特殊地質條件下隧道工程高性能支護體系

趙勇，劉大剛

（1.川藏鐵路有限公司，西藏 拉薩850000；2.西南交通大學 土木工程學院，四川 成都610031；3.西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室，四川 成都610031）

0 引言

隧道支護結構的設計是隧道建造的一個重要環節，對于隧道安全、高質、快速修建意義重大［1］。通過大量工程實踐及科學研究證明，隧道支護主要有四方面的作用，即保持隧道斷面的使用凈空、防止隧道圍巖質量進一步劣化、承受可能出現的各種荷載、使隧道支護結構體系具有足夠的安全度［2-4］。因此，任何一種類型的隧道支護都應具有與上述作用相適應的構造、力學特性和施工的可能性。由于隧道開挖，對圍巖產生擾動，進而導致圍巖變形，為確保隧道圍巖穩定性，需構建系統的隧道支護體系［5-6］。

隨著隧道工程建設規模的不斷擴大，結合各國圍巖、環境等實際情況，通過大量工程實踐經驗及技術積累，形成有各具特色的隧道支護體系，目前主要有基于新奧法（New Austrian Tunnelling Method，NATM）、挪威法（Norwegian Method of Tunneling，NMT）、巖土變形控制分析法（ADECO-RS）設計理念建立起來的相關隧道支護體系。從新奧法、挪威法及巖土變形控制分析法的發展歷程可知，挪威法和巖土變形控制分析法均是以新奧法為基礎，再經過各國自身地質及工程特性發展演變而來。各種設計理念除具有新奧法特性之外，均具有自身的側重點，如挪威法強調錨噴一次支護（單層襯砌）作為永久支護，濕噴鋼纖維混凝土及新型耐久性CT錨桿為主要的隧道支護手段；巖土變形控制分析法則強調超前核心土的重要作用，認為超前核心土的變形是導致隧道所有變形真正起因，且能夠決定隧道長期和短期的穩定性。

現階段我國隧道支護施工，從施工理念及實施方式看，隧道修建仍普遍以新奧法為主，為世界上采用新奧法理念修建隧道工程最多的國家［7］。但目前我國即將全面開工建設的川藏鐵路隧道中可能出現大量高地應力巖爆、高地應力軟巖大變形、高地溫、深大活動斷裂等不良地質問題［6］，與常規條件的隧道建造相比，地質環境更為復雜、自然環境更為惡劣。導致特殊地質隧道支護設計及施工更為艱難，支護設計及施工面臨巨大挑戰。總結現有研究成果及國內外相關工程經驗，結合川藏鐵路隧道支護設計難題，從支護材料及支護構件性能等多方面闡述特殊地質條件下隧道支護結構設計相關內容，旨在為川藏鐵路隧道的修建提供技術參考。

1 川藏鐵路主要不良地質條件

川藏鐵路全長1 570 km，由成雅（已運營）、雅林（新建）、拉林（在建）3段組成，線路“跨七江穿八山、七上八下”，工程環境具有“顯著的地形高差、強烈的板塊活動、頻發的山地災害、敏感的生態環境”等特點，是“迄今為止人類歷史上最具挑戰性的鐵路工程”。其中，雅林段新建線路長1 011 km，隧道共計72座、837 km，占線路總長83%，單體最長隧道易貢隧道長約42.4 km，為當前我國鐵路最長隧道工程。

受印度板塊對歐亞板塊碰撞擠壓作用影響，川藏鐵路沿線新構造運動強烈，構造應力場復雜，地應力值相對較高，在高原與盆地過渡地帶發育有多條活動斷裂帶，為中強地震多發區。地熱和巖溶等不良地質也較為發育，對鐵路建設及運營造成影響。

川藏鐵路全線隧線比較高，深埋隧道內地應力值較高，且地下水滲透壓力大，加之活動斷裂帶、地震、地熱等眾多不良地質極其發育，在施工過程中極易出現高地溫、突水突泥、塌方冒頂、軟巖大變形與硬巖巖爆等工程地質問題［8］。

為適應復雜的地質環境及惡劣的自然環境，特殊地質條件下隧道支護施工應結合環境實際，選擇有針對性的支護類型及其施工作業方式，以滿足支護合理、質量可靠、施作高效的預設目標。

經歸納分析，特殊地質條件下隧道支護應滿足“三個適配”的特點，具體如下：

（1）支護應能與地質環境相適配，以滿足支護安全及耐久性的需求。特殊地質條件下隧道地質環境復雜，因此，隧道支護應結合地質環境實際，采用與之適配的支護類型以滿足支護安全及耐久性需求。

對于一般地質環境，可采用一般性能的支護構件及其組合類型即可滿足支護功能需要。對于特殊地質環境，如軟弱破碎地層、高地應力環境等，應采用高性能的支護材料或構件，如早高強噴混凝土、高剛度噴射混凝土、纖維噴混凝土、自進式錨桿、預應力錨桿、大變形錨桿（索）等，充分利用材料的性能優勢提升支護對環境的適應能力；同時還應充分發揮支護的作用效能，改善圍巖受力狀態及其物理力學性能，以調動和發揮圍巖的自支護能力，使圍巖真正起到主體承載作用，以保證該環境下的支護功能需求。

（2）支護應能與作業方式相適配，以滿足支護快速施工的需求。為適應特殊地質條件下的惡劣自然環境，降低施工人員勞動強度，大型機械化作業成為特殊地質條件下隧道施工的必然選擇。

