浅谈隧道开挖支护

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

初期支护 围岩类型 衬砌长度 锚杆 Ф22长3.0m Ⅳ 485.446 （1.0×1.0m） Ф25长3.5m Ⅴ 390 (0.75×1.0m) 2.隧道开挖对围岩自承体系影响的基本理论

26cm 间距0.75m 18cm 距1.0m 20a号工字钢拱架喷砼 钢拱架 15×15格栅钢架间二次衬砌 拱圈 仰拱 40cm 40cm 45cm 50cm 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

锚杆直径围岩类别 （mm） Ⅴ类 Ф22 径（mm） 4.3 小钢管直长度（m） （cm） 40 锚杆 10 小钢管 环向间距外插角（°） 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

封闭工作面 机具设备检 修 拌浆 是 压水 是 检准备工作 安设小导管 连接管路 及封闭孔口 查达 否 否 到制作小导管 钻孔 要 3.2、留核心土及喷射混凝土方法 3.2.1留核心土方法

求 注浆 压力流量达到要求 结束 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。