淺談隧道初期支護施工

張凱 李高洪

【摘 要】?隨著我國隧道建設規模擴大，礦山法已成為隧道建設的主流。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，保證隧道建設的質量。

【關鍵詞】施工技術; 礦山法; 圍巖; 錨桿; 襯砌

據統計[1]，截至2019年底，我國鐵路營業歷程達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;目前正在建設的隧道2 950座，總長6 419 km;規劃中的隧道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，礦山法隧道建設在工程中已經積累了豐富的經驗，對隧道建設技術具有重大意義。從目前的情況來看，我國的鐵路、公路建設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技術，仍然是隧道建設中不可缺少的環節，必須及時總結經驗、完善不足、適應發展的新要求。

從過往的工程實踐中看，在我國山區利用礦山法施工技術已經積累了大量的隧道施工經驗和教訓，而且也得到了理論研究的證實。如今，礦山法已經成為全地質型的施工方法，不斷完善和發展。

本文從隧道施工的角度出發，重新整理思路，主要通過對圍巖和初期支護中的重要構件（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水平提供思路，以滿足隧道工程快速發展的需求。

1 圍巖

隧道工程的一個重要力學特性就是：隧道是修筑在具有一定應力履歷和一定應力場的圍巖中的結構物。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，這是無法避免的。可以說，保護圍巖是隧道施工中必不可少的環節，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、圍巖的評價方法等，是隧道建設的先決條件[2]。隧道施工技術的發展，離不開對圍巖的理論探索。

隧道是修筑在地下的線狀結構物，從實際出發，其主要特征是由隧道周邊的地址環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中的重要環節。

圍巖的工程特性由以下幾個方面體現：

（1）在大多數情況下，圍巖是礦山法隧道結構的主體。同時，圍巖具有自我支護能力，因此，在實際工程中采取適當的方法保護圍巖，充分發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，使施工作業有序開展。

（2）圍巖也是隧道結構主體的材料。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，圍巖的力學狀態不斷地變化。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展的主流趨勢。

2 錨桿

在我國隧道建設迅速發展的過程中，錨桿作為隧道支護構件也得到了國內外學者的關注。錨桿是伸入圍巖內部，阻止巖土體產生相對位移，利用圍巖自承載能力實現圍巖整體穩定承擔隧道主動支護加強作用[6]。為了充分發揮錨桿的支護功效，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。

2.1 錨桿的功能

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

（1）增強圍巖的連續性，提高圍巖的整體性，保證隧道的穩定性。

（2）改善開挖后的圍巖力學性能，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）重視錨桿質量檢測。錨桿是隧道施工過程中保證圍巖穩定性，保證施工安全的重要支護構件。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，錨桿的錨固質量關系到隧道的安全性，保證和檢測錨桿的質量是極其重要的。傳統的檢測方法是“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，使得質量檢測具有一定的局限性。隨著應力波理論在巖土工程中的應用，錨桿的無損檢測理論以及新的檢測方法應運而生。國內外學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，為保證錨桿質量提供了新的依據。

（2）發展錨桿商品化。隨著我國隧道大量建設，機械化和標準化越來越重要。錨桿在隧道支護中發揮著重要作用，同時也影響著施工進度。隧道建設用的錨桿應商品化、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，錨桿已經實現了工廠化、商品化。而在我國，錨桿大多是就地取材制作而成，質量不能完全保證，不能充分發揮其支護功能。因此，國家有必要制定相應的行業標準或規定。根據隧道支護需求，明確錨桿的功能，實現標準化生產是十分必要的。

3 襯砌

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

在復合式襯砌隧道施工理論中，國內外學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，認為初期支護結構對圍巖的穩定起主導作用;意見二：把初期支護看作隧道的永久支護，認為二次襯砌僅發揮其安全儲備和保證隧道隧道耐久性的作用。考慮到二次襯砌在隧道建設中的重要性，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 復合式支護結構中襯砌的功能

現代隧道工程理念指出，復合式支護結構是由圍巖、初期支護和二次襯砌構成，初期支護可以維持圍巖的初步穩定，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。在隧道建設中，明確規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、通風等輔助設施功能。

（2）確保隧道應對不確定因素的功能，如構造穩定功能，防止圍巖劣化;變形性能保持功能，破壞前的變形較大，但不會發展到襯砌崩塌，即使遇到地震等不可預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，大多數隧道建設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物質、凍害、堿-骨料反應和結構受力狀態使素混凝土劣化。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反應，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、構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，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、搗固等作業環節符合規范要求;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、監測水平，減少襯砌初始缺陷。

4 結束語

（1）圍巖是礦山法隧道中的結構主體，大多數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。不同圍巖的動態特征特征略有不同，在施工過程中需監測開挖后圍巖的動態變化，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量問題，采取更加合理的監測方法和施工方法，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。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）提高施工技術和施工管理水平，減少對周邊環境和結構物的影響，加快隧道建設。

參考文獻

[1] 田四明，鞏江峰.截至2019年底中國鐵路隧道情況統計[J].隧道建設： 中英文，2020，40（2）：292-297.

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[9] 張清川.隧道復合式襯砌初期支護技術研究與應用[J].公路交通科技：應用技術版，2019，15（4）：255-257.

[10] 張志剛，陳佳，姬海，等.東歐公路隧道復合式襯砌結構設計與實踐[J].地下空間與工程學報，2020，16（S1）：127-136.

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