高速公路隧道工程超前支護結構及施工技術研究

摘 要：【目的】為解決常規高速公路隧道工程超前支護結構及施工技術中超前支護參數選取不精確、圍巖變形控制效果不佳的問題，對高速公路隧道工程超前支護結構及施工技術進行研究。【方法】分析隧道圍巖的破壞形式及其影響因素，選取適用于高速公路隧道工程的超前支護參數。在實際施工中，采用鉆孔支護與注漿等關鍵技術，對某高速公路隧道工程進行施工，并實施全程監測。【結果】結果表明，在應用該施工技術后，高速公路隧道在水平收斂趨于穩定后，其洞頂沉降值最高僅為14.4 mm，遠低于施工規范中的允許范圍。【結論】提出的基于精確超前支護參數選取的高速公路隧道工程超前支護結構及施工技術，在實際應用中展現了良好的圍巖變形控制效果，滿足施工要求，具有較高的應用價值。

關鍵詞：高速公路；隧道工程；超前支護結構；隧道施工；管內注漿

中圖分類號：U455" " " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2025）01-0064-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.01.012

Research on Advance Support Structure and Construction Technology of Expressway Tunnel Engineering

XI Xiuli

（Handan Transport Bureau Road Works Ⅱ， Handan 056002， China）

Abstract： [Purposes] In order to solve the problems of imprecise selection of advance support parameters and poor control effect of surrounding rock deformation in conventional highway tunnel engineering， the research on advance support structure and construction technology of highway tunnel engineering is proposed. [Methods] The failure mode of tunnel surrounding rock and its influencing factors are analyzed. Based on these analyses， the advance support parameters suitable for expressway tunnel engineering are selected. In the actual construction， the key technical steps such as support drilling and grouting were used to implement a highway tunnel project， and the whole process monitoring was implemented. [Findings] The results show that after the application of the construction technology， the maximum settlement value of the tunnel top is only 14.4mm after the horizontal convergence of the expressway tunnel tends to be stable， which is far lower than the allowable range in the construction specification. [Conclusions] The advance support structure and construction technology of expressway tunnel engineering based on the accurate selection of advance support parameters show good surrounding rock deformation control effect in practical application， meet the construction requirements， and have high application value.

Keywords： expressway; tunnel engineering; advance support structure; tunnel construction; grouting inside the pipe

收稿日期：2024-03-18

作者簡介：郗秀麗（1973—），女，本科，高級工程師，研究方向：公路、橋梁施工。

0 引言

在高速公路的施工過程中，特別是在山區、丘陵地帶等地形復雜的地方，直接穿越山脈可能導致路線過于曲折、坡度過大，這不僅會影響行車安全和舒適性，還可能增加建設成本和施工難度。因此，為了縮短行車時間，提高行車效率，需要修建穿山隧道。隧道情況復雜，可能出現軟弱巖層等特殊地段，若在施工過程中，沒有做好支護，容易導致邊坡發生滑坡［1］，嚴重可能導致塌方事故，影響施工進程安全。一般情況下，洞口地段的埋深較淺，在自然狀態下不易被破壞，但是圍巖自身承載能力弱，隧道的荷載容易不對稱，在地質條件差的隧道，會進行超前支護，但是圍巖變形程度不同，支護效果也會發生改變，對隧道工程超前支護結構及施工技術進行研究，有利于確保施工安全，縮短工期，提高產能［2］。在高速公路隧道工程超前支護結構的研究中，李然等［3］將圍巖看作是特殊的連續介質材質，針對具體的圍巖數據，考慮多方面因素，同時按照存在的變形機制，對形成的特殊局部破壞機制進行了分析。楊強等［4］提出隧洞在實際開挖處理之后，應力情況會出現特殊的釋放機制，因此需要分析特定的薄弱區域，來實現預期的穩定狀態。基于此，本研究針對高速公路隧道工程超前支護結構及施工技術進行研究，以期為同類工程施工提供參考。

1 高速公路隧道工程超前支護結構及施工技術

1.1 高速公路隧道工程超前支護參數選取

根據不同的基坑開挖深度，以單支撐支護結構為主，使用拉森Ⅲ型鋼板，組裝排樁支護。排樁支護的鋼板樁主要采用止水鋼板樁，鉆孔灌注樁直徑為300 mm，長度為1.5 m，內支撐采用鋼支撐，型號為Ф320 mm×12 mm［5］。同時設置基坑深度，基坑的樁間距為1.3 m，混凝土強度等級為C30，在滿足排樁穩定性要求的條件下，計算底面對排樁墻產生的主動土壓，計算見式（1）。

