隧道工程二次支护施工技术

隧道工程二次支护施工技术要点【摘要】：隧道工程施工过程中二次支护结构施工技术是影响隧道工程质量的重要因素。施工质量好则隧道的耐久性好，施工质量差则会严重影响隧道的耐久性，而且其安全性也存在着极大的隐患。本文从普通喷射混凝土、钢纤维喷射混凝土、高强度喷射混凝土、锚杆、以及混凝土衬砌五个方面讲述隧道工程二次施工技术的要点以保证隧道工程的安全性以及耐久性。【关键词】：支护结构、施工质量、锚杆、安全性、耐久性ThesecondarysupportingconstructiontechniquesoftunnelengineeringAbstract:InTunnelconstructionprocessthesecondarysupportingstructureconstructiontechnologyhasabiginfluenceonthetunnelengineeringquality.Thetunnelwillhaveagooddurabilityifitwasbuildinagoodquality,otherwiseifitisbuildinapoorqualitytheconstructionwillseriouslyaffectthedurabilityofthetunnel,anditssecurityalsohasabigproblem.Thisarticleintroducedthecommonjetconcrete,steelfiberreinforcedjetconcrete,highstrengthsprayedconcrete,anchor,andconcretelining.Wewillintroducesecondaryliningtechnologyofthetunnelconstructionfromthefiveaspectstoensurethesafetyandthedurabilityofthetunnelengineering.Keywords:thesupportingstructure,theconstructionquality,anchor,safety,durability近年来．随着国家对基础设施建设方面的大量投入，以及隧道施工技术的不断进步，隧道在铁路、公路和水利水电工程中所占的比例越来越大，且越修越长。长大隧道往往是控制整个线路施工工期的关键工程。国内外隧道施工普遍采用钻爆法和掘进机法两种，然而。不管是钻爆法还是掘进机法，隧道施工工序大都由掘进、装碴、运碴、初期支护和二次支护(包括仰拱)等组成，而掘进和衬砌是隧道施工中两个重要和主要的控制整个工程工期的关键施工工序。本文将重点讨论隧道工程中二次支护的施工技术。二次支护，也称二次衬砌，是人工支护的一种类型，是隧道工程施工在初期支护内侧施作的模筑混凝土衬砌，与初期支护共同组成复合式衬砌。在目前的设计原则中，主要是在运营期间与一次支护一起，维护坑道的长期稳定和耐久性的基本结构，又称永久支护或衬砌。根据地质条件和施工实践，二次支护的功能可分为两种情况考虑。即：1.在施工阶段，基本上是不承载的。即：在初期支护变形基本收敛后，才施做二次支护的情况，此时二次支护是不承受荷载的。一般地说，在不采用超超前支护的地质条件情况下，都可以按照不承载的原则进行设计和施工。2．在有些情况下，如需要控制地表面下沉，控制较长时间内的初期支护变形不收敛，特别是线性修筑仰拱的情况下，二次支护在初期支护变形没有收敛的情况下就要修筑。