趙勇，劉大剛

（1.川藏鐵路有限公司，西藏 拉薩850000；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都610031；3.西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610031）

0 引言

隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是隧道建造的一個重要環(huán)節(jié)，對于隧道安全、高質(zhì)、快速修建意義重大［1］。通過大量工程實(shí)踐及科學(xué)研究證明，隧道支護(hù)主要有四方面的作用，即保持隧道斷面的使用凈空、防止隧道圍巖質(zhì)量進(jìn)一步劣化、承受可能出現(xiàn)的各種荷載、使隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系具有足夠的安全度［2-4］。因此，任何一種類型的隧道支護(hù)都應(yīng)具有與上述作用相適應(yīng)的構(gòu)造、力學(xué)特性和施工的可能性。由于隧道開挖，對圍巖產(chǎn)生擾動，進(jìn)而導(dǎo)致圍巖變形，為確保隧道圍巖穩(wěn)定性，需構(gòu)建系統(tǒng)的隧道支護(hù)體系［5-6］。

隨著隧道工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，結(jié)合各國圍巖、環(huán)境等實(shí)際情況，通過大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)積累，形成有各具特色的隧道支護(hù)體系，目前主要有基于新奧法（New Austrian Tunnelling Method，NATM）、挪威法（Norwegian Method of Tunneling，NMT）、巖土變形控制分析法（ADECO-RS）設(shè)計(jì)理念建立起來的相關(guān)隧道支護(hù)體系。從新奧法、挪威法及巖土變形控制分析法的發(fā)展歷程可知，挪威法和巖土變形控制分析法均是以新奧法為基礎(chǔ)，再經(jīng)過各國自身地質(zhì)及工程特性發(fā)展演變而來。各種設(shè)計(jì)理念除具有新奧法特性之外，均具有自身的側(cè)重點(diǎn)，如挪威法強(qiáng)調(diào)錨噴一次支護(hù)（單層襯砌）作為永久支護(hù)，濕噴鋼纖維混凝土及新型耐久性CT錨桿為主要的隧道支護(hù)手段；巖土變形控制分析法則強(qiáng)調(diào)超前核心土的重要作用，認(rèn)為超前核心土的變形是導(dǎo)致隧道所有變形真正起因，且能夠決定隧道長期和短期的穩(wěn)定性。

現(xiàn)階段我國隧道支護(hù)施工，從施工理念及實(shí)施方式看，隧道修建仍普遍以新奧法為主，為世界上采用新奧法理念修建隧道工程最多的國家［7］。但目前我國即將全面開工建設(shè)的川藏鐵路隧道中可能出現(xiàn)大量高地應(yīng)力巖爆、高地應(yīng)力軟巖大變形、高地溫、深大活動斷裂等不良地質(zhì)問題［6］，與常規(guī)條件的隧道建造相比，地質(zhì)環(huán)境更為復(fù)雜、自然環(huán)境更為惡劣。導(dǎo)致特殊地質(zhì)隧道支護(hù)設(shè)計(jì)及施工更為艱難，支護(hù)設(shè)計(jì)及施工面臨巨大挑戰(zhàn)?？偨Y(jié)現(xiàn)有研究成果及國內(nèi)外相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合川藏鐵路隧道支護(hù)設(shè)計(jì)難題，從支護(hù)材料及支護(hù)構(gòu)件性能等多方面闡述特殊地質(zhì)條件下隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)內(nèi)容，旨在為川藏鐵路隧道的修建提供技術(shù)參考。

1 川藏鐵路主要不良地質(zhì)條件

川藏鐵路全長1 570 km，由成雅（已運(yùn)營）、雅林（新建）、拉林（在建）3段組成，線路“跨七江穿八山、七上八下”，工程環(huán)境具有“顯著的地形高差、強(qiáng)烈的板塊活動、頻發(fā)的山地災(zāi)害、敏感的生態(tài)環(huán)境”等特點(diǎn)，是“迄今為止人類歷史上最具挑戰(zhàn)性的鐵路工程”。其中，雅林段新建線路長1 011 km，隧道共計(jì)72座、837 km，占線路總長83%，單體最長隧道易貢隧道長約42.4 km，為當(dāng)前我國鐵路最長隧道工程。

