防止由于爆破而引發安全和質量事故。應準確計算爆破裝藥量，對炮孔布設進行準確計算，降低爆破對于周圍產生的影響，提升工程施工的安全性。

5.4 變形控制

要想進一步提升隧道的穩定性，就需要通過更加先進的技術，來增強隧道的抗塌方以及變形能力。這就要求對施工現場的地質情況予以全面掌握，將前期的地質勘察工作做到位，并對施工現場出現坍塌事故的概率進行深入研究，明確事故發生率相對較大的位置，制定相應的預防措施。施工人員需要通過超前支護和錨桿支護等方式來避免隧道圍巖出現變形，規避塌方事故，進一步增強工程的施工質量以及安全性[7]。

5.5 隧道防排水施工

隧道防排水應遵循“防、排、截、堵相結合，因地制宜，綜合治理”的原則，保證隧道結構物和設備的正常使用和行車安全，并對地表水、地下水妥善處理，形成一個完整通暢的防排水系統[8]。

隧道內部積水會對隧道耐久性和行車安全產非常大影響，防排水系統的設計和施工質量控制相當重要，必須第一時間排除隧道內部積水。防排水施工進行之前，應當通過噴射混凝土封閉隧道圍巖，以此來改善巖層裂縫問題，并利用邊溝排出低洼位置的積水。隧道開挖施工之前必須在洞口的上方設置截水溝，并按照設計要求組織施工，防止隧道上方坡面水流沖刷隧道邊仰坡，進而對隧道安全造成安全隱患。對于邊坡坡面，應按照設計要求或利用噴射混凝土予以防護施工，避免出現滲漏水的現象[9]。在止水帶、止水條施工的過程中，需要保證其具備較好的平順度，結合施工實際情況來對止水帶的長度進行設計，并對接頭位置進行密封處理。

6 結語

隧道施工本身就存在極高的安全風險，這就要求嚴格控制每一道工序的施工質量，并結合現場實際地質情況、施工機械設備、施工材料、勞動力數量選擇合適的施工工藝進行施工，確保工程施工的質量和安全。

隨著時代的發展和社會的進步，山區公路長大隧道越來越多，社會各界對隧道工程施工質量和安全的關注度越來越高，隧道施工技術也越來越先進，工作人員應當熟練掌握隧道開挖支護施工技術，進而不斷改進和提高隧道施工水平，以滿足社會各界的需求。

參考文獻

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