但需要指出的是，隧道支護施工工效不僅與作業方式相關，還與支護構件的機械化作業適配能力緊密相關。因此，為滿足支護快速施工的需求，在安全支護的前提下，應盡量選用與機械化作業相適配的支護構件及其組合形式，且盡可能地降低支護類型中構件的多樣性，使作業工序化繁為簡，提升支護施工工效成為可能。挪威法所采用的支護類型及其構件形式，即是其施工工效大幅提升的根本保障。

（3）支護應能與投資預算相適配，以滿足支護經濟性能的需求。在確保安全支護的前提下，應充分發揮支護構件的靈活性特點，依據地質環境動態變化實際，及時調整支護構件參數（如錨桿直徑、間距、長度等）；此外，還應注重支護作業的施工工藝，減少因工藝缺陷所造成的經濟浪費。

總之，特殊地質條件下隧道支護施工應實現安全、快速、經濟的綜合預期目標，需要在結合特殊地質條件下隧道支護施工特點的基礎上，充分吸收國內外現有先進技術成果和經驗，并積極探索和創新，確保特殊地質條件下隧道支護順利實施，提升特殊地質條件下隧道支護整體技術水平。

2 國內外特殊地質隧道支護體系現狀

2.1 國外隧道支護體系

國外隧道支護施工，從實施理念及實施方式逐漸形成了新奧法、挪威法和巖土變形控制分析法等隧道支護設計體系。

2.1.1 新奧法

新奧法由奧地利學者拉布西維茨（L Rabcewicz）于20世紀50年代初期創建、并于1963年正式命名［9］，其后在奧地利、美國和日本等多個國家得以迅速發展，已成為世界各國公認的一種隧道與地下工程建造原理。

新奧法是應用巖體力學理論，以維護和利用圍巖的自承能力為基點，采用錨桿和噴混凝土為主要支護手段，及時對圍巖進行支護，控制圍巖松弛和變形，使圍巖成為支護結構體系的組成部分，并通過對圍巖和支護的量測、監控來指導隧道工程設計施工的方法和原則。因此，噴混凝土、錨桿和量測也稱為新奧法的3個基本要素。

新奧法的特點及優勢主要體現在以下幾個方面：

（1）適用范圍廣：適用于所有采用礦山法施工的隧道，以及不同使用功能和斷面形狀的隧道。

（2）地層適應能力強：無論是硬巖還是軟巖，富水地層還是干燥地層，高地應力還是構造斷裂帶，均可采用新奧法原理進行隧道設計和施工。

（3）作業靈活：易于采用各種輔助支護措施，使用各種靈活的機械設備。

（4）利于施工安全控制：通過對變形和應力重分布的監測，以便采取必要的預防措施。

（5）較好的經濟性：充分利用圍巖自身的承載能力，允許應力釋放和調整，使支護措施適當而又不過度，支護總成本較低。

2.1.2 挪威法

挪威法是以挪威、瑞典等國家為代表的北歐地區隧道支護設計和施工方法［10］。截至目前，該法已在數千座隧道中得以成功應用。

挪威法由圍巖評價、合理支護參數和高性能支護材料三部分組成，圍巖評價主要采用Q系統即巴頓法（N Borton）進行圍巖分級，合理支護參數主要通過施工觀測和量測記錄所求出的Q值進行選擇，高性能支護材料主要采用高質量的纖維噴混凝土和全長膠結型高拉應力耐腐蝕錨桿等。

挪威法以纖維噴混凝土和錨桿作為主要支護方式，施工方式以機械化快速施工為主，要求開挖后以最短時間進行支護，從而減少圍巖變形發生。挪威法隧道支護類型及參數的選擇見圖1。纖維噴混凝土與鋼筋網噴混凝土效果對比見圖2。

圖1 基于Q值的支護類型選擇

圖2 纖維噴混凝土與鋼筋網噴混凝土效果對比

挪威法采用的錨桿類型有多種，有臨時錨桿、纖維錨桿和永久錨桿，其中永久錨桿必須有防腐措施，為此開發了多層防腐巖石錨桿（防腐措施包括鍍鋅、環氧涂層、內部灌漿層、PVC套管、外部灌漿層等），被稱為CT錨桿（見圖3）。且在不穩定圍巖情況下，挪威法先通過機械手噴射快速形成纖維噴混凝土支護拱，然后施作鋼筋網噴混凝土加勁環對纖維噴混凝土支護拱進行加固（見圖4）。這種加固效果被認為優于傳統的鋼支撐，且不會大幅增加錨桿用量。近年來，高壓（5～10 MPa）預注漿成為挪威法控制圍巖滲水、涌水和加固破碎圍巖的一種標準方法。通過高壓預注漿，巖體條件總體得到很大改善，從而大大減小超挖，并且減少了永久性支護的需求（見圖5）。

挪威法的特點及優勢主要體現在以下幾個方面：

（1）提高施工效率。由于挪威法不掛網、不設鋼支撐、不澆筑二次襯砌，因此施工時間大幅縮短，施工最佳進度可達1 176 m/月。

（2）節約施工成本。每延米4 000～8 000美元（斷面面積為45～110 m2），價格僅為新奧法的1/5～1/2；高壓注漿的情況下每延米費用約提高20%。

（3）施工更安全。新奧法安裝鋼筋網、鋼支撐時機械化程度較低，工人直接面對未支護的圍巖，危險程度很高；挪威法依靠噴纖維混凝土和錨桿，兩種構件均可采用全機械化施工，工人遠離掌子面，因此被認為更加安全。