受印度板塊對歐亞板塊碰撞擠壓作用影響，川藏鐵路沿線新構(gòu)造運(yùn)動強(qiáng)烈，構(gòu)造應(yīng)力場復(fù)雜，地應(yīng)力值相對較高，在高原與盆地過渡地帶發(fā)育有多條活動斷裂帶，為中強(qiáng)地震多發(fā)區(qū)。地?zé)岷蛶r溶等不良地質(zhì)也較為發(fā)育，對鐵路建設(shè)及運(yùn)營造成影響。

川藏鐵路全線隧線比較高，深埋隧道內(nèi)地應(yīng)力值較高，且地下水滲透壓力大，加之活動斷裂帶、地震、地?zé)岬缺姸嗖涣嫉刭|(zhì)極其發(fā)育，在施工過程中極易出現(xiàn)高地溫、突水突泥、塌方冒頂、軟巖大變形與硬巖巖爆等工程地質(zhì)問題［8］。

為適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境及惡劣的自然環(huán)境，特殊地質(zhì)條件下隧道支護(hù)施工應(yīng)結(jié)合環(huán)境實(shí)際，選擇有針對性的支護(hù)類型及其施工作業(yè)方式，以滿足支護(hù)合理、質(zhì)量可靠、施作高效的預(yù)設(shè)目標(biāo)。

經(jīng)歸納分析，特殊地質(zhì)條件下隧道支護(hù)應(yīng)滿足“三個適配”的特點(diǎn)，具體如下：

（1）支護(hù)應(yīng)能與地質(zhì)環(huán)境相適配，以滿足支護(hù)安全及耐久性的需求。特殊地質(zhì)條件下隧道地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，因此，隧道支護(hù)應(yīng)結(jié)合地質(zhì)環(huán)境實(shí)際，采用與之適配的支護(hù)類型以滿足支護(hù)安全及耐久性需求。

對于一般地質(zhì)環(huán)境，可采用一般性能的支護(hù)構(gòu)件及其組合類型即可滿足支護(hù)功能需要。對于特殊地質(zhì)環(huán)境，如軟弱破碎地層、高地應(yīng)力環(huán)境等，應(yīng)采用高性能的支護(hù)材料或構(gòu)件，如早高強(qiáng)噴混凝土、高剛度噴射混凝土、纖維噴混凝土、自進(jìn)式錨桿、預(yù)應(yīng)力錨桿、大變形錨桿（索）等，充分利用材料的性能優(yōu)勢提升支護(hù)對環(huán)境的適應(yīng)能力；同時(shí)還應(yīng)充分發(fā)揮支護(hù)的作用效能，改善圍巖受力狀態(tài)及其物理力學(xué)性能，以調(diào)動和發(fā)揮圍巖的自支護(hù)能力，使圍巖真正起到主體承載作用，以保證該環(huán)境下的支護(hù)功能需求。

（2）支護(hù)應(yīng)能與作業(yè)方式相適配，以滿足支護(hù)快速施工的需求。為適應(yīng)特殊地質(zhì)條件下的惡劣自然環(huán)境，降低施工人員勞動強(qiáng)度，大型機(jī)械化作業(yè)成為特殊地質(zhì)條件下隧道施工的必然選擇。

但需要指出的是，隧道支護(hù)施工工效不僅與作業(yè)方式相關(guān)，還與支護(hù)構(gòu)件的機(jī)械化作業(yè)適配能力緊密相關(guān)。因此，為滿足支護(hù)快速施工的需求，在安全支護(hù)的前提下，應(yīng)盡量選用與機(jī)械化作業(yè)相適配的支護(hù)構(gòu)件及其組合形式，且盡可能地降低支護(hù)類型中構(gòu)件的多樣性，使作業(yè)工序化繁為簡，提升支護(hù)施工工效成為可能。挪威法所采用的支護(hù)類型及其構(gòu)件形式，即是其施工工效大幅提升的根本保障。

（3）支護(hù)應(yīng)能與投資預(yù)算相適配，以滿足支護(hù)經(jīng)濟(jì)性能的需求。在確保安全支護(hù)的前提下，應(yīng)充分發(fā)揮支護(hù)構(gòu)件的靈活性特點(diǎn)，依據(jù)地質(zhì)環(huán)境動態(tài)變化實(shí)際，及時(shí)調(diào)整支護(hù)構(gòu)件參數(shù)（如錨桿直徑、間距、長度等）；此外，還應(yīng)注重支護(hù)作業(yè)的施工工藝，減少因工藝缺陷所造成的經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。

