张惠
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摘要：近年来随着城市车辆保有量的增多,我省的轨道交通事业发展速度明显增快。地下公共交通建设的发展是改善交通发展环境、保证公路畅通的重要公共交通建设方式。地下交通中工程隧道类工程建设是整个地下交通施工的主要单元项目。地下隧道确立开挖方法、初期支护施工是整个工程的重点。本文主要从地下隧道类工程的开挖方法选用及初期支护作业的分析入手,重点分析了隧道开挖及初期支护的主要技术注意事项,希望能为公路建设提供一些参考。
关键词：隧道，开挖初支，问题
前言：隧道开挖总体的施工主要包括洞口工程、洞身主体开挖、洞内支护工程、掘进废料运输等主要工序。在具体施工中应按按照实际的地质情况确定合理的开挖方法确保安全生产,按照严格注浆保强度、短进尺保安全、强支护保施工、勤量测保精度的施工组织原则进行施工。
1.隧道开挖初支的基本作用
1.1隧道开挖初支的本质作用
隧道工程活动引起围岩变形破坏和应力重分布,由于围岩自身的约束作用,随着应力释放,围岩载荷大部分转移给相邻地层,当围岩条件较好时，工程响应累积程度较低,对施工安全无威胁,本质上无须进行支护;而当围岩无法实现自行平衡时则需要对其实施外部干预,即要适时地施作支护结构以承担施工诱发的附加载荷。隧道支护系统的基本功能是维持围岩的长期稳定,其中围岩作为支护的主体是客观存在的,而就其作用功能层面来讲,支护的本质作用就是“调动围岩承载”和“协助围岩承载”,围岩既作为载荷来源,又是载荷的主要承担者,其力学行为必然影响到整个系统的稳定性,因此最大限度地调动围岩自承载能力是隧道支护的基本原则，基于隧道围岩的复合结构特性,“调动”围岩承载一方面可通过提高浅层围岩性能来实现,另一方面可通过将浅层围岩的附加载荷转移至深层围岩,使得深浅层围岩形成一个有机整体,从而充分发挥围岩的承载作用。在某些复杂围岩条件下,仅仅依靠调动围岩仍无法实现稳定,此时则需要支护结构协助完成,即通过支护结构与围岩共同作用,实现对围岩稳定性的可靠控制。
1.2隧道支护结构体系
隧道工程设计的根本问题是促使围岩尽快形成新的平衡状态而不致失稳或破坏,由此需对围岩施作超前支护、初期支护和二次衬砌等支护结构,其中超前支护为基本前提,初期支护为核心,而二次衬砌通常则作为安全储备。在工程实际中,各种支护手段伴随着隧道施工而分阶段施作,因此隧道支护结构体系的力学行为极其复杂,体系的综合刚度呈现阶段性变化特点。总的来说,前序支护体系与后序支护结构的衔接模式有两种:一是后序支护在前序支护屈服之前施作,初期支护施作时超前支护尚处于正常承载阶段;另外则是后序支护在前序支护体系中某一构件屈服后施作,如二次衬砌施作时初期支护结构已处于屈服状态,这表明前序支护承载能力不足,则需要对支护参数进行重新计算并予以加强。在工程应用中,只有当支护体系中各要素相互协同并与围岩构成整体有序的可靠系统时,隧道围岩才处于稳定状态。
1.3支护与围岩的作用特点
考虑到围岩变形和支护施作的时空特点,可将“支护-围岩”作用分为三个阶段,即超前支护与围岩作用、初期支护与围岩作用以及二次衬砌与初期支护的载荷调整过程,实际上是“支护-围岩”作用体系逐渐趋于稳定的过程。支护与围岩作用关系极其复杂,综合考虑围岩变形与结构受力状态,其作用过程具有以下特点。应力平衡特点。
