隧道復合式襯砌初期支護技術研究與應用

駱秋林

（身份證號：500101198408108258 四川省成都市 611730）

前言

復合式襯砌是用錨噴支護作初期支護，模筑混凝土做二次襯砌的一種組合襯砌。即由兩種襯砌復合而成，初期支護與模筑混凝土間設置聚乙烯排水板，從而達到支護、排水目的的襯砌類型。在隧道施工過程中，快速完成初期支護是保證隧道開挖安全的最經濟、最有效手段，也是復合式襯砌能否達到支護目的的重要部分。初期支護的質量，是復合式襯砌能否協調受力支撐的關鍵，研究一種新型的施工工藝，保證初支質量，以滿足隧道施工進度、質量及安全的要求。

1 工程概況

紅土嶺隧道位于河南省南陽市內鄉縣湍東鎮境內。全長2995m，其中Ⅲ級圍巖2310m、Ⅳ級圍巖470m、Ⅴ級圍巖215m（含70m明洞段和145m洞身段）。隧道采用單洞雙線形式，內設人字坡，隧道全段均處于直線上。隧道位于剝蝕丘陵區，相對高差180～280m左右，隧道最大埋深204m，大部分基巖裸露，局部地段有殘破積土層分布。

2 工程特點及施工難點

紅土嶺隧道含Ⅲ級圍巖、Ⅳ級圍巖、Ⅴ級圍巖。其開挖方法如下：

隧道Ⅲ級圍巖一般地質段采用全斷面法開挖。

隧道Ⅲ級圍巖特殊地質段、Ⅳ級圍巖開挖采用臺階法，開挖時上下臺階間隔長度根據現場施工情況控制，一般情況下上臺階留置長度為3～10m，初支仰拱緊跟下臺階快速封閉成環，仰拱距掌子面極限距離按1倍洞徑（11m）控制。

隧道Ⅲ級圍巖特殊地質段、Ⅳ級圍巖一般地質段開挖采用三臺階法開挖。開挖時臺階間隔長度根據現場施工情況控制，一般情況下上臺階留置長度為3～5m，中臺階長度為10～17m，仰拱初支緊跟下臺階快速封閉成環，仰拱距掌子面極限距離按2倍洞徑（22m）控制。

隧道Ⅴ級圍巖地質段采用三臺階臨時橫撐法開挖。采用三臺階臨時橫撐法開挖需滿足的條件：①先期施工地段噴混凝土及地表無裂縫，監控量測判定周邊圍巖穩定；②超前地質預報顯示前方地質條件相對較好（Ⅴ級圍巖），且地下水不發育；③采用濕噴機械手快速封閉開挖面。

長期以來，在隧道臺階法初支施工過程中，由于各種原因，導致臺階位置拱腳施工易存在初支拱腳噴射混凝土下面與渣土粘結、鋼拱架安裝不標準等質量缺陷。

3 初期支護技術參數

3.1 初支質量要求

邊墻基底無虛渣雜物及淤泥；結構平整度：2m靠尺邊墻允許35mm，拱部50mm；噴射混凝土表面應平順，無裂縫及掉渣現象。

3.2 初期支護參數

（1）初期支護由格柵鋼架、鋼筋網片、錨桿與噴射混凝土形成支撐體系，是隧道的主要承載結構，是施工安全的重要保障。初期支護的格柵鋼架、鋼筋網片、錨桿及噴射混凝土相關參數見表1～2。

（2）格柵鋼架各分節及相關連接部件、鋼筋網片、砂漿錨桿、中空組合錨桿的組裝等在鋼筋加工廠加工制作，格柵鋼架要在水泥地面進行試拼。

（3）格柵鋼架主要由四根 φ20、φ22主筋和 φ14、φ10、φ8鋼筋制成。隧道各部開挖完成初噴掛網后，分單元及時安裝格柵鋼架，采用定位系筋、徑向錨桿以及雙側鎖腳錨管固定，縱向采用φ22鋼筋連接，然后復噴混凝土到設計厚度。

（4）支護必須在隧道開挖后及時進行施作。

表1 雙線隧道初期支護參數表

3.3 工藝流程

初期支護施工工藝流程：施工準備→欠挖處理→初噴混凝土→測量格柵鋼架位置→清除拱腳底浮碴→安裝格柵鋼架、鋼筋網→安裝縱向連接筋→錨桿固定、打鎖腳錨管→噴混凝土→混凝土養護→結束。

4 施工方法研究與應用

4.1 需解決的問題

表2 格柵鋼架參數表

長期以來，在隧道臺階法初支施工過程中，由于各種原因，導致臺階位置拱腳施工存在如下質量缺陷：

（1）初支拱腳噴射混凝土下面與渣土粘結。下臺階開挖后，拱腳噴射混凝土下面粘結的渣土清除不干凈，存有虛渣，形成兩次噴射混凝土結合不緊密，后續噴射混凝土與前期噴射混凝土間軟弱夾層的質量問題。

