隧道支护、衬砌施工关键技术（深度好文）

前言： 隧道支护体系是由 围岩和支护 两部分组成的,支护结构的基本作用是： 保持隧道断面的使用净空，防止围岩质量的进一步恶化，承受可能出现的各种荷载，使隧道支护体系有足够的安全度。

                       

隧道开挖后，打破了岩体的应力平衡；围岩向洞内方向发生位移，以寻求新的平衡，如岩体强度及完整性较好，岩体便能自稳或自稳时间较长；若围岩强度不足或有不利的软弱结构面，则围岩岩块掉落或发生过大的变形，围岩稳定时间较短或不能自稳则需要进行围岩支护。新奥法将围岩视为隧道的一种承载结构，施工时根据承载能力大小构筑薄壁、柔性、与围岩紧贴的支护结构（以喷射混凝土、锚杆为主要手段）并使围岩与支护结构共同形成支撑环，来承受压力，并最大限度地利用围岩本身的承载力及保持围岩稳定，而不致松动破坏。基于围岩自承拱效应理论，为维护和加强围岩拱圈效应，应选择合理的超前支护及预加固技术。                           洞室的形成是通过一定的施工过程或说是一定的力学过程来实现的。                        

洞室结构体系=周围地质体+支护结构

与之相适应的力学过程 ：

微小变形区是指开挖面前方1-1.5D的区域，该段变形占总变形的20%～30%，主要是由于工作面开挖导致的前方围岩应力释放及围岩失水固结而成，急剧增大区是指开挖面后方1～３D的区域，该区域围岩变形速率加速增加，变形量急剧增大，此阶段变形占总变形量的50%～60%，该阶段变形主要是由于隧道开挖造成边界条件发生变化，扰动覆盖土体并引起应力场的重分布所造成。缓慢变形区是指开挖面后方3～5D的区域，变形量缓慢增加，变形曲线开始收敛，此阶段变形占总变形量的10%～15%，稳定变形区是指在开挖面后方5D以外的区域，该区域围岩变形增长缓慢，围岩趋于稳定状态，此阶段变形占总变形量的5%～10%。                        

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超前支护

                       

1）                           在 浅埋、严重偏压、岩溶流泥地段、砂土层、砂卵(砾)石层、自稳性差的软弱破碎地层、断层破碎带以及大面积淋水或涌水 地段进行施工时，可采用辅助施工方法对地层进行 预加固、超前支护或止水 。可以采取以下稳定开挖面的方法：地面砂浆锚杆；超前锚杆或超前小导管支护；管棚钢架超前支护；超前小导管预注浆；超前围岩预注浆加固(包括周边劈裂预注浆、周边短孔预注浆)。                        

超前支护由于构筑方法的不同，有的是以                           横向刚性大的拱形构造为主 ，有的是以                           纵向连续性强的梁构造为主 ，也有具有两者功能的。

隧道横向刚性大（拱结构）：                           一般隧道塌方为防止沉降过大时的处理方法，在拱架背后的空腔内灌注一定厚度混凝土形成环向拱圈，混凝土厚度一般为1.5~2m，若背后空腔较大或有继续塌落的可能情况时，可继续在拱圈背后填充软质、松散材料形成缓冲体，以防止进一步危及隧道结构或沉陷。                        

隧道纵向刚性大（梁结构）： 在开挖前对掌子面拱圈一定角度范围打设超前小导管、超前管棚并注浆的方法。采用“先支后挖”，以确保掌子面的稳定和极力控制对地表面和近接结构物的影响。超前支护可以尽可能保持隧道围岩的原有强度和变形特性，尽可能保持隧道围岩初始应力作用下的原始状态。

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初期支护

                       

1） 锚喷支护的力学作用及锚固机理：                        

1、锚喷支护原理的基本要素： 及时性、粘贴性、柔性、深入性、灵活性和密贴性。                        

2、 锚杆（管） 的作用与效果： 支撑围岩、加固围岩、提高层间摩阻力形成组合梁、悬吊、减跨等作用 。锚杆安设作业应在初喷混凝土后及时进行，钻孔前应根据设计要求定出孔位，钻孔方向宜尽量与岩层主要结构面垂直。                        

3、 采用钢架喷射混凝土，起骨架支撑作用 。钢架支撑可选用H型钢、工字钢、钢筋格栅等制作。                        

4、 喷混凝土 的作用与效果： 支撑围岩、卸载、填平补强围岩、覆盖围岩表面、防止围岩松动、分配外力。 喷射作业应分段、分片由下而上顺序进行。喷射砼作业需紧跟开挖面时，下次爆破距喷混凝土作业完成时间的间隔不得小于4h。                            