在这种情况下，二次支护也需要在施工期间发挥其作用，承受相应的荷载。一般说，在采用超前人工支护的情况下，二次支护应按承受一定荷载的情况下设计和施工。应该指出，两种支护手段都是重要的，在选择时必须通盘考虑。 实质上，支护措施常常是采取自支护和人工支护的组合形式。原则上，在充分利用和发挥围岩自支护能力的条件下，配合采取不同的人工支护方式，共同的进行有效的支护。根据坑道稳定性的分级和构筑支护方式的组合情况，人工支护类型大体上分为以下4类。1.饰面支护或防护支护：利用威严的自支护能力。2.构造支护：利用围岩的自支护能力，为防止围岩在长期使用过程中，自支护能力的降低，而采取的构造上的措施。3.承载支护：由围岩自支护能力和一般人工支护构成，二次支护是不承载的。4.特殊承载支护：由围岩自支护能力、一般人工支护和超前支护构成，二次支护是承载的。我们要求隧道初期支护和永久衬砌作到“内实外美”，这也是我们评价衬砌施工质量的重要指标。而“内实外美”主要决定于随到初期支护和衬砌的施工质量。应该说，由于隧道施工条件和施工环境的限制，隧道内的施工条件比露天的施工条件要差，有一定的难度。因此，隧道工程技术人员要经常想到这一点，是很重要的。从总体上看，只要严格按照施工工艺施工，初期支护和衬砌强度是完全可以保证的。而在施工中出现的一些问题是：经常出现衬砌厚度不足、衬砌背后留有空洞、回填不密实，二次衬砌与初期支护不密贴和衬砌过早开裂以及漏水等问题。出现这些问题，有多方面的原因，如：施工中出现异常事故（如大塌方、突泥、突水等），处理作业极度困难；抢进度，忽视质量；监理缺乏有效地监控方法；更有甚者是偷工减料造成的。在技术上，因混凝土配比不当而出现蜂窝麻面、强度不足、施工缝处理不当漏水、防水板破损、衬砌表面不平整以及先拱后墙的施工方法等等。因此，在施工中要关注这些问题的解决。施工要点一普通喷射混凝土在矿山法中，喷射混凝土作为威严开挖后的主要支护构件起着相当大的作用，但在实际工作中，常常忽视它的存在和作用。因而时常发生喷射量不足、喷射厚度不均匀、喷射配合比不合适以及基底处理不当等现象，使混凝土不能充分发挥其应有的作用。作为隧道支护构件的喷射混凝土的支护作用，如表1所示，可以简要归纳为以下几点：（1）首先，要认识到混凝土是唯一地能够与围岩大面积的、牢固接触的一种支护方式，是其它的方式所不能代替的。从力学意义上说，它既能传递径向应力也能够传递切向应力。（2）喷射混凝土与岩层的附着力可以把作用在喷射混凝土的外力分散到围岩上，同时也提供了隧道周边的裂隙和节理等以剪切阻力保持块体的平衡，防止局部掉块，在隧道壁面附近形成一承载环。在裂隙多的硬岩中这种效果是比较大的。（3）比较厚的混凝土是作为一个连续构件支护围岩的，给予约束围岩变形的支护力，使围岩保持近于三维应力状态，控制了围岩的应力释放。（4）具有能够将混凝土传递到钢支撑和锚杆上的作用。 （5）填平围岩的凹面，覆盖弱层，防止应力集中，而加强了软弱层。（6）开挖后，因立即被覆壁面，具有防止围岩风化、止水和微颗粒流出等的效果。