（2）鋼拱架安裝不標準。第一次安裝的拱架單元不垂直，后續安裝的拱架單元為保證拱架間距向另一方向傾斜，不僅造成連接板連接不密貼，連接變弱，而且拱架安裝成折線，不利于鋼拱架受力。

（3）在噴射拱架部位混凝土時，未充分考慮鋼筋影響，拱架部位噴射混凝土空洞較多。

為解決以上質量缺陷問題，確保施工質量，試驗效果基本達到了預防拱腳虛渣，連接板連接不密貼以及鋼架內空洞等問題，現場總結了“拱腳隔板隔離法”。

4.2 拱腳隔板隔離法工藝

“拱腳隔板隔離法”相關施工藝一次分別為：施工準備、隔板加工、鋼架安裝、隔板安裝、初支混凝土噴射施工、隔板拆除。

（1）施工準備：給技術人員交底，明確各種參數及目的。

（2）隔板加工

①根據不同格柵鋼架型號，制作不同尺寸的隔板。以H230型格柵鋼架為例，實物圖見圖1。

②隔板材料采用厚度為10mm以上鋼板，確保其剛度滿足重復使用要求。隔板長為格柵鋼架設計間距，寬為噴錨厚度加50mm（外加寬度保證抽取時利于敲擊抽取）。另外，為便于抽取，在隔板背側加焊可以轉動的拉手（拉手能轉動，便于方便埋設隔板用）。

（3）鋼架安裝

鋼架安裝時，在拱架拱頂中心位置吊垂球，測量兩側拱腳到中線距離要相等、吊垂球一側拱架兩支鋼筋與垂線保證在同一面上，確保鋼架垂直度和位置滿足設計要求。

（4）隔板安裝

安裝隔板前，先在格柵鋼架拱腳兩側連接鋼板上方鋪8～10cm高洞渣作為找平層墊實隔板（厚度滿足下方連接鋼板螺栓能夠順利穿入），相鄰鋼架隔板兩端底部必須全部墊實牢固并保證在同一水平面，隔板就位把提環翻下并防護。

隔板安裝完成后，其表面用抹布擦干凈，保證無泥土。

（5）初支混凝土噴射施工

開始噴射混凝土時，從隔離板開始由下向上逐步，噴頭下傾角控制在500～600之間，待拱腳鋼板連接處噴密實后，再噴射上部混凝土，此時控制噴頭垂直于巖面，噴頭距巖面距離控制在80～100cm左右。總體上控制噴射順序為自下而上，每層控制在40～50cm左右，最后噴射施工拱架連接處，此時控制噴頭外傾角在300～450之間。噴射混凝土完成后，立即清除拱腳和隔板50mm寬處回彈料。

（6）隔板拆除

下循環臺階開挖后，人工手錘敲擊隔板外露部分，待隔板松動后，拉動提手，將隔板抽出后再重復使用。

（7）注意事項

①隔板安裝后，必須將隔板表面覆土擦干凈，否則會在混凝土表面粘結虛土渣，影響隔離效果。

②必須嚴格控制鋼架垂直度和位置，否則鋼架成折線形，連接板張嘴，影響連接板連接接密貼。

③加強對濕噴手的培訓，嚴格控制噴射施工順序及噴頭角度，否則將影響初支混凝土尤其是拱腳、拱架內、與既有混凝土連接等部位的密實度。

④隔板在鋼架外側下墊設高度，應能滿足連接板處螺栓的順利擰緊作業。墊塊最好采用預制定型塊，徹底隔絕洞渣。

⑤鋼架和掌子面間距離應為格柵鋼架間距的1/2。一為隔板通用，二可以避免噴射混凝土與渣土粘結，形成豎向虛渣縫。

⑥隔板厚度應至少保證不低于1cm，以保證隔板剛度滿足重復利用要求。

⑦隔板加工制作盡量采用等離子切割機自動切割，以保證隔板加工精度。

⑧隔板從工作面抽出后，要及時清除其表面雜物，以利于下次重復使用。

5 使用成果

經現場檢查，采用此方法施工后，拱腳連接外觀密實，邊墻基底無虛渣雜物及淤泥，未出現粘結虛渣現象；臺階處鋼板連接密貼，不再出現通過在連接鋼板處加焊鋼筋（鋼板）來調節垂直度的現象；鋼架內未出現空洞，混凝土較為密實；噴射混凝土表面應平順，無裂縫及掉渣現象。

6 結語

在隧道臺階法初支施工過程中，由于各種原因，導致臺階位置拱腳施工易存在初支拱腳噴射混凝土下面與渣土粘結、鋼拱架安裝不標準等質量缺陷，成功總結了隧道復合式襯砌初期支護技術并得以推廣應用，較好的解決了拱腳粘結虛渣現象、格柵鋼架臺階處鋼板連接不密貼，鋼架內未出現空洞的技術質量難題。可廣泛應用于相關襯砌施工中，也給類似工程提供了技術依據。