淺談隧道初期支護施工

張凱 李高洪

【摘 要】?隨著我國隧道建設(shè)規(guī)模擴大，礦山法已成為隧道建設(shè)的主流。文章介紹了圍巖的基本概念及其工程特性，認為大部分圍巖具有自支護能力。闡明隧道錨桿的功能、錨桿支護措施，最后得出，錨桿的商品化問題是首要問題。詳細闡述二次襯砌的功能及作用和二次襯砌耐久性問題，指出襯砌的耐久性問題取決于混凝土耐久性，認為在實際工程中要嚴格把控施工工藝，保證隧道建設(shè)的質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】施工技術(shù); 礦山法; 圍巖; 錨桿; 襯砌

據(jù)統(tǒng)計[1]，截至2019年底，我國鐵路營業(yè)歷程達13.9×104 km。其中，投入運營的鐵路隧道16 084座，總長18 041 km。與往年相比，2019年新增開通運營線路鐵路隧道967座，總長1 710 km。其中，長度10 km以上的特長隧道27座，總長369 km;目前正在建設(shè)的隧道2 950座，總長6 419 km;規(guī)劃中的隧道6 395座，總長16 326 km[1]。已修建公路隧道19 067座，總長18 966.66×104 km，增加1 329座，總長173.05×104 km，其中其中特長隧道1 175座、521.75×104 km，長隧道4 784座、826.31×104 km[2]。鐵路和公路隧道的施工絕大部分是采用礦山法的。因此，礦山法隧道建設(shè)在工程中已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗，對隧道建設(shè)技術(shù)具有重大意義。從目前的情況來看，我國的鐵路、公路建設(shè)正處于一個新的高潮，礦山法在隧道中依然是重要的方法，不容替代。因此，認識和補充礦山法及其相關(guān)技術(shù)，仍然是隧道建設(shè)中不可缺少的環(huán)節(jié)，必須及時總結(jié)經(jīng)驗、完善不足、適應(yīng)發(fā)展的新要求。

從過往的工程實踐中看，在我國山區(qū)利用礦山法施工技術(shù)已經(jīng)積累了大量的隧道施工經(jīng)驗和教訓(xùn)，而且也得到了理論研究的證實。如今，礦山法已經(jīng)成為全地質(zhì)型的施工方法，不斷完善和發(fā)展。

本文從隧道施工的角度出發(fā)，重新整理思路，主要通過對圍巖和初期支護中的重要構(gòu)件（錨桿、襯砌）進行詳細介紹，探討解決礦山法中的實際問題，為提高隧道施工的技術(shù)水平提供思路，以滿足隧道工程快速發(fā)展的需求。

1 圍巖

隧道工程的一個重要力學(xué)特性就是：隧道是修筑在具有一定應(yīng)力履歷和一定應(yīng)力場的圍巖中的結(jié)構(gòu)物。圍巖是客觀存在，隧道開挖會影響坑道周邊圍巖的初始狀態(tài)，這是無法避免的?？梢哉f，保護圍巖是隧道施工中必不可少的環(huán)節(jié)，因此，認識和了解圍巖是解決隧道施工中問題的前提條件。正確地認識和判斷圍巖，包括圍巖的工程特性、圍巖的分級及分類、圍巖開挖后的動態(tài)、圍巖的評價方法等，是隧道建設(shè)的先決條件[2]。隧道施工技術(shù)的發(fā)展，離不開對圍巖的理論探索。

隧道是修筑在地下的線狀結(jié)構(gòu)物，從實際出發(fā)，其主要特征是由隧道周邊的地址環(huán)境和周邊圍巖的條件決定的[3]。因此，了解圍巖的工程特性是隧道建設(shè)中的重要環(huán)節(jié)。

圍巖的工程特性由以下幾個方面體現(xiàn)：

（1）在大多數(shù)情況下，圍巖是礦山法隧道結(jié)構(gòu)的主體。同時，圍巖具有自我支護能力，因此，在實際工程中采取適當(dāng)?shù)姆椒ūＷo圍巖，充分發(fā)揮圍巖的自我支護能力。比如，在堅硬圍巖中，宜使用不降低或者少降低圍巖自支護能力的方法，而在軟弱圍巖中，它的自支護能力比較弱，甚至沒有支護能力，因此，在軟弱圍巖中施工最主要的是保證它的自支護能力，使施工作業(yè)有序開展。

（2）圍巖也是隧道結(jié)構(gòu)主體的材料。其對礦山法隧道的施工具有特殊的、不容忽略的影響。這種材料與其他建筑材料，如鋼筋、混凝土、石材等不同，它受施工動態(tài)的影響具有很大的不確定性。同時，圍巖也是可以改造的。因此，在施工過程中必須進行實時監(jiān)控，及時采取可靠的支護方法和措施來保證圍巖的支護能力。