（4）環保更有利。采用新奧法原理施工時隧道水泥、砂石等的用量是挪威法的3～5倍，這些建筑材料都是CO2排放的主要來源，因此挪威法建造方式更加綠色環保。

2.1.3 巖土變形控制分析法

巖土變形控制分析法是20世紀70年代中期由意大利學者Pietro Lunardi提出的一種隧道施工方法［11］。該法以圍巖壓力拱理論和新奧法理論為基礎，核心思想是把超前核心土視作一種新的隧道穩定工具，通過調節掌子面-超前核心土剛度和強度控制隧道變形（包括擠出變形、預收斂及收斂變形），確保隧道的穩定性（見圖6）。該法已在意大利、羅馬等歐洲許多國家隧道工程建設中得以廣泛應用。

巖土變形控制分析法將掌子面-超前核心土的穩定性作為隧道變形的控制依據，并將其劃分為3個類別：即A類（穩定）、B類（短期穩定）和C類（不穩定），據此指導支護方式的選擇與設計，具體見表1。

表1 巖土變形控制分析法隧道掌子面穩定性判別及其支護方式

巖土變形控制分析法采用的支護構件主要包括超前管棚、超前小導管、機械預切槽、掌子面噴混凝土、掌子面錨桿等超前及掌子面支護構件，以及錨桿、噴混凝土、仰拱等洞身支護構件，其中超前及掌子面支護構件的應用是該法支護施工的重點。在軟弱破碎及富水地層，為保證圍巖開挖的穩定性，注漿、排水等支護輔助措施同樣得到重視。

不同掌子面-超前核心土穩定級別條件下的支護措施見表2。

表2 巖土變形控制分析法支護措施選取

巖土變形控制分析法隧道支護施工主要采用全斷面開挖、大型機械化作業方式進行實施（見圖7），以盡量減少或控制圍巖變形發生。

圖7 巖土變形控制分析法超前支護施工

巖土變形控制分析法特點及優勢主要體現在以下幾個方面：

（1）可實現各種地層全斷面開挖：有利于現場施工管理及組織實施，且可減少臺階法或多分部開挖法所需的施工階段。

（2）施工更加安全：各種地層條件均可采用機械化作業，減少施工風險。

（3）提升施工效率：具有良好的施工工效，且持續、穩定。

2.2 我國隧道支護體系

現階段我國隧道支護施工，從施工理念及實施方式看，仍普遍以新奧法為主，支護結構類型主要采用復合式襯砌結構，支護構件包括各種超前及掌子面支護、洞身支護構件等；從作業方式看，仍普遍以小型機械、單工序大型機械施工為主，總體機械化水平不高。因此，高質支護、高效施工仍是困擾我國隧道支護施工的主要問題。

但需要指出的是，隨著“中國制造2025”國家戰略的提出，我國隧道施工裝備制造水平取得了迅猛的發展。截至目前，我國已自主研制有涵蓋超前及掌子面支護、初期支護、二次襯砌等各作業工序的全系列施工裝備產品，為我國隧道大型機械化施工提供了良好的硬件條件。此外，在充分吸收國外現有先進隧道施工理念的基礎上，結合我國隧道修建現狀，也逐漸形成了順應我國隧道大型機械化施工潮流的支護施工技術。下面即以典型工程實例進行簡要說明。

（1）鄭萬鐵路湖北段隧道大型機械化施工。鄭萬鐵路湖北段隧道工程總長167.6 km，均為單洞雙線隧道，隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比約67.4%，建設過程中共在39個工區開展全工序大型機械化配套施工。采用的施工裝備涵蓋超前支護、開挖、初期支護、二次襯砌各個作業區，裝備類型包括注漿臺車、三臂鑿巖臺車、混凝土濕噴臺車、錨桿鉆注一體機、鋼架安裝臺車、防水板鋪設及鋼筋綁扎臺架、自動養護臺車等多種典型裝備。

（2）蘭渝鐵路桃樹坪隧道巖土變形控制分析法施工。蘭渝鐵路桃樹坪隧道全長約3.2 km，為單洞雙線隧道。隧道地形起伏較大，最小埋深僅為6 m，沿線多處穿越淺埋溝谷、既有道路及建筑物，周邊環境復雜，圍巖巖性主要為砂質黃土、細圓礫土，地下水發育，圍巖自穩性極差。

隧道原方案采用CRD法施工，施工中出現掌子面突泥涌砂、支護開裂等現象，嚴重危及人員安全。后期引進巖土變形控制分析法進行施工，利用水平旋噴鉆機、高壓泵站等專業設備及配套技術，采用掌子面玻璃纖維錨桿、超前水平旋噴帷幕及鎖腳旋噴樁等綜合支護措施加固圍巖（見圖8），實踐表明，采用40～50 MPa的旋噴壓力成樁效果良好，樁徑可達60～80 cm，最終實現了隧道大斷面半機械化開挖，有效控制了支護變形，保證了支護施工的安全性。

圖8 蘭渝鐵路桃樹坪隧道超前及掌子面支護

從發展來看，我國隧道支護施工理念逐漸由掌子面、洞身分區域圍巖穩定性控制向掌子面+洞身三維空間圍巖整體穩定性控制轉變，而施工方式則逐漸由單工序機械化向全工序機械化、信息化乃至機群協同智能化作業方式發展（見圖9）。中國國家鐵路集團有限公司也積極開展相關課題立項研究，由武九鐵路客運專線湖北有限責任公司牽頭，聯合西南交通大學等多家科研、設計及施工單位，針對隧道智能化建造相關技術開展系統深入研究。

