浅谈隧道工程的超前支护施工工艺

在公路和铁路工程施工中，隧道工程的开挖是十分常见的施工方式，这在占国土面积70%为山区或丘陵地带的我国来讲表现的更为突出。隧道工程开挖和整个施工过程中，运用超前支护的作业工艺是保证隧道工程开挖工作面稳定而采取的超前于开挖作业的辅助措施的一种可行的方法。这种工艺主要采用超前锚杆或超前小钢管，用于锚固前方围岩和各种其它地质材料，以保证隧道工程开挖的顺利进行并保障作业时的人员和设备的安全。在某些特殊困难地段，更要搭配钢架使用，有时还需注浆加固围岩和堵截水的侵入，以便为顺利施工提供必要的条件。特别是Ⅴ、Ⅳ级围岩施工中的超前支护是保证围岩稳定，开挖施工安全的主要措施，是保证顺利开挖的关键工序。管棚利用导向架，沿着开挖轮廓线，以较小的外插角，在开挖前打入钢管，形成对开挖面前方围岩的预支护（即超前支护）。笔者在山西大运、晋焦和京沪等国家重点道路施工中参与完成了多项隧道工程开挖的超前支护作业，深感这种工艺对隧道工程开挖的重要性。它不仅保证了隧道工程开挖的顺利进行和安全作业，而且对于保证施工质量和施工工期都是十分重要的。根据自己的工作实践，对超前支护作业工艺应遵从的作业要点进行下述总结。
　　1.超前支护的大管棚和小导管作业
　　（1）洞口大管棚作业工序
　　 ·平台设置
　　在隧道仰坡开挖至拱顶位置时，先标出隧道中心线及拱顶标高，工作平台宽度宜为2.5m，高度宜为2.0m，平台两侧宽度宜为1.5m。
　　 ·钻孔和安装管棚
　　配备管棚跟管钻机，用以保证钻孔成孔率，防止塌孔。钻孔前先检查钻机各部位运转是否正常。洞口土体钻孔时最好采用干钻，防止影响边破稳定。管棚应按设计位置施工，钻机立轴方向必须准确控制，每钻完一孔便顶进一根。拱部管棚施工前必须架设拱部管棚施工平台。
　　为保证钻孔方向准确，应运用测斜仪量测钢管钻进的偏斜度。钢管接头采用丝扣连接，丝扣长15cm，钢管接头应错开。作用时各钻孔应做好施工记录。
　　 ·注浆。采用高压注浆泵作业。注浆前应进行现场注浆实验，根据实际情况调整注浆参数，取得钢管棚注浆施工经验。注浆前先检查管路和机械状况，确认正常后做压浆试验，确定合理的注浆参数，作为施工的依据。注浆压力：初压宜控制在0.5～1.0MPa为宜，终压宜控制在2.0MPa。
　　注浆过程中随时检查孔口、邻孔、河沟、覆盖较薄部位有无串浆现象。如发现串浆，立即停止注浆或采用间歇式注浆封堵串浆口，也可采用麻纱、木楔、快硬水泥砂浆或锚固剂封堵，直至不再串浆时再继续注浆作业。
　　（2）超前注浆小导管
　　 ·钻孔的控制
　　先用红油漆标出小导管的孔位，双排小导管外插角分别为10°和40°。采用液压凿岩机钻孔，钻头采用梅花形钻头，钻头直径应比导管直径大2cm，钻孔钻进要避免钻杆摆动，保证孔位顺直。钻至设计成孔深度后，用吹管将碎渣吹出，避免塌孔。
　　 ·钢管加工
　　将钢管加工成钢花管，钢管顶部切割加工成尖梭状，使钢管更容易插入孔内，顶管完成后尾段焊接闸阀，闸阀口与注浆管连接。具体钢管加工形式见图 1 。