[Z2=c*v+x2U+1+B1Z3*1F] （1）

式中：[c]為垂直荷載參數，N；[v]為土底面層物理特性相關系數，Pa；[x2]為天然重度的土底對應參數，kg/m3；[U]為混凝土厚度，m；[Z3]為內摩擦系數；[B1]為附加荷載系數；[F]為地面附加荷載系數。在此基礎上，按照主動土壓參數，建立并求解靜力平衡方程，并計算底墻后主動土壓力，按照計算參數，采用無支撐支護結構的方式，在鉆孔灌注圍護樁頂部，設置鋼支撐，將其與鉆孔樁一起配置。采用鋼筋混凝土內支撐截面支撐圍護樁身，并通過部分鋼筋將盾構機改為采用鋼支撐和鋼筋混凝土支撐。在此基礎上，對部分參數進行設定，具體情況見表1。

管棚斷面內的鋼管接頭為5個，使用熱軋無縫鋼管，選取兩端連接的方式進行分段安裝，安裝時精準定位，選取的鋼管管徑大小為129 mm。在明洞襯砌外位置安裝鋼架混凝土套拱，管棚的承載力會發生變化，采用30 cm的棚預支撐環向間距施工，使用差距法計算導向管外插角，截斷面設置40個鉆孔，管棚角度為4°［6］。從隧道設計的尺寸出發，搭接兩個縱向管棚，長度為1.7 m，并根據土層條件，選取外插角。管棚總長度為93 m，采用工字鋼架，將間距設置為0.68 m，當發生其他情況時，適當增加間距，但是總體上小于0.75 m，其他相關參數同常規超前支護參數相同。

1.2 鉆孔支護

根據參數安裝超前支護鉆機，進行空轉調試及分組鉆孔。在使用時，將空壓機放置于隧道洞口，先檢查鉆頭鉆進是否流暢，并檢查設計要求是否達標。在鉆機就位前明洞開挖時預留平臺，搭設工作平臺，對預埋的導向管進行編號，從導向管開始鉆進，終孔偏斜率在1/2 000以內［7］。在鉆進施工前期，鉆機保持低速低壓，鉆機的配套動力為GZJB空壓機，使用的鉆桿型號為Φ90 mm，類型為優質合金鋼型，使用的鉆頭型號為Φ127 mm。當鉆機在工作平臺時，根據標記的鉆孔位置，在確保鋼管底部能夠達到規定的地層深度前提下，采用潛孔鉆進的方式進行鉆孔，設置其額定壓力為13.8 bar。縱向連接鋼筋，其鋼筋環向間距設置為122 cm，排渣出現軟泥情況時，對腳手架進行支撐，對鉆孔的滲水位置使用木塞矩陣封堵。在實際鉆孔作業時，使用空氣壓縮管，將YG60鉆機固定于工作平臺上，將自然風送至施工掌面位置，并計算排樁最大彎矩，見式（2）。

[N=j+l2*Nx12+w*eF+d×J2] （2）

式中：[j]為鋼板樁的截面尺寸；[l2]為排樁結構的入土深度；[N]為內支撐反力系數；[x1]為土壓力為零的位置；[F]為支撐反力；[d]為支撐剪力；[J2]為排樁的最小入土深度；[w]為滑動力矩之和；[e]為滑動力矩，從而得到排樁最大彎矩，根據該參數，設定額定壓力，供風量最大為59.2 cm3/s，在液體充分混合的基礎上，保持低速低壓，將漿液泵送到鋼管中，在此基礎上，保持低速低壓，配合高壓風機清理鉆渣，并進行驗孔操作，達到鉆孔的標準，完成鉆孔操作。

1.3 超前支護管內注漿

在鉆孔完成后，進行支護管內注漿施工。配制漿液比例為水泥∶水玻璃∶清水=1∶2∶0.5，配制完成后，采用注漿小導管工藝，將漿液倒入稀釋漿液桶進行稀釋。為了防止漿液溢出，用水玻璃與清水的混合液進行調制，讓液體充分混合，并將混合液靜置。在此基礎上，將漿液鋼管放置于同一水平線上，連接出漿口與鋼管，并在兩端連接緊實的情況下，將漿液泵送到鋼管中。之后調制水玻璃與清水的混合液，并將其放到調制好的漿液中，其中水玻璃的體積，一般情況下為水泥漿液體積的5%，水泥漿水灰比為1∶1。為了更好地控制注漿壓力，計算注漿量，在注漿完成后，清除管內遺留漿體，并使用水泥砂漿進行填充，為了能夠讓外壁與孔巖壁間保持較好的嚴密性，設計超前大管棚，如圖1所示。