（3）從施工角度看，在隧道施工過程中，圍巖的力學(xué)狀態(tài)不斷地變化。降低開挖范圍，就有可能減少因分部過多而引起的圍巖內(nèi)力的變化和圍巖松弛。因此，在實際工程中，宜采取全斷面或大斷面分部的開挖方法。這也是礦山法隧道施工方法發(fā)展的主流趨勢。

2 錨桿

在我國隧道建設(shè)迅速發(fā)展的過程中，錨桿作為隧道支護構(gòu)件也得到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。錨桿是伸入圍巖內(nèi)部，阻止巖土體產(chǎn)生相對位移，利用圍巖自承載能力實現(xiàn)圍巖整體穩(wěn)定承擔(dān)隧道主動支護加強作用[6]。為了充分發(fā)揮錨桿的支護功效，有必要認識錨桿在隧道支護中的功能和如何提高錨桿的支護功能。同時，為了保證施工進度，錨桿宜采用標準化生產(chǎn)。

2.1 錨桿的功能

在實際工程中，錨桿應(yīng)用發(fā)展迅速，是僅次于噴混凝土的主要初期支護構(gòu)件。其功能是毋庸置疑的，錨桿既是初期支護構(gòu)件，也可作為永久支護使用[7]。錨桿在改良圍巖力學(xué)性能的同時，也可以控制圍巖松弛，改善圍巖自支護能力。錨桿可以發(fā)揮的作用有以下幾點：

（1）增強圍巖的連續(xù)性，提高圍巖的整體性，保證隧道的穩(wěn)定性。

（2）改善開挖后的圍巖力學(xué)性能，提高圍巖的抗剪強度，保證圍巖承載力。

（3）提供一定約束力，可以控制圍巖大變形的發(fā)生。

（4）可以對圍巖進行加固。

2.2 提高錨桿支護功能的措施

（1）重視錨桿質(zhì)量檢測。錨桿是隧道施工過程中保證圍巖穩(wěn)定性，保證施工安全的重要支護構(gòu)件。同時，隧道施工完成后，它也作為隧道的一部分長久存在。因此，在隧道施工中，錨桿的錨固質(zhì)量關(guān)系到隧道的安全性，保證和檢測錨桿的質(zhì)量是極其重要的。傳統(tǒng)的檢測方法是“拉拔法”和“鉆孔法”，這兩種方法具有簡單和直觀的有點，但是它們屬于有損檢測，受各種因素的制約，使得質(zhì)量檢測具有一定的局限性。隨著應(yīng)力波理論在巖土工程中的應(yīng)用，錨桿的無損檢測理論以及新的檢測方法應(yīng)運而生。國內(nèi)外學(xué)者通過大量的理論和實踐研究，提出了錨桿的無損檢測理論和實踐方法，大大提高了檢測效率，為保證錨桿質(zhì)量提供了新的依據(jù)。

（2）發(fā)展錨桿商品化。隨著我國隧道大量建設(shè)，機械化和標準化越來越重要。錨桿在隧道支護中發(fā)揮著重要作用，同時也影響著施工進度。隧道建設(shè)用的錨桿應(yīng)商品化、標準化。錨桿的商品化即把錨桿看作為一種商品，按需要的尺寸，就可以買來使用。在很多歐美國家，錨桿已經(jīng)實現(xiàn)了工廠化、商品化。而在我國，錨桿大多是就地取材制作而成，質(zhì)量不能完全保證，不能充分發(fā)揮其支護功能。因此，國家有必要制定相應(yīng)的行業(yè)標準或規(guī)定。根據(jù)隧道支護需求，明確錨桿的功能，實現(xiàn)標準化生產(chǎn)是十分必要的。

3 襯砌

襯砌與圍巖、噴混凝土、錨桿、鋼架等共同構(gòu)成隧道支護結(jié)構(gòu)[8]。隨著錨桿和噴混凝土技術(shù)的發(fā)展，隧道襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生的重大變化，由圍巖、初期支護、二次襯砌、防排水結(jié)構(gòu)等組成的復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)成為了我國礦山法隧道施工主要方法，被廣大技術(shù)人員廣泛地使用。復(fù)合式襯砌是由兩種不同類型的襯砌結(jié)合， 為了保證最終支護結(jié)構(gòu)達到預(yù)期效果， 首先使用錨噴修建支護， 然后再用混凝土模筑加固[9]。