總之，特殊地質(zhì)條件下隧道支護(hù)施工應(yīng)實(shí)現(xiàn)安全、快速、經(jīng)濟(jì)的綜合預(yù)期目標(biāo)，需要在結(jié)合特殊地質(zhì)條件下隧道支護(hù)施工特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，充分吸收國內(nèi)外現(xiàn)有先進(jìn)技術(shù)成果和經(jīng)驗(yàn)，并積極探索和創(chuàng)新，確保特殊地質(zhì)條件下隧道支護(hù)順利實(shí)施，提升特殊地質(zhì)條件下隧道支護(hù)整體技術(shù)水平。

2 國內(nèi)外特殊地質(zhì)隧道支護(hù)體系現(xiàn)狀

2.1 國外隧道支護(hù)體系

國外隧道支護(hù)施工，從實(shí)施理念及實(shí)施方式逐漸形成了新奧法、挪威法和巖土變形控制分析法等隧道支護(hù)設(shè)計(jì)體系。

2.1.1 新奧法

新奧法由奧地利學(xué)者拉布西維茨（L Rabcewicz）于20世紀(jì)50年代初期創(chuàng)建、并于1963年正式命名［9］，其后在奧地利、美國和日本等多個國家得以迅速發(fā)展，已成為世界各國公認(rèn)的一種隧道與地下工程建造原理。

新奧法是應(yīng)用巖體力學(xué)理論，以維護(hù)和利用圍巖的自承能力為基點(diǎn)，采用錨桿和噴混凝土為主要支護(hù)手段，及時(shí)對圍巖進(jìn)行支護(hù)，控制圍巖松弛和變形，使圍巖成為支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的組成部分，并通過對圍巖和支護(hù)的量測、監(jiān)控來指導(dǎo)隧道工程設(shè)計(jì)施工的方法和原則。因此，噴混凝土、錨桿和量測也稱為新奧法的3個基本要素。

新奧法的特點(diǎn)及優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）適用范圍廣：適用于所有采用礦山法施工的隧道，以及不同使用功能和斷面形狀的隧道。

（2）地層適應(yīng)能力強(qiáng)：無論是硬巖還是軟巖，富水地層還是干燥地層，高地應(yīng)力還是構(gòu)造斷裂帶，均可采用新奧法原理進(jìn)行隧道設(shè)計(jì)和施工。

（3）作業(yè)靈活：易于采用各種輔助支護(hù)措施，使用各種靈活的機(jī)械設(shè)備。

（4）利于施工安全控制：通過對變形和應(yīng)力重分布的監(jiān)測，以便采取必要的預(yù)防措施。

（5）較好的經(jīng)濟(jì)性：充分利用圍巖自身的承載能力，允許應(yīng)力釋放和調(diào)整，使支護(hù)措施適當(dāng)而又不過度，支護(hù)總成本較低。

2.1.2 挪威法

挪威法是以挪威、瑞典等國家為代表的北歐地區(qū)隧道支護(hù)設(shè)計(jì)和施工方法［10］。截至目前，該法已在數(shù)千座隧道中得以成功應(yīng)用。

挪威法由圍巖評價(jià)、合理支護(hù)參數(shù)和高性能支護(hù)材料三部分組成，圍巖評價(jià)主要采用Q系統(tǒng)即巴頓法（N Borton）進(jìn)行圍巖分級，合理支護(hù)參數(shù)主要通過施工觀測和量測記錄所求出的Q值進(jìn)行選擇，高性能支護(hù)材料主要采用高質(zhì)量的纖維噴混凝土和全長膠結(jié)型高拉應(yīng)力耐腐蝕錨桿等。

挪威法以纖維噴混凝土和錨桿作為主要支護(hù)方式，施工方式以機(jī)械化快速施工為主，要求開挖后以最短時(shí)間進(jìn)行支護(hù)，從而減少圍巖變形發(fā)生。挪威法隧道支護(hù)類型及參數(shù)的選擇見圖1。纖維噴混凝土與鋼筋網(wǎng)噴混凝土效果對比見圖2。