圖9 隧道各工序機群協同智能作業示意圖

3 主要高性能支護構件及相關施工技術

3.1 噴射混凝土

3.1.1 早高強噴射混凝土

對于早高強噴混凝土的理解，首先需要清楚其“早高”的具體含義?；炷列阅茈S齡期增長，普通模筑混凝土以1、3、7 d時間段的性能稱為早期性能，對于噴混凝土，目前我國對其早期強度的要求一般以1 d齡期為基準，多為5～10 MPa，并未對24 h內特定時間點的強度進行明確。在特定的工程環境下，噴混凝土需要具備更高的24 h強度，并且24 h之內的小時強度也能夠持續提升，在我國JGJ/T 372—2016《噴混凝土應用技術規程》中就對軟弱圍巖及淺埋隧道地下工程提出了噴混凝土3 h強度不應小于2 MPa的要求。

對于噴混凝土早期強度的提升影響因素眾多，除水膠比、外加劑、活性摻合料的種類及摻量等影響因素之外，作業環境溫度條件對早高強噴混凝土的早期強度發展影響尤為顯著［12］。經過大量研究表明，影響噴混凝土早期強度（1 d前含1 d）的因子為：水膠比、密實性、環境溫度、早強劑、速凝劑、外摻料；影響噴混凝土后期強度（28 d）的因子為：水膠比、密實性、速凝劑、外摻料。

因此，對于早高強噴混凝土而言，需要因時制宜，在實施過程中不能全程依靠同一個配合比，原材料亦需要進行適當調整。根據季節變換將施工分夏季和冬季施工，并執行不同的原材料和配合比方案。在環境溫度較低（氣溫低于10℃）情況下，對于24 h以內的噴射早齡期強度提升不易，還應采取額外的溫度控制（原材料保溫、加熱，隧道洞室內升溫等）及其他措施。早高強噴混凝土可采用以下技術措施實現：

（1）采用低水膠比。通過采用低水膠比提高基準強度，在提升后期絕對強度的同時，提高早期強度。

適宜的水膠比宜為0.38～0.45，冬季配比的水膠比宜為0.38～0.42，夏季配比的水膠比宜為0.42～0.45。

（2）添加外摻料或早強摻合料。宜采用硅粉、復合型早強外摻料以及早強劑。其中，粉煤灰不利于早期強度的提高，不宜更多采用。也可采用其他對早期強度提升的材料或產品，但需要通過試驗驗證，符合要求后才能予以采用。

（3）選用早強型無堿液體速凝劑?？筛鶕こ糖闆r，選用特定的早強型無堿液態速凝劑產品，可聯系有相關研發經驗的速凝劑生產廠家，根據現場地材情況進行定制化產品的研發和生產，加入適量早強組分，對配方進行優化調整，以滿足相應的技術需求。

（4）根據環境溫度調整措施。環境溫度低于10℃時，應及時啟動冬季配比和冬季施工措施。冬季配比可采用提升膠材總用量和更低的水膠比，適當提高純水泥用量。

3.1.2 纖維噴射混凝土

纖維材料是一種具有悠久歷史的混凝土增強材料，在現代混凝土技術中仍具有舉足輕重的地位。通過提高混凝土基體的抗拉強度、變形能力、阻止原有缺陷擴展并延緩新裂縫形成，纖維改善了混凝土的韌性、抗沖擊性以及其他性能，具有良好的技術經濟性，因此纖維混凝土受到了廣泛的應用。在隧道與地下工程領域，纖維材料主要用于噴射混凝土和襯砌管片，其中以纖維噴混凝土（FRSC）的應用最多，影響最大。纖維噴混凝土是在噴射混凝土的基礎上，通過摻入均勻散布的鋼纖維、非鋼纖維或混雜纖維所形成，在工藝上具備了噴混凝土的機動靈活，無模板支護的特點，在材料性能上，與普通噴混凝土相比，又具有良好的抗剪切性能和彎曲韌性，纖維在噴射混凝土中主要起到增強、增韌和阻裂的作用。

國際隧道和地下空間協會（ITA）第12工作組在總結各國噴混凝土應用的基礎上提出相關報告，特別強調纖維噴混凝土的應用，對澳大利亞、巴西、比利時、加拿大、意大利、日本、韓國、南非和挪威等國的工程應用進行概述，并予以肯定。纖維噴混凝土成功應用能夠充分說明，用纖維代替金屬網是可行且有效的方法。纖維補強與正常的金屬網（通常為5～7 kg/m2、100～150 mm的網格）相比，具有巨大優勢，尤其是采用濕噴法時，有可能超越金屬網失效能量和實際承載能力，同時，可以避免不密實、腐蝕、安裝困難和耗時等問題。由于纖維補強的優勢，其應用越來越廣泛，但仍然有許多國家采用金屬網補強。研究及實際應用表明，合適的纖維補強材料可以取代普通的焊接金屬網。纖維噴混凝土將是今后初期支護采用的主要構件之一，應該嘗試用纖維代替金屬網，以簡化作業程序，提高噴混凝土噴射速度和質量。

纖維噴混凝土性能優越，但前提條件是該技術需得到正確的應用和處置。纖維噴混凝土整體性能的提升，需要基于噴混凝土本身就具備良好的性能和品質。這是因為噴混凝土性能形成與射流成型時的密實程度高度關聯，需要確保高施工性，一旦密實度不佳，導致性能下降，其纖維增強的作用也將大打折扣，甚至成為阻礙。此外，纖維并不能大幅提升噴混凝土的抗壓強度，對其耐久性提升也主要依靠活性礦物外摻料和特定外加劑的使用。

