大跨度隧道主動支護施工體系及現場應用研究

岳楹沁

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

1 引言

大跨度隧道因其覆蓋面積廣、受力復雜、地質條件多變等特點，施工技術要求極高，而主動支護技術在現代隧道工程中的應用能保證施工過程的安全性，確保工程的長期穩定性和可靠性。鑒于此，深入分析大跨度隧道主動支護施工體系及其現場應用的各個方面，對于工程師、設計師以及施工管理者來說具有重要意義。

2 不同類型的主動支護方法

2.1 錨桿支護

錨桿支護廣泛應用于隧道、礦山、地下工程以及巖土工程中，以增強巖土體的穩定性和承載能力，基于鋼制錨桿的力學性能，通過將錨桿預置于地下巖土體中，并將其牢固固定于巖土體內，可以抵抗地下壓力和位移，提供穩定的支護效果。錨桿支護的基本組成包括錨桿本體、錨固端頭和注漿材料。錨桿本體通常由高強度鋼材制成，具有較大的抗拉強度，以承受地下巖土體的拉力；錨固端頭位于錨桿的末端，通過與巖土體產生摩擦或錨固力來傳遞拉力；注漿材料用于填充錨孔，增加巖土體與錨桿之間的黏結和摩擦力，提高支護效果。錨桿支護需預先鉆孔并安裝錨桿，施加預定的張力來使錨桿與巖土體緊密結合。張力的施加可以通過液壓或機械力量來實現，錨桿與巖土體充分結合后即成為受拉桿件，抵抗地下壓力的作用，穩定地支撐地下結構[1]。

2.2 預應力支護系統

預應力支護系統主要目的是通過提前施加作用力來增強隧道周圍巖體的穩定性，在隧道周圍巖石中預先設置預應力錨桿或預應力錨索，以此在隧道開挖之前形成預支護力，有效控制巖體的變形和位移。預應力支護的設計需考慮巖石的力學特性、地質條件、隧道尺寸及其所處的環境條件，以確保施加的預應力既能達到預期的支護效果，又不會導致巖體破壞。預應力支護系統的實施過程中，需要進行詳盡的地質勘查和力學分析，以確定最佳的錨桿或錨索布局方案，采用高精度的鉆孔設備進行鉆孔，確保每一個錨點都能準確地按照設計位置施工。錨桿或錨索安裝完成后，通過液壓設備對其施加預定的張力時，需精確控制，以避免超過巖體的承受能力；施加預應力后，應定期對錨桿或錨索的狀態進行檢測，以確保長期的穩定性和有效性。

2.3 其他主動支護技術

除常見的錨桿支護和預應力支護系統之外，大跨度隧道施工領域還采用了多種其他主動支護技術，以應對復雜多變的地質條件和確保工程的安全與穩定。（1）噴射混凝土支護技術是在隧道開挖面噴涂混凝土層，形成堅固的支護結構，防止巖土松動和崩落，其施工迅速且靈活，能即時適應不同形狀的隧道斷面，尤其適用于巖石質量較差或地質條件復雜的區域。但噴射混凝土的質量控制對施工質量影響極大，需要精確控制混凝土的配比、噴射厚度和固化時間。（2）管棚支護技術則是在隧道開挖前，在其上方預先施工一層管棚結構，形成“傘”形支護體系，以減少開挖過程中的地表沉降和保護隧道上方的建筑物或其他結構[2]。管棚技術的關鍵在于管棚的布置和安裝精度，需要根據地質條件和隧道的設計參數精心規劃。（3）凍結法支護技術主要用于處理含水量高或地質條件特別復雜的土質。在地層中注入冷卻介質，使周圍的土壤或巖石凍結，增加其強度和穩定性。其挑戰在于對冷卻系統和溫度控制的精確要求，以及對周邊環境的影響評估。

3 大跨度隧道主動支護施工體系的整體設計原則

3.1 結構穩定性原則

結構穩定性原則是大跨度隧道主動支護施工體系設計的核心。其要求在設計和施工過程中要確保工程結構的穩定性，為此，需要進行詳細的地質勘探和分析，精確評估隧道沿線的地質條件，包括巖土的物理和化學性質、地下水情況以及潛在的地質災害風險?；谶@些數據，設計時需選擇合適的支護方法和材料，確保隧道在整個施工和使用周期內都能維持結構的穩定性。

3.2 環境適應性

環境適應性原則強調隧道主動支護施工體系需要考慮到周圍環境的特性和對環境的影響，包括對地質環境的深入了解和對生態環境的保護。施工設計階段，應充分考慮地下水位、土壤類型、地震活動、降雨量等自然因素對施工和未來運營的影響。例如，在地下水位較高的區域，需要設計有效的排水系統和防水措施；在地震多發區，應加強隧道的抗震設計。施工過程中，盡量減少對周邊環境的干擾和影響，控制施工噪聲、減少塵土飛揚和合理處理施工廢棄物[3]；穿越生態敏感區域的隧道工程時需要采取特殊措施以保護當地的生物多樣性和自然景觀，保護了自然環境，也為隧道工程的順利實施和長期運營提供了保障。