图 1 小导管加工示意图

　　 ·顶管
　　在钻好的孔内插入加工合格的钢花管，在管尾后一段30cm处，将麻丝缠绕在管壁上成纺锥状，并用胶带缠紧。开动钻机，利用钻机的冲击力将钢花管顶入围岩中，钢管顶进钻孔长度≥90%管顶管至设计孔深后，将孔口用快速水泥浆液将钢花管与孔壁之间的缝隙封堵。孔口应露出喷射混凝土面15cm，安装钢拱架后与拱架焊接一起。
　　利用砂浆搅拌机拌合水泥浆，合格的水泥浆须采用压力灌注，注浆压力应达到1.0MPa且注浆量也达到设计要求值时，即停止注浆作业转入下道工序。
　　2.初期支护
　　隧道开挖后，Ⅳ级、Ⅴ级围岩首先立即初喷3～5cm厚的水泥混凝土。为保证待水泥混凝土的初期强度，其较高的稠度是必要的，有时亦可在材料中加入适量的早强剂和速凝剂。出碴完毕再按设计要求施作锚、网、钢拱架联合支护，并喷射混凝土至设计厚度。其工艺流程为：施工准备→布孔→钻孔→清孔→插入锚杆→注入砂浆→加垫板、拧紧螺帽、固定杆体→结束。
　　 利用简易台车配合风动凿岩机钻孔，锚杆孔位与岩面垂直，与设计孔位偏差不大于100mm，钻孔偏差不大于±50mm。钻孔后用高压风清除孔内石屑，然后安装锚杆，插入长度不小于设计长度的90%。成孔后用高压风清孔后，先将内径4～5mm，壁厚1～1.5mm的软塑料排气管同锚杆一起送入钻孔至孔底，并在孔外留0.5m左右的富余长度，然后将注浆管固定在孔口位置，并将锚杆孔口堵塞，确认排气管畅通后，采用双管排气法注浆，直到排管气不排气或溢出稀浆时停止，拔出排气管，待砂浆达到强度后安装垫板拧紧螺帽。各部的施工应遵从下列要求：
　　（1）中空注浆锚杆
　　中空锚杆钻孔方法同砂浆锚杆钻孔方法。施工中按设计要求定出位置，孔位准确，深度符合设计要求。钻孔完毕，安装锚杆前，先用高压风清洗锚杆孔内石屑，再将中空锚杆插入锚杆孔，锚杆插入深度应符合设计规定，锚杆外露10～20cm，以便于与压浆机出浆管连接。
　　压浆前，锚杆孔处预装锚杆专用止浆塞，压浆时，锚杆头与注浆机出浆管连接，开始压浆。当孔内水泥浆压满后，立即顶紧止浆塞，防止浆液流出。压浆完毕，待达到额定强度后，开始安装锚杆专用垫板，拧紧螺帽。垫板应保证与支护面岩面密贴。
　　（2）钢筋网
　　钢筋网采用HPB235级钢筋加工而成，为方便施工，事先在洞外加工成1×2m的方片，施工时运至工作面进行安装。钢筋网加工制作及安装时应注意对材料进行除锈、去油污、确保钢筋质量符合要求。钢筋网铺设时，应随混凝土初喷面起伏敷设，并与壁面接触紧密，每片钢筋网搭接长度不小于1～2个网眼。钢筋网的节点与锚杆和钢架接头采用点焊的办法焊接牢固，防止喷射混凝土时晃动和变形。
　　（3）钢拱架
　　钢支撑作为刚性拱架，支撑的刚度和强度较大，可作临时支撑并单独承受较大的围岩压力，可在软弱破碎围岩中需要立即承载的场合使用。所以钢支撑施工质量的好坏直接影响到结构的安全和稳定，要把好各道加工工序的质量关。特别是材料的选用和焊接的质量关系很大，应在加工和制作时密切注意。只有合格的刚拱架才能投入工程使用。
　　（4）喷射混凝土
　　 为了保护施工环境，喷射混凝土施工时采用湿喷工艺施工。
　　喷射前将岩面的松动石块进行清理，并埋设喷层厚度控制标志钉，每1～2m设一根。混凝土用强制式拌和机，采用电子自动计量、自动上料机上料，严格按设计掺量添加外加剂。拌和料采用混凝土专用输送车运送到作业点。
　　喷射混凝土施工分初喷和复喷二次进行，初喷在开挖(或分部开挖)完成后立即进行，以尽早封闭岩面，防止表层剥落。复喷混凝土在锚杆、挂网和钢架安装后进行，尽快形成联合支护体系，以抑制围岩变形。钢架间用混凝土喷平，保护层不得小于4cm。
　　混合料要随拌随喷，供料连续；喷射作业分段、分片、分层，由下而上依次进行。分层喷射时，后一层在前一层混凝土终凝后进行，若终凝后1h再行喷射，需先用风水清洗喷层面。喷射机工作风压稳定，喷头与受喷面的距离保持在0.8～1.5m范围内，喷射的角度最好保持与受喷面垂直，喷头操作连续不断地做圆周运动，并形成螺旋状，喷射的路线自下而上，做“S”形运动，喷射混凝土终凝3h后方可进行下道工序的的作业。
　　3.结束语
　　隧道超前支护作为一项保证隧道开挖安全以及控制地表沉降的技术，在道路工程和铁路建设施工中显示了十分重要的的作用。随着我国相关领域的快速发展，用于隧道开挖和建设的超前支护工艺技术也会得到不断完善，特别是有关施工工艺、工程力学计算方法和专用机械设备会快速进步，以满足该项技术越来越广泛应用的需要。同时，随着隧道超前支护的不断发展，也会不断提高隧道工程的施工安全和作业效率。

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