圖1 基于Q值的支護(hù)類型選擇

圖2 纖維噴混凝土與鋼筋網(wǎng)噴混凝土效果對比

挪威法采用的錨桿類型有多種，有臨時(shí)錨桿、纖維錨桿和永久錨桿，其中永久錨桿必須有防腐措施，為此開發(fā)了多層防腐巖石錨桿（防腐措施包括鍍鋅、環(huán)氧涂層、內(nèi)部灌漿層、PVC套管、外部灌漿層等），被稱為CT錨桿（見圖3）。且在不穩(wěn)定圍巖情況下，挪威法先通過機(jī)械手噴射快速形成纖維噴混凝土支護(hù)拱，然后施作鋼筋網(wǎng)噴混凝土加勁環(huán)對纖維噴混凝土支護(hù)拱進(jìn)行加固（見圖4）。這種加固效果被認(rèn)為優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼支撐，且不會大幅增加錨桿用量。近年來，高壓（5～10 MPa）預(yù)注漿成為挪威法控制圍巖滲水、涌水和加固破碎圍巖的一種標(biāo)準(zhǔn)方法。通過高壓預(yù)注漿，巖體條件總體得到很大改善，從而大大減小超挖，并且減少了永久性支護(hù)的需求（見圖5）。

挪威法的特點(diǎn)及優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）提高施工效率。由于挪威法不掛網(wǎng)、不設(shè)鋼支撐、不澆筑二次襯砌，因此施工時(shí)間大幅縮短，施工最佳進(jìn)度可達(dá)1 176 m/月。

（2）節(jié)約施工成本。每延米4 000～8 000美元（斷面面積為45～110 m2），價(jià)格僅為新奧法的1/5～1/2；高壓注漿的情況下每延米費(fèi)用約提高20%。

（3）施工更安全。新奧法安裝鋼筋網(wǎng)、鋼支撐時(shí)機(jī)械化程度較低，工人直接面對未支護(hù)的圍巖，危險(xiǎn)程度很高；挪威法依靠噴纖維混凝土和錨桿，兩種構(gòu)件均可采用全機(jī)械化施工，工人遠(yuǎn)離掌子面，因此被認(rèn)為更加安全。

（4）環(huán)保更有利。采用新奧法原理施工時(shí)隧道水泥、砂石等的用量是挪威法的3～5倍，這些建筑材料都是CO2排放的主要來源，因此挪威法建造方式更加綠色環(huán)保。

2.1.3 巖土變形控制分析法

巖土變形控制分析法是20世紀(jì)70年代中期由意大利學(xué)者Pietro Lunardi提出的一種隧道施工方法［11］。該法以圍巖壓力拱理論和新奧法理論為基礎(chǔ)，核心思想是把超前核心土視作一種新的隧道穩(wěn)定工具，通過調(diào)節(jié)掌子面-超前核心土剛度和強(qiáng)度控制隧道變形（包括擠出變形、預(yù)收斂及收斂變形），確保隧道的穩(wěn)定性（見圖6）。該法已在意大利、羅馬等歐洲許多國家隧道工程建設(shè)中得以廣泛應(yīng)用。

巖土變形控制分析法將掌子面-超前核心土的穩(wěn)定性作為隧道變形的控制依據(jù)，并將其劃分為3個類別：即A類（穩(wěn)定）、B類（短期穩(wěn)定）和C類（不穩(wěn)定），據(jù)此指導(dǎo)支護(hù)方式的選擇與設(shè)計(jì)，具體見表1。

表1 巖土變形控制分析法隧道掌子面穩(wěn)定性判別及其支護(hù)方式

巖土變形控制分析法采用的支護(hù)構(gòu)件主要包括超前管棚、超前小導(dǎo)管、機(jī)械預(yù)切槽、掌子面噴混凝土、掌子面錨桿等超前及掌子面支護(hù)構(gòu)件，以及錨桿、噴混凝土、仰拱等洞身支護(hù)構(gòu)件，其中超前及掌子面支護(hù)構(gòu)件的應(yīng)用是該法支護(hù)施工的重點(diǎn)。在軟弱破碎及富水地層，為保證圍巖開挖的穩(wěn)定性，注漿、排水等支護(hù)輔助措施同樣得到重視。

不同掌子面-超前核心土穩(wěn)定級別條件下的支護(hù)措施見表2。

表2 巖土變形控制分析法支護(hù)措施選取

巖土變形控制分析法隧道支護(hù)施工主要采用全斷面開挖、大型機(jī)械化作業(yè)方式進(jìn)行實(shí)施（見圖7），以盡量減少或控制圍巖變形發(fā)生。