5、 钢筋网 的作用与效果：                           减少裂缝、提高支护的抗震能力、增强喷混凝土的整体性、增强喷层的柔性、提高喷层承载力。                           采用钢筋网喷射混凝土时，可在岩面喷射一层混凝土后再进行钢筋网的铺设，并在锚杆安设后进行。                        

2）确保初期支护质量施工技术措施

（1）采取各种措施，确保围岩不出现有害松动。                        

①在洞室的布置和造型上应适应原岩应力状态和岩体的地质、力学特征，尽量争取较好的受力条件；                        

②施工过程中要尽量减少围岩强度的恶化。采用控制爆破技术、减少对围岩的扰动次数、支护要及时迅速。减少对围岩的扰动破坏，可有效减少贯通节理裂隙，减少渗水通道，有利于防水；                        

③合理利用开挖面的空间效应，抑制围岩变形；                        

④尽量减少其它外界因素（主要是水和潮气）对围岩的影响。例如，对风化、潮解、膨胀等岩体要及早封闭，有地下水的裂隙岩体要注意防止大的渗透压力。                        

（2）调节控制围岩变形，在不进入有害松动的条件下适度发展，以便最大限度地发挥围岩自身承载能力。                        

（3） 保证喷锚支护与围岩形成共同体，不允许初期支护背后出现空洞或钢架支立没有密贴围岩                           （                           超挖的情况下可采用混凝土垫块，以保证钢架与围岩受力）。                        

（4）选择合理的支护类型与参数并充分发挥其功效。                        

 ①支护类型的确定应根据围岩地质特点、工程断面大小和使用条件要求等综合考虑。                        

②支护参数的设计应贯彻“等强度支护”的设计思想和整体加固与局部加强相结合的原则。                        

③选择合理的锚杆类型与参数，在围岩中有效形成承载环。                        

3）锚杆（管）                        

⑴锚杆的悬吊作用                        

在缓倾斜岩层中，锚杆将下部不稳定的岩层悬吊在上部稳固的岩层上，阻止岩层或岩块的垮塌。锚杆所受的拉力来自被悬吊的岩层重量，并据此设计锚杆支护参数。                        

⑵锚杆的组合梁作用

在没有稳固岩层提供悬吊支点的薄层状岩层中，可利用锚杆的拉力将层状地层组合起来，形成组合梁结构进行支护。组合梁作用的本质在于通过锚杆的预拉应力将原视为叠合梁(板)的岩层挤紧，增大岩层间的摩擦力。同时，锚杆本身也提供一定的抗剪能力，阻止其层间错动。锚杆把数层薄的岩层组合成类似铆钉加固的组合梁，这时被锚固岩层便可看成组合梁，全部锚固层能共同变形，拱顶岩层抗弯刚度大大提高。决定组合梁稳定性的主要因素是锚杆的预拉应力、杆体强度和岩层性质。

⑶锚杆的减跨作用                         

如果把不稳定的拱顶岩层看成是支撑在两帮的叠合梁(板)，由于可视悬吊在拱顶上的锚杆为支点，安设了锚杆就相当于增加了支点，从而减小了拱顶的跨度，使拱顶岩层的弯曲应力和挠度得到降低，维持了拱顶稳定。这就是锚杆的减跨作用，它实际上来源于锚杆的悬吊作用。                        

⑷拱顶锚杆支护的“刚性”梁理论                        

“刚性”拱顶：预拉力锚杆使隧道拱顶形成“刚性”拱顶，当预拉力大到一定程度时，锚杆长度范围内和上方拱顶的离层得以消除, 其本身就是一个压力自撑结构，传统上认为隧道宽度越宽, 顶压越大。在“刚性”梁拱顶的条件下，在一定极限范围内, 拱顶的稳定性与隧道宽度关系不大。拱顶的垂直压力被转移到隧道两侧岩体纵深，隧道两侧岩体的压力减少， 片帮现象缓和。                        

                       

         刚性梁拱板的稳定性与隧道宽度关系不大             钢性梁

 ⑸利用锚杆提供足够的支护抗力，加固围岩提高其承载能力、减小其变形量，实验室相似模拟试验证实通过锚杆锚固可使围岩的抗压强度峰值提高50%～100%(相对于无锚杆情况)，同时，据此用莫尔理论抗剪强度包络线解释，可以使围岩不产生破碎带，或者说限制围岩弹塑性变形的发展，从而使围岩处于稳定的弹塑性状态。                        