在復(fù)合式襯砌隧道施工理論中，國內(nèi)外學(xué)者有兩種不同的意見。意見一：將圍巖和初期支護作為隧道的主要承載體，認為初期支護結(jié)構(gòu)對圍巖的穩(wěn)定起主導(dǎo)作用;意見二：把初期支護看作隧道的永久支護，認為二次襯砌僅發(fā)揮其安全儲備和保證隧道隧道耐久性的作用?？紤]到二次襯砌在隧道建設(shè)中的重要性，對二次襯砌的功能及作用和二次襯砌耐久性問題進行詳細闡述。

3.1 復(fù)合式支護結(jié)構(gòu)中襯砌的功能

現(xiàn)代隧道工程理念指出，復(fù)合式支護結(jié)構(gòu)是由圍巖、初期支護和二次襯砌構(gòu)成，初期支護可以維持圍巖的初步穩(wěn)定，二次襯砌則是作為安全儲備可以保證隧道的長期運營和耐久性。在隧道建設(shè)中，明確規(guī)定了二次襯砌的主要功能是：

（1）保證隧道正常使用的功能，如確保隧道具有必要的凈空斷面;較高的防水和耐火性功能;確保照明、通風(fēng)等輔助設(shè)施功能。

（2）確保隧道應(yīng)對不確定因素的功能，如構(gòu)造穩(wěn)定功能，防止圍巖劣化;變形性能保持功能，破壞前的變形較大，但不會發(fā)展到襯砌崩塌，即使遇到地震等不可預(yù)測的情況也具有保持變形的功能。

（3）在小埋深、膨脹性圍巖等特殊圍巖條件下具有支護的力學(xué)性能，如在隧道開挖過程中變形沒有收斂，給隧道必要的約束力。

3.2 保證襯砌的耐久性

在隧道建設(shè)中，襯砌的材料主要是混凝土或鋼筋混凝土。因此，其耐久性大多受混凝土的耐久性控制。實際上，襯砌的耐久性也取決于混凝土的施工工藝。也就是說，實際工程中嚴格把控施工工藝滿足混凝土的耐久性，進而確保隧道襯砌的耐久性。

目前，大多數(shù)隧道建設(shè)中的襯砌主要使用素混凝土和鋼筋混凝土。素混凝土襯砌耐久性問題是混凝土因化學(xué)物質(zhì)、凍害、堿-骨料反應(yīng)和結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)使素混凝土劣化。而鋼筋混凝土襯砌的劣化主要取決于鋼筋銹蝕的程度，鋼筋銹蝕是在水和氧氣條件下的電化學(xué)反應(yīng)，使襯砌的開裂、混凝土的碳化會進一步加快鋼筋銹蝕。

目前襯砌存在的主要問題有：①襯砌背后充填有空洞;②襯砌厚度不均勻;③襯砌初期開裂普遍存在;④防水質(zhì)量欠佳。這些缺陷是造成襯砌耐久性不足的重要原因。因此，提高混凝土施工技術(shù)、構(gòu)筑厚度均勻和填充密實的混凝土襯砌是隧道耐久性的保證。

從實際工程出發(fā)，提高襯砌耐久性的主要措施是：①嚴格按照施工工藝施工，保證混凝土的運輸、澆筑、搗固等作業(yè)環(huán)節(jié)符合規(guī)范要求;②控制混凝土的施工配合比，保證混凝土有良好的施工性能③選用纖維混凝土代替鋼筋混凝土;④提高施工管理、監(jiān)測水平，減少襯砌初始缺陷。

4 結(jié)束語

（1）圍巖是礦山法隧道中的結(jié)構(gòu)主體，大多數(shù)圍巖具有自支護能力。針對不良圍巖采取改進圍巖的方法，提高其支護能力。不同圍巖的動態(tài)特征特征略有不同，在施工過程中需監(jiān)測開挖后圍巖的動態(tài)變化，選擇合理的改善圍巖措施。

（2）充分認識錨桿的功能。重視錨桿在隧道施工中的質(zhì)量問題，采取更加合理的監(jiān)測方法和施工方法，提高錨桿在隧道中的支護功能。為保證施工進度和機械化施工，錨桿的商品化應(yīng)加速。

（3）二次襯砌可保證隧道長期運營和耐久性，充分認識襯砌的功能可加快隧道建設(shè)。保證混凝土的耐久性也就是保證了隧道襯砌的耐久性，在隧道建設(shè)中嚴格把控混凝土施工工藝，提高施工管理水平，增強隧道襯砌耐久性。

（4）提高施工技術(shù)和施工管理水平，減少對周邊環(huán)境和結(jié)構(gòu)物的影響，加快隧道建設(shè)。

參考文獻

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