4 大跨度隧道主動支護施工過程中的關鍵環節

4.1 鉆孔作業

鉆孔作業的目的是為安裝錨桿、錨索或噴射混凝土等支護結構提供必要的孔位，基于詳細的工程設計和地質調查數據，精確規劃鉆孔的布局，考慮隧道的具體尺寸、預期的負載情況、巖石的性質及其他相關的地質因素，使用專業的鉆孔設備進行作業。設備的選擇應考慮到巖石的硬度、鉆孔的深度和施工環境的復雜性。鉆孔過程中應持續監控鉆進速度、鉆頭的磨損情況以及鉆孔的質量，以確保每一孔位都符合預定的標準。鉆孔作業的質量控制是確保施工安全的重要環節，應對鉆孔的直徑、深度和方向進行精確測量，以及對鉆出的巖石樣本進行分析，評估地質條件是否與預先的調查結果一致，采取措施防止孔壁塌陷或水土流失，特別是在松散或含水量高的土層中。

4.2 安裝支護結構

支護結構的安裝旨在確保隧道開挖過程中巖土的穩固性，防止塌方或松散，為隧道的最終結構提供必要的支撐，此過程涉及多種支護技術，包括錨桿、錨索、噴射混凝土和預應力支護等。支護結構安裝應確定支護結構的類型、規格、布置方式及材料選擇，綜合考慮隧道所處的地質條件、預期的負載情況、施工環境特點以及工程的整體成本效益，施工團隊需使用專業的設備和技術進行安裝，確保每一項支護要素都嚴格按照設計標準執行。

4.3 施工監測與調整

施工監測與調整是大跨度隧道主動支護施工過程中關鍵環節，確保整個工程的安全性、穩定性以及最終的施工質量，應對隧道施工過程中的各項關鍵參數進行實時監測，及時發現問題并進行相應的調整，以確保施工過程符合設計標準和安全規范。施工監測主要包括對隧道周圍巖體的位移、應力、變形等物理量的測量，以及對支護結構，如錨桿、錨索的張力和噴射混凝土的穩定性進行監控，一般采用先進的監測設備和技術，如地質雷達、應變計、測斜儀等，收集數據對隧道施工的實時情況進行全面了解，并據此評估隧道的整體穩定性和安全性。隨著施工的進行，監測數據可能顯示出與設計預期或安全標準有所偏差的情況，應及時調整，更改支護結構的設計、增強或減少支護力度、調整施工方法等。除了對物理量的監測和調整外，施工監測還需要考慮環境因素和工人安全，對隧道施工產生的噪聲、振動、塵埃等進行監測，確保施工活動不對周圍環境造成過大影響。

5 大跨度隧道主動支護施工現場監測分析

5.1 施工現場監測數據分析

大跨度隧道主動支護施工中，現場監測數據對于確保施工安全和質量至關重要。位移監測數據顯示了隧道壁和周圍巖土體在施工過程中的移動趨勢。如果在進行爆破作業后，某個區域的巖土體位移量顯著增加，應立即采取加固措施，以防止進一步的位移導致隧道結構的不穩定。支護結構應力的監測數據能確保施工安全，如果數據結果表明支護結構的應力水平接近或超過了設計極限，是警示信號，需要立即采取行動，如加強支護結構或改變施工方法，以減輕結構上的壓力。土壤壓力的監測可預防隧道壁的塌陷，揭示了由地下水位變化或其他因素導致的土壤壓力異常，應及時調整防水和排水措施，加固隧道結構。環境監測數據，如溫度和濕度，對材料性能和施工條件有顯著影響，如可顯示在高溫高濕條件下，某些支護材料的性能降低，要求工程師調整材料選擇或施工時序。

5.2 現場監測的困境

苛刻的施工環境中，監測設備，如位移傳感器和應力計，可能受到物理損害或環境因素（如極端溫度、濕度和振動）的約束影響數據的準確性，導致對隧道安全狀況的錯誤評估。隧道施工現場，尤其是在地下深處，信號干擾和連接問題可能導致數據傳輸不穩定或中斷，重要的監測數據可能會延遲傳送或完全丟失，影響對隧道穩定性和安全性的即時評估。此外，隧道施工是復雜的過程，即使是收集到準確的監測數據，如何正確解讀這些數據，以使做出合理的施工調整，也需要豐富的專業知識和經驗，錯誤的數據解讀可能導致不必要的施工延誤或不恰當的安全措施。隨著施工進展和技術發展，監測系統需要升級，以適應新的施工條件和監測需求，但系統升級需要額外的時間和資源，可能會影響施工進度。

5.3 現場監測困境的對策

解決監測設備準確性和可靠性的問題，可以通過采用更高標準的、更能適應惡劣環境的設備來實現。使用抗振動、耐高（低）溫的傳感器，以及加強設備的物理保護，可以顯著減少由環境因素造成的設備故障，定期的設備校準和維護也是確保監測數據準確性的關鍵。針對數據收集和傳輸中的技術障礙，采用更可靠的通信技術，如高頻無線通信設備或建立更穩定的有線連接，可以減少數據傳輸中的干擾和中斷，并建立數據備份系統，確保在信號中斷時，重要的監測數據不會丟失。監測數據的分析和解讀方面，建立由經驗豐富的工程師和地質專家組成的專業團隊負責監控數據，對潛在的問題做出專業的分析和反應，利用先進的數據分析軟件和機器學習技術準確地解讀復雜的監測數據，做出更有效的決策。

6 結語

通過對大跨度隧道主動支護施工體系及現場應用的全面分析可知，高質量的隧道工程不僅依賴于先進的技術和嚴謹的設計，還需細致的施工管理和質量控制，每一個步驟都是確保隧道安全、穩定和高效的關鍵。此外，對環境的深入理解以及對安全管理的持續關注同樣不可或缺。隨著技術的不斷進步和實踐經驗的積累，大跨度隧道主動支護施工體系將繼續優化和發展，為隧道工程成功實施提供更堅實的基礎。