                            ⑹锚杆的抗拉力主要用来支撑平衡破碎带内岩石的重量。因为锚杆支护的主要对象不是破碎带内岩石的重量，而是破碎带发展、产生过程中的碎胀变形力。                        

近年来对锚杆的作用机理还提出了悬吊环理论、最大水平主应力理论等，但这些理论目前尚在研究和发展过程中。                        

结论，                           在初期支护中，系统锚杆起着极其重要的作用。锚杆的施工和选择应注意以下问题（Ⅲ级以上围岩）：                        

1、锚杆长度应超过围岩塑性区并深入到岩体1～2m；                        

2、锚杆必须固结在松弛带以外，必须给锚杆以足够的预应力（预拉力），锚具本身的延伸长度应能大于同一剖面上的岩石变形量；                        

3、锚杆必须与岩石牢固地粘结在一起，既：锚固材料饱满、强度足够；                        

4、拱部锚杆的数量、质量必须确保，折扣不得；                        

5、长锚杆在软岩隧道应认真实施；                        

6、必要时，为安全、经济综合考虑，锚杆长短结合、相间布设值得考虑。                        

4）喷射混凝土                        

⑴喷射混凝土早期强度有关规定                        

喷射混凝土的设计强度等级不应低于C15对于竖井及重要隧洞和斜井工程，喷射混凝土的设计强度等级不应低于 C20 ；喷射混凝土 1d 龄期的抗压强度不应低于 5MPa 。钢纤维喷射混凝土的设计强度等级不应低于 C20 ，其抗拉强度不应低于 2MPa ，抗弯强度不应低于 6MPa 。                        

喷射混凝土的强度设计值（Mpa）

                       

喷射混凝土的早期抗压强度（Mpa）

（2）喷射混凝土附着（粘结力）强度控制                        

喷射混凝土与围岩的粘结力，不仅与混凝土强度等级有关，也与围岩强度和岩体的完整性有关。一般规定，对于Ⅰ、Ⅱ级围岩，粘结强度不应小于 0.8MPa ，Ⅲ级围岩不应低于 0.5Mpa 。其目的是保证在围岩与喷射混凝土的结合上能传递一定的拉应力和剪应力，有利于两者的共同工作。                        

（                           3）喷射混凝土采用湿喷法施工，施工配合比按现场实际情况根据试验数据进行调整确定。爆破后，应立即喷射混凝土，尽快封闭岩面，才能有效控制围岩松动变形。喷射分段、分片、分层，由下向上，从无水、少水向有水、多水地段集中，多水处安放导管将水排出。施喷时，喷头与受喷面基本垂直，距离保持0.8～1.0m。                        

                       

（4）选择合理的喷层厚度，充分发挥围岩和喷层自身的承载力。最佳的喷层厚度既能是围岩维持稳定，又允许围岩有一定的塑性位移，以实现卸压，利于围岩承载能力的发挥和减少喷层的受弯应力。                        

5） 拱架                        

根据不同的工程地质和水文地质条件，合理选择拱架结构，拱架支撑可选用H型钢、工字钢、钢筋格栅等制作。采用格栅钢架较工字钢架其背后喷射混凝土效果要好，采用型钢钢架的地方，要侧面喷射混凝土保证钢架背后喷射混凝土饱满密实。钢架接头不应出现在拱部，并且纵向接头数量应满足同一截面要求。钢架支立时拱脚应保证支立在稳固的地面上，对软弱围岩隧道可增加锁脚锚杆、拱脚支垫槽钢、施作扩大基础等。

6） 二衬

隧道衬砌施工技术要点：                        

（1）二次衬砌的施作，应在围岩和锚杆支护变形基本稳定后进行。在软弱围岩隧道或洞口段可提前施作二衬。                        

（2）优化衬砌砼施工配合比，提高其防水能力                        

根据隧道衬砌防水设计的等级，在选配配合比时，粗骨料应采用连续级配，采用合适的砂率，改善砼的和易性，增加砼的密实性；同时，采取掺加防水剂、高效抗裂防水膨胀剂等手段，减少砼内部的细微孔隙，提高其防水能力。                        

（3）优化砼灌注工艺，提高砼密实度                        

砼灌注时两侧分层对称浇注，由下向上依次灌注，控制相邻高差。采用插入式振动器和模板台车上固定的附着式振动器相结合，保证振固密实。保证连续灌注，消除施工缝，减少防水薄弱环节。拆模后及时喷雾养生，避免拆模过早砼表面风干或养护不及时出现的收缩烈纹现象。                        