因此，纖維噴混凝土技術必須建立在噴混凝土指標體系基礎上，需要高度適應其技術和工藝特點，并正確地進行應用，才能附加和體現出纖維的技術特征和性能優勢。

不同種類纖維的力學性能有很大差異，即抗拉強度、彈性模量和斷裂伸長率的不同，因此不同種類的纖維摻入混凝土后其性能也有很大不同。在隧道、隧洞和地下工程中，鋼纖維噴混凝土可應用于下列情況：

（1）隧道、隧洞和地下工程的單層襯砌；

（2）下列情形的圍巖初期支護：①高地應力易發生較大塑性變形的軟弱圍巖和膨脹性圍巖的控制變形措施；②破碎圍巖情況下防止巖塊坍落；③高地應力引起巖爆的防護措施；

（3）修補裂損襯砌，加固既有襯砌結構；

（4）用明挖法修建地下工程的邊坡支護結構。

3.1.3 噴射混凝土施工技術

噴射混凝土現已進入機械化時代，機械裝備程度已大幅度提高，與人工噴射相比，在效率、安全、品質、控制效果上具有獨特優勢，但不同單位之間機械化施工技術水平卻參差不齊，在噴混凝土質量、成本控制和作業效率，特別是圍巖變形控制等關鍵考核指標存在較大差異，亟待提高噴射混凝土機械化施工技術水平。若要實現噴射混凝土機械化施工技術的廣泛推廣，則需滿足以下要求：

（1）信息化管理。在機械化作業條件下，應當運用信息化方式和手段對噴射混凝土各環節（如拌合站備料、罐車運輸、噴射作業準備等）進行管理，使得各環節之間實現無縫銜接，提高綜合效率。

（2）合理安排相關工序的交叉與平行作業。濕噴工藝與機械化作業條件下，作業環境和空間條件與傳統人工作業具有很大差異，可以優化施工組織安排，實現相關工序的交叉和平行作業。

（3）加強班組建設。在目前的機械化時代（而非智能化時代），噴射手技能是影響噴混凝土品質、效率、成本的關鍵，應摒除人工作業時代的傳統觀念，以“工匠精神”強化專業噴射班組建設，提倡工序專業分包，以人機協同充分挖掘潛能。

（4）以試驗室為龍頭構建質量管控體系。噴射混凝土機械化作業應以高品質噴混凝土為目標，充分發揮噴混凝土支護構件在支護體系中的作用，確保安全質量。項目部混凝土試驗室在質量管控體系中具有重要作用，應根據地材、環境、作業過程的變化動態調整相關參數，保障拌合物工作性在噴射作業時滿足高品質噴混凝土的要求。

3.1.4 施工裝備

研發的噴射混凝土施工裝備主要包括單臂、雙臂等噴射機，裝備通過搭載智能噴射控制系統和三維激光掃描系統，可實現隧道3D輪廓掃描、噴射方量自動計算、自動分區、自動規劃噴射路徑、自動噴射、自動生成施工日志等功能，有效管控噴混作業質量（見圖10）。實踐表明，噴射機單臂噴射能力一般為15～32 m3/h，雙臂工效還會進一步提升。

圖10 智能型噴射混凝土施工裝備及控制系統

3.1.5 工程案例

蘭渝鐵路木寨嶺隧道，全長19.06 km，位于甘肅省定西市漳縣與岷縣交界處、青藏高原隆升區邊緣。隧道最大埋深715 m，最小埋深約30 m。受多期構造影響，區域斷裂、褶皺發育，海拔高，地勢起伏大，初始地應力復雜，實測水平地應力最大為27.16 MPa，巖石強度應力比為0.49，處于極高地應力狀態。木寨嶺隧道是全線地質條件最差的隧道，具有極高地應力和極低圍巖應力，施工難度大、為極高風險隧道，是蘭渝鐵路控制性重難點工程，也是當時全國鐵路最為高風險的隧道。

在大莊溝斜井采用中國鐵道科學研究院集團有限公司C30早高強噴射混凝土技術成果替代原C25普通混凝土（見圖11），支護厚度為25 cm，其余支護參數不變，進行與套拱段支護效益和經濟性的對比。通過對2個試驗段的觀測和對比發現，早高強噴混凝土技術能夠有效遏制早期變形發展，與普通噴射混凝土段支護效果對比見圖12。

圖11 木寨嶺隧道大莊溝斜井進口

圖12 早高強噴射混凝土與普通噴射混凝土支護效果對比

木寨嶺隧道工程實踐表明：大變形難以避免，但通過優化支護參數，適當提升支護剛度，有利于控制變形，促使支護-圍巖結構更早地穩定。早高強噴射混凝土具備更高的早期性能，在聯合鋼支撐及其他支護構件時，使得整體支護效果更好。此外，支護方案不僅要在技術上可行，在經濟上更需要合理。早高強噴射混凝土提高了噴層的性能和質量，與套拱支護段相比，可將初期支護一次施作到位，簡化工序，避免拆換，經濟效益顯著。

3.2 錨桿（索）

隧道工程中常用的普通砂漿錨桿和普通注漿錨桿從受力機理來看屬于被動支護錨桿的系列，即只有在圍巖發生一定變形，注漿固結達到一定強度后才隨著圍巖變形發揮支護作用，導致支護時效較慢，這種情況對于常規硬質巖地層還是可以適用的，而對于軟巖或特殊環境地層，需要錨桿提供及時支護力的情況則往往不能起到較好的支護效果［13］。