圖7 巖土變形控制分析法超前支護(hù)施工

巖土變形控制分析法特點(diǎn)及優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）可實(shí)現(xiàn)各種地層全斷面開挖：有利于現(xiàn)場施工管理及組織實(shí)施，且可減少臺階法或多分部開挖法所需的施工階段。

（2）施工更加安全：各種地層條件均可采用機(jī)械化作業(yè)，減少施工風(fēng)險(xiǎn)。

（3）提升施工效率：具有良好的施工工效，且持續(xù)、穩(wěn)定。

2.2 我國隧道支護(hù)體系

現(xiàn)階段我國隧道支護(hù)施工，從施工理念及實(shí)施方式看，仍普遍以新奧法為主，支護(hù)結(jié)構(gòu)類型主要采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，支護(hù)構(gòu)件包括各種超前及掌子面支護(hù)、洞身支護(hù)構(gòu)件等；從作業(yè)方式看，仍普遍以小型機(jī)械、單工序大型機(jī)械施工為主，總體機(jī)械化水平不高。因此，高質(zhì)支護(hù)、高效施工仍是困擾我國隧道支護(hù)施工的主要問題。

但需要指出的是，隨著“中國制造2025”國家戰(zhàn)略的提出，我國隧道施工裝備制造水平取得了迅猛的發(fā)展。截至目前，我國已自主研制有涵蓋超前及掌子面支護(hù)、初期支護(hù)、二次襯砌等各作業(yè)工序的全系列施工裝備產(chǎn)品，為我國隧道大型機(jī)械化施工提供了良好的硬件條件。此外，在充分吸收國外現(xiàn)有先進(jìn)隧道施工理念的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國隧道修建現(xiàn)狀，也逐漸形成了順應(yīng)我國隧道大型機(jī)械化施工潮流的支護(hù)施工技術(shù)。下面即以典型工程實(shí)例進(jìn)行簡要說明。

（1）鄭萬鐵路湖北段隧道大型機(jī)械化施工。鄭萬鐵路湖北段隧道工程總長167.6 km，均為單洞雙線隧道，隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖占比約67.4%，建設(shè)過程中共在39個工區(qū)開展全工序大型機(jī)械化配套施工。采用的施工裝備涵蓋超前支護(hù)、開挖、初期支護(hù)、二次襯砌各個作業(yè)區(qū)，裝備類型包括注漿臺車、三臂鑿巖臺車、混凝土濕噴臺車、錨桿鉆注一體機(jī)、鋼架安裝臺車、防水板鋪設(shè)及鋼筋綁扎臺架、自動養(yǎng)護(hù)臺車等多種典型裝備。

（2）蘭渝鐵路桃樹坪隧道巖土變形控制分析法施工。蘭渝鐵路桃樹坪隧道全長約3.2 km，為單洞雙線隧道。隧道地形起伏較大，最小埋深僅為6 m，沿線多處穿越淺埋溝谷、既有道路及建筑物，周邊環(huán)境復(fù)雜，圍巖巖性主要為砂質(zhì)黃土、細(xì)圓礫土，地下水發(fā)育，圍巖自穩(wěn)性極差。

隧道原方案采用CRD法施工，施工中出現(xiàn)掌子面突泥涌砂、支護(hù)開裂等現(xiàn)象，嚴(yán)重危及人員安全。后期引進(jìn)巖土變形控制分析法進(jìn)行施工，利用水平旋噴鉆機(jī)、高壓泵站等專業(yè)設(shè)備及配套技術(shù)，采用掌子面玻璃纖維錨桿、超前水平旋噴帷幕及鎖腳旋噴樁等綜合支護(hù)措施加固圍巖（見圖8），實(shí)踐表明，采用40～50 MPa的旋噴壓力成樁效果良好，樁徑可達(dá)60～80 cm，最終實(shí)現(xiàn)了隧道大斷面半機(jī)械化開挖，有效控制了支護(hù)變形，保證了支護(hù)施工的安全性。

圖8 蘭渝鐵路桃樹坪隧道超前及掌子面支護(hù)