喷射混凝土的作用与效果概念图①支承围岩作用由于喷层能与围岩密贴和粘结，并给围岩表面以抗力和剪力，从而使围岩处于三向受力状态，防止围岩强度恶化；此外，喷层本身的抗冲切能力阻止不稳定块体的塌滑②“卸载”作用由于喷层属柔性，能有控制地使围岩再不出现有害变形的前提下，进入一定程度的塑形，从而使围岩卸载；同时喷层的柔性也能使喷层中的弯曲应力减小，有利于混凝土承载力的发挥③填平补强围岩喷射混凝土可射入围岩张开的裂隙，填充表面凹穴，使裂隙分割的岩块层面粘联在一起，保持岩块间的咬合、镶嵌作用，提高其间的粘结力、摩阻力，有利于防止围岩松动，并避免或缓和围岩应力集中④覆盖围岩表面喷层直接粘贴岩面，形成防风化和止水的防护层；并阻止节理裂隙中充填物质流失⑤阻止围岩松动喷层是紧跟开挖、及时进行支护的，早期强度较高，因而能及时向围岩提供抗力，阻止围岩松动⑥分配外力通过喷层把外力传给锚杆、网架等，使支护结构受力均匀表1—喷射混凝土的作用与效果 能够发挥上述效果的喷射混凝土，要求具有初期强度特性、长期强度特性、防止喷射后围岩崩落的良好的附着性、施工性等优良的品质，考虑隧道洞内的温度、湿度、爆破震动等，到目前为止，多采用水泥用量比较多、添加速凝剂的特殊的混凝土。为了充分发挥喷射混凝土的支护效果，最重要的是要解决好喷射混凝土施工的四要素。l强度：具有足够的强度，特别是初期强度；l厚度：要确保附着层的厚度，或者使喷射表面平滑；l附着：与围岩牢固附着成为一体，相互间就能够传递力和变形；l密实：附着层密实、均质、耐久。（1）喷射方式的选择喷射混凝土的喷射方式，从拌合方法、压送方法看，大体上分为干式和湿式两种。干喷方式，是在水泥和骨料拌合后加入速凝剂，用压缩空气压送，在喷嘴处加压力水喷射的方式。而湿喷方式，与通常的混凝土制造相同，事先将包括水压内的各种材料正确的计量、充分的拌合，而后用压缩空气或泵压送，在喷嘴处加速凝剂的方式。图1是两种作业方式的系统图，各有特点，应根据现场规模、状况和喷射量分别使用。因此，选择喷射方式时，要充分研究喷射厚度、隧道长度、断面大小、开挖方法及涌水的有无等。对于涌水，一般说，干喷是比较好的。对于速凝剂的添加位置，液体速凝剂和粉体速凝剂是不同的。图1——喷射方式的系统图（2）喷射混凝土的配合比设计在配合比设计中，从喷射口出来的混凝土配比和附着在围岩表面上的配比是不一样的，前者是喷射配比后者是附着配比。设计规定的喷射混凝土强度，如C20、C25等，应该是由附着配比决定的，但因现场对附着配比管理比较困难，因此一般都按照设计配比进行管理。与喷混凝土强度、耐久性、水密性、抵抗开裂性、保护钢材的性能有最大关系的是：水灰比、单位用水量及单位水泥量，还有使喷射混凝土在短时间凝结的速凝剂用量。喷混凝土的配比强度，与通常的灌注混凝土不同，受到施工条件的影响极大，离散性也大。为此，决定喷混凝土的配比强度时，应满足施工条件要求的初期强度和结构物要求的设计基准强度，根据经验和实验求出合适的值。（3）喷射面的事前处理喷射基面的处理对保证混凝土与围岩紧密接触（附着）是非常重要的。因此喷射的第一步是：为确保喷射作业的安全和喷射混凝土与围岩成为一体，要事先把可能落下的浮石等仔细地清除。 第二步是：对围岩表面凹凸显著的部位填平补齐，为防止板的张挂创造良好条件。第三步是：设置金属网或钢筋时，如固定不好，喷射作业中会发生移动，也会因金属网振动而产生开裂。因此设置的金属网、钢筋等必须用混凝土钉、锚栓、锚杆、钢支撑等充分固定好。喷射混凝土与干喷或湿喷无关，因添加速凝剂而急剧硬化。因此，在速凝剂添加后尽早喷射是很重要的。（4）初期强度的检查（见表2）混凝土与一般混凝土相比其离散性比较大，在初期强度检查中要加以注意。喷混凝土一般不用圆柱模打试件，原则上向板内喷射混凝土取试件进行试验。项目检查方法时期·次数判定基准喷混凝土初期强度国标施工开始前及施工中，所定配比条件变化的场合不在规定值以下表2初期强度的检查（5）喷射厚度等的检查喷射厚度及混凝土变异的检查，根据表3进行项目试验、检查方法时期、次数判定基准喷射厚度检查钉、钻孔检测等施工中急施工完成后应在设计厚度以上喷混凝土的变异同上不产生有害的开裂等表3——喷射厚度的检查测定喷射厚度的方法有埋置检测钉的方法和喷射后向刚喷射的混凝土中插入检测钉的方法以及喷射后钻孔检测的方法。