支护与围岩的复杂作用过程总是以应力平衡为目标,但每个作用阶段具有不同的平衡点,呈现典型的阶段性动态平衡特征。在超前支护、初期支护及二次衬砌结构施作后“支护-围岩”作用均以新的应力平衡点而告终。时空演化特点。支护与围岩的相互作用具有显著的时空效应,表现为过程动态特性。首先,隧道开挖引起的应力释放并非一蹴而就,而是在一定的空间范围内传导并持续一定时间变形协调特点。支护与围岩是不可分割的整体,支护通过“调动”和“协助”围岩承载实现支护与围岩作用体系的平衡,支护作用的发挥使围岩变形速度迅速减缓,从而使得围岩变形量得到有效遏制,而围岩变形则使结构受力增大,如此循环直至平衡。
2．隧道开挖初期支护施工主要控制措施
2.1选择合理的开挖方法
新奥法采用分部开挖法及柔性支护增加掌子面的自稳能力，释放围岩内部荷载，相对增加洞室的稳定性；岩土控制变形分析法采用超前来约束及加固措施控制预收敛及挤出变形，以刚性的超前预加固措施控制隧道变形的起因：掌子面-超前核心土的变形。新奥法强调根据围岩不同的物理力学特性及变形特点，在合适的时机，做支护、衬砌，以最小的成本换取最好的成果，支护时机一般依靠收敛-约束法确定，围岩开挖过程中的应力释放依靠预留变形量及柔性支护的设置取得最好效果。对于一般软弱围岩隧道来说，对分部开挖、柔性支护、预留变形量及收敛-约束法的合理运用可以达到节省成本、安全施工的效果，但其成功的前提是成拱效应在洞室附近形成，掌子面有一定的自稳能力，而对于无法承受偏移应力流的极端围岩应力-应变条件，新奥法无法达到较好地效果。
2.2应用合理的支护措施
合理的约束支护措施是依据合理的开挖方法做适当的支护衬砌，以达到有效地约束围岩变形在安全范围内的目的。对支护措施的投入越大，形成的洞室空间越安全，但在综合考虑安全性及经济性的原则下，应该合理地选择支护措施。支护措施一般分为刚性支护与柔性支护，在围岩已经发生变形并将继续发生变形的情况下，洞室支护措施一般应采用柔性支护并预留变形量，充分释放围岩应力，采用柔性支护并预留变形量的支护方法仅适用于围岩通过一段时间的应力释放可以达到相对稳定的环境，所以一般刚性支护在新奥法开挖隧道过程中较少应用，其原因是初期变形无法控制，刚性支护得不偿失甚至导致围岩变形引起支护体系彻底崩溃。需要强调的是新奥法超前预约束加固措施采用的是刚性支护，通过控制洞室的预收敛将掌子面前方围岩变形降低至接近于零，在开挖面通过后约束措施的跟进甚至可以保证洞室不出现沉降。
2.3根据实际施工条件采用不同的施工方式
隧道开挖初期支护要根据实际施工条件采用不同的施工方式。施工中要按照施工设计要求,组合砂浆锚杆、喷射混凝土等方式进行洞身开挖超前支护。隧道洞身开挖初期支护的主要流程主要是:施工准备、设置超前小导管、隧道洞身开挖、开挖断面检查处理、喷射混凝土、铺设钢筋网、设置钢拱架、喷射混凝土、测量围岩。在隧道边墙初期支护砂浆锚杆施工主要流程主要是:定位钻孔、注入浆液、封锚安装垫板。施工中要注意:在具体施工中要保证锚杆与围岩面呈直角;钻孔完毕后及时清理钻孔,保证钻孔清洁;安装锚杆总长度要超过设计长度的百分之九十五;注浆时要保证排气管畅通。隧道开挖衬砌段拱部中空锚杆支护施工顺序与隧道边墙初期支护砂浆锚杆施工流程相近。主要是:钻孔并清理钻孔、插入锚杆并注浆、检查注浆情况、封锚安装垫板。
结语：隧道洞身开挖是隧道工程的主体工程项目,一般可采用台阶法与短台阶法施工。超前支护是隧道工程中保证工作稳定为主要施工目的,采用超前于主作业面开挖的辅助措施。主要有超前小钢管、超前管棚、注浆加固围岩和封堵水源三种形式。隧道开挖初期支护要根据实际施工条件采用不同的施工方式。施工中要按照施工设计要求,组合砂浆锚杆、喷射混凝土等方式进行洞身开挖超前支护。
参考文献：
[1]张顶立,孙振宇,侯艳娟.隧道支护结构体系及其协同作用[J].力学学报,2019,51(02):577-593.