從發(fā)展來看，我國隧道支護(hù)施工理念逐漸由掌子面、洞身分區(qū)域圍巖穩(wěn)定性控制向掌子面+洞身三維空間圍巖整體穩(wěn)定性控制轉(zhuǎn)變，而施工方式則逐漸由單工序機(jī)械化向全工序機(jī)械化、信息化乃至機(jī)群協(xié)同智能化作業(yè)方式發(fā)展（見圖9）。中國國家鐵路集團(tuán)有限公司也積極開展相關(guān)課題立項(xiàng)研究，由武九鐵路客運(yùn)專線湖北有限責(zé)任公司牽頭，聯(lián)合西南交通大學(xué)等多家科研、設(shè)計(jì)及施工單位，針對隧道智能化建造相關(guān)技術(shù)開展系統(tǒng)深入研究。

圖9 隧道各工序機(jī)群協(xié)同智能作業(yè)示意圖

3 主要高性能支護(hù)構(gòu)件及相關(guān)施工技術(shù)

3.1 噴射混凝土

3.1.1 早高強(qiáng)噴射混凝土

對于早高強(qiáng)噴混凝土的理解，首先需要清楚其“早高”的具體含義?；炷列阅茈S齡期增長，普通模筑混凝土以1、3、7 d時(shí)間段的性能稱為早期性能，對于噴混凝土，目前我國對其早期強(qiáng)度的要求一般以1 d齡期為基準(zhǔn)，多為5～10 MPa，并未對24 h內(nèi)特定時(shí)間點(diǎn)的強(qiáng)度進(jìn)行明確。在特定的工程環(huán)境下，噴混凝土需要具備更高的24 h強(qiáng)度，并且24 h之內(nèi)的小時(shí)強(qiáng)度也能夠持續(xù)提升，在我國JGJ/T 372—2016《噴混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中就對軟弱圍巖及淺埋隧道地下工程提出了噴混凝土3 h強(qiáng)度不應(yīng)小于2 MPa的要求。

對于噴混凝土早期強(qiáng)度的提升影響因素眾多，除水膠比、外加劑、活性摻合料的種類及摻量等影響因素之外，作業(yè)環(huán)境溫度條件對早高強(qiáng)噴混凝土的早期強(qiáng)度發(fā)展影響尤為顯著［12］。經(jīng)過大量研究表明，影響噴混凝土早期強(qiáng)度（1 d前含1 d）的因子為：水膠比、密實(shí)性、環(huán)境溫度、早強(qiáng)劑、速凝劑、外摻料；影響噴混凝土后期強(qiáng)度（28 d）的因子為：水膠比、密實(shí)性、速凝劑、外摻料。

因此，對于早高強(qiáng)噴混凝土而言，需要因時(shí)制宜，在實(shí)施過程中不能全程依靠同一個配合比，原材料亦需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。根據(jù)季節(jié)變換將施工分夏季和冬季施工，并執(zhí)行不同的原材料和配合比方案。在環(huán)境溫度較低（氣溫低于10℃）情況下，對于24 h以內(nèi)的噴射早齡期強(qiáng)度提升不易，還應(yīng)采取額外的溫度控制（原材料保溫、加熱，隧道洞室內(nèi)升溫等）及其他措施。早高強(qiáng)噴混凝土可采用以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)：

（1）采用低水膠比。通過采用低水膠比提高基準(zhǔn)強(qiáng)度，在提升后期絕對強(qiáng)度的同時(shí)，提高早期強(qiáng)度。

適宜的水膠比宜為0.38～0.45，冬季配比的水膠比宜為0.38～0.42，夏季配比的水膠比宜為0.42～0.45。

（2）添加外摻料或早強(qiáng)摻合料。宜采用硅粉、復(fù)合型早強(qiáng)外摻料以及早強(qiáng)劑。其中，粉煤灰不利于早期強(qiáng)度的提高，不宜更多采用。也可采用其他對早期強(qiáng)度提升的材料或產(chǎn)品，但需要通過試驗(yàn)驗(yàn)證，符合要求后才能予以采用。

（3）選用早強(qiáng)型無堿液體速凝劑?？筛鶕?jù)工程情況，選用特定的早強(qiáng)型無堿液態(tài)速凝劑產(chǎn)品，可聯(lián)系有相關(guān)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)的速凝劑生產(chǎn)廠家，根據(jù)現(xiàn)場地材情況進(jìn)行定制化產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)，加入適量早強(qiáng)組分，對配方進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以滿足相應(yīng)的技術(shù)需求。