對于特殊情況，如大斷面隧道、軟弱圍巖、高地應力巖爆及大變形等，開挖后需提供及時的支護力以改善圍巖的受力狀態、約束圍巖的初始變形速率、控制圍巖松動圈的發展，此時，通過采用預應力錨桿對圍巖施加主動支護，往往會起到良好效果。在此，通過舉例說明適應于特殊地質條件下的錨桿（索）支護構件。

3.2.1 低預應力中空錨桿

中空錨桿由細長的中空桿體作為受力桿件，頭部帶有墊板、螺母等配件，通過錨固介質使桿體與圍巖底層共同作用，用以控制圍巖變形的一種錨固裝置［14］。預應力中空錨桿則是利用中空桿體自由段的彈性伸長，對中空桿體施加預應力，用以主動提供加固圍巖所需支護力的中空錨桿。低預應力中空錨桿一般由以下部件組成：

（1）中空錨桿體：為全螺紋中空鋼質桿體，按錨桿安裝方式不同，錨桿體的中空孔可作為注漿（向下安裝）或排氣（向上安裝）的通道。

（2）錨固端（段）：包括機械錨固和粘結錨固2類。機械錨固：漲殼錨固件整體長20～30 cm，由2個楔塊和漲殼體組成，所有的零件都由高強度精鋼鑄成。目前已開發有適合中高硬巖條件錨固的表面為環向倒鋸齒、“人”字形倒鋸齒或顆粒狀倒鋸齒的漲殼夾片，以及適合軟巖條件錨固的表面為糙面構造的漲殼夾片。粘結錨固：錨桿體與早強錨固材料粘結，粘結錨固段長度應視圍巖條件、錨固力需求及壓縮區長度而定，一般50～150 mm。

（3）墊板：一般采用拱形墊板，中孔與球墊配合，可方便調整角度，墊板承載力（高度變形量）需符合工程要求，墊板上需帶注漿（或排氣）孔。

（4）螺母（帶半球墊圈）：用于預應力外部鎖定緊固件和傳遞荷載的構件。

（5）注漿（或排氣）管：塑料管一端深入鉆孔，一端留在洞外。根據錨桿安裝方式（向上安裝或向下安裝）與中空錨桿配合使用，具有注漿或排氣的功能。

（6）連接套：對于錨固工程來講，有時需要的錨桿長度較長，1根錨桿的長度難以滿足現場施工要求，為此開發了連接套，連接套是帶有內螺紋的套管，內螺紋的尺寸和牙型與中空錨桿體表面的螺紋相匹配，用于錨桿體間相互連接，起著接長錨桿的作用。

低預應力中空錨桿可分為漲殼式預應力中空錨桿（見圖13）、分段式預應力中空錨桿（見圖14）、套管式預應力中空錨桿（見圖15）等。

圖13 漲殼式預應力中空錨桿

圖14 分段式預應力中空錨桿

圖15 套管式預應力中空錨桿

3.2.2 自進式中空錨桿

自進式中空錨桿由中空螺紋鋼管、連接器（可選）、鉆頭、墊板、螺母等組成。自進式中空錨桿結構見圖16。

3.2.3 大變形錨桿（索）

大變形錨桿可分為釋能讓壓錨桿和恒阻大變形錨索［15］。

（1）釋能讓壓錨桿。所謂“讓壓錨桿”，即在保持錨桿恒定支護阻力的條件下，允許圍巖及支護結構產生一定位移量以釋放部分圍巖壓力及動荷載作用時積累的能量，當這種可控的變形-讓壓量釋放完畢后，讓壓錨桿隨變形的進一步加大而持續承載直至破壞?；谏鲜鏊枷?，研發的讓壓錨桿結構特征為：在錨桿中安裝一種特定的讓壓裝置，當支護結構發生大變形時，通過讓壓裝置使錨桿體產生與巖土體相適應的變形，避免錨桿體拉斷失效，保持支護作用，是一種可以有效地控制復雜多變而又難以支護的大變形圍巖中的特定錨桿（見圖17）。

圖17 讓壓錨桿

按讓壓方式進行劃分，通?？煞譃樘淄彩阶寜哄^桿（見圖18、圖19）和擠壓套式讓壓錨桿（見圖20）2類。

（2）恒阻大變形錨索。恒阻大變形錨索又稱為NPR（Negative Poisson's Ratio）錨索，是一種新型錨索，主要由恒阻器、鋼絞線、方形托盤、錨具等組成，能夠在隧道圍巖發生大變形時產生滑移變形，并保持恒定的工作阻力。NPR錨索結構見圖21。

3.2.4 施工裝備

圖18 套筒式恒阻讓壓錨桿（內錨讓壓）

圖19 套筒式恒阻讓壓錨桿（外部讓壓）

圖20 恒阻擠壓套式讓壓錨桿（錨底內錨式）

圖21 NPR錨索結構

國內外錨桿（索）的施工裝備基本類似，主要包括鑿巖臺車和錨桿臺車2類，其中錨桿臺車是用于鉆鑿錨桿孔并完成部分或全部錨桿安裝工序的自移式專用設備。

目前，我國已研發出系列功能齊全、自動化程度高的智能型錨桿臺車裝備，如XD20智能型錨桿臺車、MTZ141智能型錨桿臺車等（見圖22、圖23），可實現錨桿施工的高度機械化、智能化，減輕了工人勞動強度，提高了工作效率和施工質量。