（4）衬砌背后回填注浆                        

① 拱顶设置PVC注浆口，注浆口应突出衬砌内缘3～5cm，以便连接注浆管，注浆口伸入模筑衬砌外缘、防水板内侧。特殊地段，防水板铺设完毕后，采用胶粘于防水板内侧，结合施工缝布置，每模筑衬砌施工缝位置设置环向可维护注浆管。

② 衬砌施工完毕达到设计强度后进行拱背压浆。使初支、防水板及内衬密贴，避免因防水板意外损坏渗水的可能，同时也为保证结构安全，避免结构开裂破损。回填注浆材料为1：1水泥浆液，回填注浆压力为0.1MPa。

（5）二衬分区防水

为防止各道防水措施失效后地下水渗入隧道，施工时在施工缝及变形缝处衬砌背后施作外贴式橡胶止水带，并特殊段落设置环向可维护式注浆管，以达到每10m进行防水分区。在地下水敏感地段可适当减小分区范围。防水分区可以迅速查明渗水点，并减少地下水影响范围。

（6）注意事项                        

①二衬混凝土振捣必须到位，防止出现蜂窝、麻面。拱部主要依靠附着式振捣器、边墙主要采用插入式振捣器。采用插入式振捣器时，不要触及防水板，防止破坏防水板。                        

②二衬环向钢筋接头均采用钢筋接驳器，纵向钢筋及其他部位需要焊接时需采用隔热物体隔离，防止焊花烧坏防水板。                        

③注意二衬钢筋保护层的设置，防止露骨、露筋，防止衬砌表面出现排骨状现象。保护层不能太厚，也不能太薄。                        

④二衬混凝土施工时，模板台车需调试到位，防止出现大的错台；出现错台时，不宜采用混凝土修补，防止运营时，混凝土掉落砸伤机车。对错台可切割修整并采用绝缘的塑胶泡沫板粘贴。                        

⑤衬砌采用防水混凝土施工，隧道通过含有侵蚀性地下水地段时，应对地下水作水质分析，衬砌应采用抗侵蚀性混凝土。衬砌拆模后应立即养护，养护时间一般为7～14d。寒冷地区，应作好衬砌的防寒保温工作。                        

⑥要根据设计要求正确安装衬砌预埋件，比如铁路隧道的预埋槽道、照明设施、运营通风等预留预埋件。                        

                       

为加快二衬施工进度，确保隧道掌子面、仰拱、二衬之间的安全步距可控，以实现均衡、快速、安全生产目的。在太中银项目研制了多变径模板台车，破解了异形断面隧道施工技术难题。在二衬施工过程中，主要有土工布和防水板铺设、钢筋绑扎、台车定位、预埋件安装、挡头模板安装、浇筑混凝土、养护、脱模等工序。其中土工布和防水板铺设、钢筋绑扎提前作业，而其他工序是基本是流水线作业，台车定位、预埋件安装、混凝土浇筑、养护、脱模这些工序时间一般都是定性的，主要是现场施工组织和管理所控制。而如何快速的推进二衬施工就必须从改进挡头模板、模板台车的结构性能方向研究，也是当前的隧道二衬施工存在的技术难题。

7） 仰拱 

隧道仰拱衬砌施工技术要点：

隧道施工应贯彻仰拱先行的原则，采用仰拱栈桥进行整幅施工（严禁分幅施作），确保施工质量。隧道内仰拱、底板填充混凝土整体一次浇筑成型，搭设移动栈桥保持洞内交通畅通。仰拱钢筋在洞内人工绑扎。                        

1、环向施工缝与拱墙施工缝设置在同一断面；                        

2、                           仰拱施工超前拱墙二次衬砌施作，软弱及不良地质段仰拱应紧跟，仰拱距开挖面的距离宜控制在35m以内；                        

3、仰拱填充不应与仰拱混凝土同时灌注，且均不得留纵向施工缝；                        

                       

4、对于软弱围岩隧道，仰拱开挖时需预留20cm厚度，采用人工开挖到位，防止围岩损伤。仰拱及底板初期支护施工前应严格清底，不得留有余砟等废弃物，以免影响结构强度、或因结构受力不均引起开裂；                         

5、仰拱开挖必须开挖到位，严禁欠挖，确保仰拱结构可靠性及耐久性；                        

6、对富水围岩隧道，应准备充足的抽水设备，防止仰拱积水。特别是严禁有水状态时浇筑填充及二衬混凝土；

7、仰拱二衬浇筑完成后方可填充砼。仰拱填充砼采用砼输送泵泵送入模，浇筑砼时由仰供中心向两侧对称进行，插入式捣固器振捣，边墙基础采用人工立模浇筑，浇筑完成后及时洒水养护。

来源： 北京市朝阳区人民政府、中国应急管理、建筑安全联盟