其中大管棚的型號為[Φ]108 mm，壁厚為8 mm，為了確保其結構強度，采用焊接工藝進行拼接，并嚴格控制管接頭的數量在5個以內。在加工場內，設置止槳板于泥漿泵底部，并使用長管棚進行連接，連接方式為絲扣直接對口。為了確保注漿質量，采用膠泥麻筋箍成楔形無孔鋼花管，并在高壓注漿時對注漿孔進行檢查［8］。在第一節鋼管的安裝過程中，使用鉆機沿隧道洞口方向進行頂進，以完成現場接管。為了防止漿液溢出，嚴格控制注漿壓力，并在出現小裂漿時，使用水泥沿拱架環圈順時針方向浸泡麻絲，同時調整注漿漿液的配比。在鉆進過程中，如果遇到特殊情況，會更換其他類型的鉆頭重新鉆孔，一般情況下，使用的鉆頭型號為[Φ]125 mm。注漿結束后，及時清理管內遺留的漿體，以確保注漿工作順利完成。

1.4 超前支護效果監測

在高速公路隧道超前支護結構的監測過程中，監測點的設置是一項基礎且關鍵的任務。為了確保監測的全面性和準確性，需要深入了解隧道的地質條件、設計參數及具體的施工工藝，從而在拱頂、拱腰、邊墻等極易出現變形或應力集中的關鍵位置合理布置監測點，實時反映超前支護結構的工作狀態，確保隧道施工的安全和順利進行［9］。在選擇監測設備時，應根據監測點的具體類型和監測目標，精選高精度、高穩定性和高可靠性的設備，如位移計、應力計、應變計、壓力傳感器等。這些設備不僅能夠準確捕捉隧道內的微小變化，還能在惡劣的施工環境下保持穩定性能，確保監測數據的準確性和可靠性。

在監測方法方面，采用多種手段相結合的方式，包括位移監測、應力監測、注漿壓力監測和視頻監控等。位移監測能夠實時掌握隧道拱頂、拱腰、邊墻等關鍵位置的位移變化，分析超前支護結構的變形情況；應力監測則能夠測量支護結構內部的應力分布和變化情況，評估其承載能力和穩定性；注漿壓力監測可確保注漿過程中的壓力變化得到實時監控，保證注漿質量和效果；而視頻監控則提供了直觀的隧道內部施工情況，幫助管理人員及時發現和處理異常情況。在監測過程中，應定期收集并整理監測數據，利用專業的數據分析軟件進行深入分析，提取關鍵信息，從而評估超前支護結構的效果和性能。根據評估結果，及時將監測信息反饋給施工管理部門和技術人員，為施工提供相關參考。一旦發現潛在問題或異常情況，立即采取相應措施進行整改和處理，確保隧道施工的安全和質量。

2 實例分析

為了驗證本研究設計的高速公路隧道工程超前支護結構及施工技術的應用效果，進行實例分析。

2.1 工程概況

本研究以某在建高速公路隧道作為分析對象，該隧道左右行分離，屬于雙向四車道，其中進口測量線間距為28.9 m，入口的地形是寬廣型，隧道主要參數見表2，隧道支護結構平面如圖2所示。

該隧道的進口溝谷底部有一條河流，呈狹窄V形，施工期間無水流，年平均徑流量為25.6億m3，沖溝走向為南北向，寬13～24 m，地層巖性的情況見表3，相關的計算參數見表4，并根據該參數進行施工。

2.2 數值監測

為了分析施工結果，在施工后對數值進行監測，監測面的選取情況見表5。

在隧道開挖毛洞的測點處， 設置 1個錨樁，并使用早強錨固劑進行固定，同時對其進行加密監測，并增加測點，樁頭處固定一個角鐵，在拱頂下沉量的測量過程中，主要使用到的工具有鋼掛尺，在地表沉降量測過程中，使用到的主要儀器為全站儀。在測定的過程中，量測精度為0.01 m，以保證監測的有效性。采用全站儀加反射片的方式測量拱頂下沉，同時分別測量多個路段，從而保障數據的有效性。 同時設置量測頻率，在不同工作面設置不同的量測頻率，以此進行監測。

2.3 監測結果分析

本研究對隧道的支護情況進行檢測，可以得到兩個斷面的拱頂沉降情況，如圖3所示。

從圖3可以看出，使用本研究提出的施工技術，對高速公路隧道超前支護進行施工，引起的最大拱頂沉降為14.4 mm，有效控制了拱頂沉降，圍巖整體上處于穩定狀態。對趨于穩定后的洞頂沉降參數進行統計，結果見表6。

從表6可以看出，在水平收斂趨于穩定后的洞頂沉降值最高達到14.4 mm，滿足施工要求，并且支護能夠有效控制圍巖的位移變形。

3 結語

本研究提出了高速公路隧道工程超前支護結構及施工技術。在結合隧道圍巖破壞形式的基礎上，對高速公路隧道工程超前支護參數進行準確選取，并對支護鉆孔及注漿等步驟進行詳細闡述，有效控制了隧道圍巖的位移變形，為超前支護研究提供了參考。

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