圖22 XD20智能型錨桿臺車

圖23 MTZ141智能型錨桿臺車

3.2.5 工程案例

京張高速鐵路新八達嶺隧道全長12.01 km，八達嶺長城站位于新八達嶺隧道內，車站中心里程距離隧道進口8.79 km，距離隧道出口3.22 km。車站兩端的站隧過渡段，是1個由兩線鐵路過渡到四線鐵路的單跨隧道，最大開挖跨度32.7 m，拱頂埋深62.7～120.0 m。大跨過渡段洞身主要穿越強、弱風化花崗巖，塊狀構造，巖體總體上較完整～較破碎，巖質較堅硬，巖塊單軸飽和抗壓強度為40～60 MPa。大跨段DK68+260—DK68+300處露F2斷層，與線路相交角度35°，斷層帶寬約2 m，帶內夾泥、巖體破壞、強風化，為Ⅴ級圍巖。大跨段為目前我國開挖跨度最大的暗挖鐵路隧道，安全風險高，施工難度大［16-17］。為保證隧道的穩定性，新八達嶺隧道設置了預應力錨（桿）索支護，其中Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ級圍巖設置7-φ15.2 mm和5-φ15.2 mm的預應力錨索；Ⅴ、Ⅳ級圍巖在拱墻位置設置預應力錨索，間距（環×縱）分別為2.4 m×2.4 m和3.6 m×2.4 m；Ⅲ級圍巖在局部設置預應力錨索（見圖24）［18］。

3.3 超前及掌子面支護

超前及掌子面支護是在初期支護手段和分部開挖措施不能有效或高效作用的場合而采取的支護措施，其目的是控制掌子面擠出變形及其前方的超前變形、保證掌子面的穩定、隧道結構安全和周圍環境安全［19］。隧道位于軟弱松散地層條件時，自穩性非常差，施工中除了采用合理的施工方案外，開挖前必須采用一些輔助措施先對掌子面前方沿隧道輪廓線進行超前加固，然后再開挖，以保證施工安全。在此主要對不同類型的超前及掌子面支護，以及其輔助施工的施工工藝和施工裝備進行介紹。

3.3.1 超前支護

（1）超前小導管施工。超前小導管注漿是隧道開挖過程中對下一步需要開挖的區域進行超前支護，主要適用于軟弱和松散圍巖，在隧道開挖后圍巖不宜形成自承拱的圍巖，有時和管棚注漿技術結合對隧道圍巖進行預加固。

超前小導管注漿是在開挖前，沿隧道周邊向前方圍巖內打入帶孔小導管，并通過小導管向圍巖壓注起膠結作用的漿液，待漿液硬化后，坑道周圍巖體就形成了有一定厚度的加固圈。在此加固圈的保護下即可安全地進行開挖等作業（見圖25）。小導管管徑一般為32、42 mm，壁厚3.5 mm，導管單根長3.5～6.0 m，環向間距3根/m，縱向搭接長度不小于1 m；后注水泥漿或雙液漿。

圖25 注漿小導管加固隧道圍巖斷面

漿液被壓注到巖體裂隙中并硬化后，不僅將巖塊或顆粒膠結為整體起到了加固作用，而且填塞了裂隙，阻隔了地下水向坑道滲流的通道，起到了堵水作用。因此，超前注漿小導管不僅適用于一般軟弱破碎圍巖，也適用于含水的軟弱破碎圍巖。

（2）超前管棚施工。超前管棚不但可以對隧道圍巖起到一定的支撐作用，而且還可與注漿技術相結合，提高隧道周邊圍巖的物理力學性能，是隧道工程中較為常用的超前支護措施（見圖26）。

圖26 超前管棚處理隧道圍巖斷面

超前管棚是在隧道開挖前沿隧道外周用鉆機設置水平的鋼管而后在鋼管內外充填砂漿的工法，是抑制洞口、拱頂穩定和先行位移、地表面下沉及保護周邊環境的一種方法。采用的鋼管比一般鋼管直徑大，控制地表面下沉的效果很高。

根據國內外實踐，綜合我國目前地下工程管棚支護應用的實際案例，管棚支護主要適用于：軟弱砂土質地層，砂卵礫石地層，膨脹性軟流塑、硬可塑狀粉質黏土地層，裂隙發育巖體、突泥突水段、斷裂破碎帶、塌方段、破碎土巖堆地段、淺埋大偏壓等地質和地下水豐富條件的地下構筑物施工的支護，隧道進出口段開挖的支護，也多應用于地鐵等穿越城區的地下工程的開挖預支護，可作為穿越既有建筑物、公路、鐵路及地下結構物下方修建隧道的輔助辦法。

3.3.2 掌子面支護

（1）掌子面噴混凝土施工。掌子面噴混凝土是在開挖后自穩性差的開挖面噴射3～10 cm的混凝土，覆蓋掌子面，以防止掌子面松弛，提高掌子面的自穩性。噴混凝土并非作為軸力構件發揮作用，而是防止掌子面發生掉塊，常與掌子面錨桿同時使用。此外通過觀察噴混凝土表面是否有裂紋發生，還可以作為掌子面是否有崩塌發生的信息（見圖27）。