施工要点二钢纤维喷射混凝土钢纤维喷射混凝土在工程实践中得到的越来越多。特别是挪威法出现后，钢纤维喷混凝土作为单独支护结构的作用也越来越明显。挪威法（简称NTM）的最大特点就是采用湿喷钢纤维混凝土作为永久支护。目前使用长20～40mm厚0.5mm的钢纤维。湿喷钢纤维混凝土的优点是：1.用活塞泵可有每小时喷25方的喷射能力；2.5﹪～10﹪的回弹率，比干喷低得多；3.不产生钢纤维的回弹，使用40mm的钢纤维时，也能控制回弹；4.混凝土质量均一，通常可达到55MPa的强度，在特殊作业时，可达到100MPa；5.环境条件好，粉尘少；6.作业安全；7.水灰比小，透水性低；8.不需要防腐蚀处理，可防止电解和加速腐蚀。纤维混凝土有钢纤维、玻璃纤维、尼龙纤维等。钢纤维喷混凝土是纤维喷混凝土的应用最多的一种。纤维喷混凝土与普通喷混凝土的最大区别是：l弯曲拉伸及抗剪强度大；l最大强度后的残留强度大；l峰值强度后的变形能力及韧性大，开裂发生后也也能传递拉力；l耐冲击、抗冻融性好。 因此，纤维喷混凝土可以极大地改善喷混凝土的物性。因此在发生很大荷载和变形的隧道洞口和断层破碎到、膨胀性围岩等，使用效果是很明显的。采用纤维喷混凝土，可以控制开裂的发生，即使发生开裂，横切开裂面的纤维也可以负担一部分拉力，使开裂的发展受到控制，不会产生急剧地承载力降低，从而防止了喷混凝土的玻璃和剥落。采用纤维喷混凝土，还可以省略金属网，使作业简化，提高了作业的安全性。施工要点三高强度喷射混凝土最近几年，以降低成本和提高喷混凝土的功能为目的的高粘性、高强度喷混凝土技术获得了很大的发展。采用高粘性、高强度喷混凝土一方面可以减少衬砌厚度，甚至取消二次衬砌，又可以改善喷混凝土与围岩的粘结性，提高喷混凝土的密实度，从而改善了喷混凝土的支护功能等。这里所谓的高粘性、高强度喷混凝土是指在喷混凝土中添加各种结合材料、混合剂、石灰石微粉末等而形成的喷混凝土。其技术特点如下：在喷混凝土中添加微粉末，在增加单位粉体表面积的同时，可大幅度地减少剩余水分，因此使各粒子间的结合力增加而粘性提高。添加微粉末的喷混凝土，因粘性的增加，压送变得容易。根据施工试验结果，添加硅灰和石灰石微粉末后回弹率降低了20﹪～30﹪。粉尘发生量降低18﹪～30﹪。同时，喷混凝土强度也获得改善，特别是初期强度提高较大。表4列出在施工试验中的强度试验结果。工点配比拌和初期强度（MPa）长期强度（MPa）3h24h7d28d90d1不添加一次27244049添加17244553改善率0.501.001.001.131.082不添加一次29263943添加39274854改善率1.501.001.041.231.263不添加分批213254045添加316304959改善率1.501.231.201.291.314不添加分批161931—添加193654—改善率1.001.501.891.74—5不添加分批311213641添加213274652改善率0.501.181.291.281.276不添加分批310193137添加315234050改善率1.001.501.211.291.35表4——抗压强度试验结果施工要点四锚杆 锚杆是隧道施工过程中维护围岩稳定，保证施工安全的重要支护手段之一。施工完成后，在一定程度上，它还可以作为永久支护结构的一部分发挥作用。