圖27 掌子面噴混凝土

掌子面噴混凝土可用來防止圍巖掉塊，其對施工要求不高，在洞身初噴混凝土時可一并噴上，因此，在掌子面圍巖條件較差，有掉塊可能危及施工安全時，可采用掌子面噴混凝土。

掌子面噴混凝土作為掌子面支護的常用措施，在掌子面圍巖條件較差時，常和其他超前及掌子面支護措施共同作用。其施工工藝和隧道洞身噴混凝土并無太大區別，此處不再介紹。

（2）掌子面錨桿施工。掌子面錨桿是向掌子面前方圍巖，水平地打設錨桿的方法（見圖28）。掌子面錨桿一般有小于6 m的短錨桿和大于6 m的長錨桿，前者用于防止松弛和裂隙張開而導致的崩塌，后者則以抑制先行位移為主要目的。其中，纖維錨桿是比較常用的掌子面錨桿類型。

圖28 掌子面錨桿

掌子面錨桿適用于低黏聚力軟弱地層中的大斷面隧道開挖。易挖除性是纖維錨桿優于鋼質注漿管的主要特點之一，使其在TBM等機械化施工工程中不會損壞刀具。因此，其主要應用在施工難度較大的機械化施工工程中的土體錨固改良。

3.3.3 超前及掌子面支護輔助施工

（1）超前注漿施工。注漿技術是指以氣壓、液壓或者電化學等為動力，使注漿材料進入軟弱或破碎巖體中，使軟弱、破碎的巖體結合成為一個整體。在掌子面前方圍巖條件較差時，超前注漿可作為超前及掌子面支護的重要輔助措施，通過注漿可明顯改善掌子面及前方圍巖條件。

采用超前小導管注漿，對圍巖加固的范圍和止水的效果有限，作為軟弱破碎圍巖隧道施工的一項主要輔助措施，占用的時間和循環次數較多。超前深孔注漿能較好解決這些問題。

深孔注漿一般可超前開挖面30～50 m，可以形成有相當厚度和較長區段的筒狀加固區，從而使堵水的效果更好，也使注漿作業次數減少，它更適用于有壓地下水及地下水豐富的地層，也更適用于采用大中型機械化施工的隧道（見圖29）。

圖29 超前深孔注漿加固

（2）超前水平旋噴施工。水平高壓旋噴是隧道開挖中控制隧道變形的有效超前支護輔助措施，其主要應用于軟土隧道，對周邊環境擾動小，施工安全性高。但其施工工序復雜，施工速度慢，造價高昂。水平旋噴是以高壓泵為動力源，通過水平鉆機鉆桿、噴嘴把配制好的漿液噴射到土體內。噴射流以巨大能量將一定范圍內的土體切削，并在噴嘴作緩慢旋轉和進退的同時切割土體，強制土顆粒與漿液攪拌混合。漿液凝固后，形成水平圓柱狀水泥土固結體即水平旋噴樁，當旋噴樁相互咬合后，便以同心圓形式在拱頂及周邊形成封閉的水平旋噴帷幕體，起到防流砂、抗滑移、防滲透的穩定拱殼保護作用。隧道拱部水平旋噴注漿體形成拱棚示意見圖30。

圖30 隧道拱部水平旋噴注漿體形成拱棚示意圖

根據多年工程經驗，超前水平旋噴主要包括拱部水平旋噴和掌子面水平旋噴，主要適用于流塑狀、孔隙率小、開挖后自穩能力極差的地層，如含水砂層、淤泥地層、含水全風化地層、第三系含水未成巖地層等。

3.3.4 超前及掌子面支護施工裝備

川藏鐵路隧道地質條件復雜，不同類型的隧道需要用到的超前及掌子面支護措施不盡相同，所采用的施工裝備也不相同。其中，掌子面支護用到的噴混凝土、錨桿等施工裝備和洞身支護基本相同，可能用到的其他超前及掌子面支護施工裝備見圖31、圖32。

3.3.5 工程案例

圖31 ZYS113G全電腦高原型三臂鑿巖臺車

圖32 智能化成套注漿設備

廈門—深圳鐵路梁山隧道［20］穿越L7富水軟弱帶，使工程進展嚴重受阻。L7富水軟弱帶與該隧道洞身相交于里程DK 96+505—DK 96+533段，延伸長度約2.3 km。為確保隧道順利通過L7富水軟弱帶，通過多種經濟、技術比選，最終確定的超前預加固方案為：“全環水平旋噴樁超前加固圈+拱墻大管棚超前支護及補充注漿+掌子面水平旋噴樁改良預加固”的綜合加固措施。通過對預加固體系的支護機理及支護效果進行研究分析可知，旋噴樁加固圈厚度為0～3 m時，加固效果顯著；全環水平旋噴樁可以起到承載與止水的雙重作用，并可減弱支護體系所承受的外荷載。從承載方面看，施作旋噴樁后可使圍巖向最大位移減小12.2%，二次襯砌的最大主應力可減小5.3%；從止水方面看，施作旋噴樁后可有效降低固結體滲透系數，可在開挖輪廓線外形成一道阻水屏障，防止在滲水過程中把固體物質帶出而發生較大規模的涌水，可顯著降低坍塌的風險。

4 結束語

隨著隧道高性能支護材料的發展，隧道建造高性能支護體系的建立已是必然趨勢。通過對現有支護體系、支護材料及性能、工程實踐的分析，明確高性能支護類型及相關施工技術標準。從高性能支護構件類型（早高強噴射混凝土、纖維噴射混凝土、預應力錨桿（索）、超前支護及掌子面加固）、支護機理、施工技術、施工裝備及工程案例5個方面，闡述高性能支護體系在未來我國特殊地質條件下隧道建設的應用前景，可為我國川藏鐵路隧道的修建提供技術參考。