因此，在施工中，如何保证和检查锚杆的施工质量，是极为重要的。锚杆的作用效果，归纳入表5锚杆的作用效果概念图①支撑围岩：锚杆限制约束围岩变形，并向围岩施加压力，从而使处于二维应力状态的洞室内表面附近的围岩保持三维应力状态，因而能控制围岩强度的恶化。②加固围岩：由于系统锚杆的加固作用，使围岩中，尤其是松动区的节理裂隙、破裂面等得以联结，因而增大了锚固区围岩的强度（即C、Ф值）。锚杆对加固节理发育的岩体和围岩松动区是十分有效地，有助于裂隙岩体和松动区形成整体，成为“加固带”。③提高层间摩阻力，形成“组合梁”：对于水平或缓倾斜的层状围岩，用锚杆群能把数层岩层连在一起，增大层理间摩阻力，从结构力学的观点来看，就形成了组合梁。④“悬吊”作用：所谓悬吊作用是指为防止个别危岩的掉落或滑落，用锚杆将其同稳定围岩联结起来，这种作用主要表现在加固局部失稳的岩体。表5—锚杆的作用和效果但从目前的施工状况看，锚杆长度不足、不配置垫板、布置不合理、砂浆充填不密实，甚至“长锚短打”的现象也时有发生。造成这种现象的原因虽然是多方面的，但主要还是对锚杆在隧道施工中的作用认识不足，不能完全按照要求施工，而且缺乏有效地检测手段。归纳起来，目前锚杆施工中应该注意的几个问题是：l建立有效的锚杆质量检测方法，及时检测；l不能忽视锚杆抗拔试验的作用；l合理的确定锚杆的参数，充分发挥群锚的作用；l进一步认识锚杆与围岩之间的关系；l大力提高锚杆的商品化程度等。 下面说明解决上面所提到问题的措施和途径途径：（1）锚杆拉拔力试验的问题锚杆拉拔试验的目的：一般采用的全长锚固型锚杆，是因围岩位移产生轴力而发挥作用的，因此为了充分发挥锚杆的支护效果就必须要确保有必要的锚固力，拉拔试验是在施工前或施工初期阶段，为了确认围岩能够具有充分的锚固力而进行的，并根据拉拔承载力来选择锚杆的种类和锚固方式。在实际工作中应注意进行拉拔试验的时期，因为，试验时期越晚，锚固材的强度越大，即使锚固材填充不充分，也会获得与锚杆承载力同等程度的附着力。因此，事前要根据锚固材的龄期进行拉拔试验，以确定合适的试验时期。（2）在什么情况下采用锚杆能够发挥锚杆效果的围岩条件，一句话，就是能够发挥支护效果的围岩。为此，要具备一下条件：l锚杆和围岩间要有适当的锚固力；l在不连续围岩中锚杆要横切不连续面设置；l在连续围岩中，在设置锚杆的范围内，围岩位移差要大。（3）如何发挥锚杆的群锚作用锚杆是属于点状支护的类型。除了随机配置的锚杆外，绝大多数都应呈网状配置，以便发挥群锚的作用，这是非常重要的。因此，锚杆的配置参数要注意符合群锚的工作原则。想要充分发挥锚杆的效果，就必须发挥群锚的作用。也就是说要解决好围岩条件和锚杆长度、间隔的关系。决定锚杆长度、间隔时应考虑的围岩条件如下：l连续性、不连续性的程度；l不连续面的分布特性（间隔、宽度、方向等）；l塑形区域产生的范围。（4）垫板的设置要发挥锚杆的效果，垫板的设置是十分重要的。我们在施工中，多数是不设置垫板的。因为增加垫板，不仅增加了施工成本，对工期也有一定的影响。但从效果上看，这是得不偿失的。日本对此曾进行了试验研究。试验表明：设置垫板比不设置垫板，加载应力提高了2.5倍；垫板面积越大，头部轴力提高也越多。（5）锚杆长期耐久性问题众所周知，锚杆的材料是铁，铁会因氧化而生锈，同时除生锈以外，也会因与围岩某些化学成分反应而腐蚀。腐蚀后锚杆断面积会减小、承载力会降低，与锚固材的附着力也会降低等。但一般大家都没有考虑锚杆的生锈和腐蚀问题。目前的设计观点是：锚杆作为永久结构还没有得到确认，最终还是用衬砌来保证隧道结构物的安全。但从国外的实践经验来看，也有考虑锚杆长期耐久性的。（6）锚杆的商品化问题我们在锚杆施工中，最大的问题是锚杆的商品化问题。可以说，在许多国家，锚杆已经是一种商品。只要选择合适，拿过来用就可以了。而我国的锚杆，目前绝大多数是就地用钢筋自制的。因此，质量的离散性相当大、施工工艺也不能标准化，不能充分发挥锚杆的支护效果，有时就成为一种技嘉的“摆设”。当然，也有一些商品化的锚杆开始工厂化生产。但还没有完全得到业主、设计和施工人员的认可。原因之一就是商品锚杆的成本高。因此，大力降低锚杆的制造成本，提高商品化的速度，彻底改变锚杆的施工现状是非常重要的。（7）锚杆的配置 围岩条件是各种各样的，锚杆的配置也是各种各样的。图2为在不同地质条件下的锚杆典型配置实例。图2—锚杆的典型布置施工要点五混凝土衬砌众所周知，所谓的“内实外美”是我们队隧道混凝土衬砌的一个质量要求。“内实”是衬砌内在质量的体现，“外美”是外观质量的体现。因此，深刻地理解“内实外美”的内涵是非常重要的。一个良好的衬砌质量应符合以下要求。（1）使用性l强度充分、漏水小、水密性好；l使用中的检查、维修等作业性好；（2）可靠性l在隧道变形没有完全收敛的状态下修筑衬砌时，给予隧道稳定必要的约束力；l衬砌施工后，发生水压、上覆荷载等外力时，用衬砌加以支持；l考虑地质的不均匀性、支护质量的离散性、锚杆的腐蚀等，增加结构物的稳定性；（3）耐久性l在设计耐用期间内，维修养护工作量小；l考虑使用开始后因外力的变化和围岩、支护材料的恶化，提高结构物的耐久性。 而在施工中出现的一些问题是：经常出现衬砌厚度不足、衬砌背后留有空洞、回填不密实，二次衬砌与初期支护不密贴和衬砌过早开裂以及漏水等问题。出现这些问题，有多方面的原因，如：施工中出现异常事故（如大塌方、突泥、突水等），处理作业极度困难；抢进度，忽视质量；监理缺乏有效地监控方法；更有甚者是偷工减料造成的。在技术上，因混凝土配比不当而出现蜂窝麻面、强度不足、施工缝处理不当漏水、防水板破损、衬砌表面不平整以及先拱后墙的施工方法等等。因此，在施工中要关注这些问题的解决。1.严格按照施工工艺施工衬砌混凝土的质量，受到施工方法的极大影响。特别是混凝土的现场内的运输、灌注、捣固、养生等各个作业环节。严格按照设计要求及现场试验的结果进行操作。2.控制混凝土配合比，保证混凝土具有良好的施工性能混凝土的施工性能指和易性、坍落度、流动性以及施工时的强度等。因此在施工过程中，应根据施工条件、构造条件、环境条件等，使之具有符合运输、灌注、捣固等作业的施工性能。3.合理的混凝土配比设计合理的混凝土配比设计应该包括：混凝土配比设计强度应大于设计基准强度；水灰比合理选择；合理控制单位用水量（表6）以及限制粗骨料的最大尺寸。粗骨料最大尺寸单位用水量上限粗骨料最大尺寸单位用水量上限20～2517540165表6—单位用水量的限界推荐值结束语众所周知，隧道工程施工是一项周期长、施工过程复杂的工作，隧道二次衬砌作为隧道作业中的关键环节，施工工序及方法的准确适用对隧道的质量至关重要。而隧道二次衬砌过程中控制施工质量的具体技术措施和混凝土浇筑的质量控制是提高隧道二次衬砌质量，保证隧道的安全运行的重要步骤，因此需要引起建设人员的充分重视。参考文献1关宝树隧道工程施工要点集北京：人民交通出版社，20032关宝树隧道工程设计要点集北京：人民交通出版社，20033高少强隋修志隧道工程学中国铁道出版社4周爱国隧道工程现场施工技术人民交通出版社5况世华隧道工程技术高等教育出版社6傅鹤林隧道安全施工手册人民交通出版社