（4）根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)整措施。環(huán)境溫度低于10℃時(shí)，應(yīng)及時(shí)啟動冬季配比和冬季施工措施。冬季配比可采用提升膠材總用量和更低的水膠比，適當(dāng)提高純水泥用量。

3.1.2 纖維噴射混凝土

纖維材料是一種具有悠久歷史的混凝土增強(qiáng)材料，在現(xiàn)代混凝土技術(shù)中仍具有舉足輕重的地位。通過提高混凝土基體的抗拉強(qiáng)度、變形能力、阻止原有缺陷擴(kuò)展并延緩新裂縫形成，纖維改善了混凝土的韌性、抗沖擊性以及其他性能，具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，因此纖維混凝土受到了廣泛的應(yīng)用。在隧道與地下工程領(lǐng)域，纖維材料主要用于噴射混凝土和襯砌管片，其中以纖維噴混凝土（FRSC）的應(yīng)用最多，影響最大。纖維噴混凝土是在噴射混凝土的基礎(chǔ)上，通過摻入均勻散布的鋼纖維、非鋼纖維或混雜纖維所形成，在工藝上具備了噴混凝土的機(jī)動靈活，無模板支護(hù)的特點(diǎn)，在材料性能上，與普通噴混凝土相比，又具有良好的抗剪切性能和彎曲韌性，纖維在噴射混凝土中主要起到增強(qiáng)、增韌和阻裂的作用。

國際隧道和地下空間協(xié)會（ITA）第12工作組在總結(jié)各國噴混凝土應(yīng)用的基礎(chǔ)上提出相關(guān)報(bào)告，特別強(qiáng)調(diào)纖維噴混凝土的應(yīng)用，對澳大利亞、巴西、比利時(shí)、加拿大、意大利、日本、韓國、南非和挪威等國的工程應(yīng)用進(jìn)行概述，并予以肯定。纖維噴混凝土成功應(yīng)用能夠充分說明，用纖維代替金屬網(wǎng)是可行且有效的方法。纖維補(bǔ)強(qiáng)與正常的金屬網(wǎng)（通常為5～7 kg/m2、100～150 mm的網(wǎng)格）相比，具有巨大優(yōu)勢，尤其是采用濕噴法時(shí)，有可能超越金屬網(wǎng)失效能量和實(shí)際承載能力，同時(shí)，可以避免不密實(shí)、腐蝕、安裝困難和耗時(shí)等問題。由于纖維補(bǔ)強(qiáng)的優(yōu)勢，其應(yīng)用越來越廣泛，但仍然有許多國家采用金屬網(wǎng)補(bǔ)強(qiáng)。研究及實(shí)際應(yīng)用表明，合適的纖維補(bǔ)強(qiáng)材料可以取代普通的焊接金屬網(wǎng)。纖維噴混凝土將是今后初期支護(hù)采用的主要構(gòu)件之一，應(yīng)該嘗試用纖維代替金屬網(wǎng)，以簡化作業(yè)程序，提高噴混凝土噴射速度和質(zhì)量。

纖維噴混凝土性能優(yōu)越，但前提條件是該技術(shù)需得到正確的應(yīng)用和處置。纖維噴混凝土整體性能的提升，需要基于噴混凝土本身就具備良好的性能和品質(zhì)。這是因?yàn)閲娀炷列阅苄纬膳c射流成型時(shí)的密實(shí)程度高度關(guān)聯(lián)，需要確保高施工性，一旦密實(shí)度不佳，導(dǎo)致性能下降，其纖維增強(qiáng)的作用也將大打折扣，甚至成為阻礙。此外，纖維并不能大幅提升噴混凝土的抗壓強(qiáng)度，對其耐久性提升也主要依靠活性礦物外摻料和特定外加劑的使用。

因此，纖維噴混凝土技術(shù)必須建立在噴混凝土指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，需要高度適應(yīng)其技術(shù)和工藝特點(diǎn)，并正確地進(jìn)行應(yīng)用，才能附加和體現(xiàn)出纖維的技術(shù)特征和性能優(yōu)勢。

不同種類纖維的力學(xué)性能有很大差異，即抗拉強(qiáng)度、彈性模量和斷裂伸長率的不同，因此不同種類的纖維摻入混凝土后其性能也有很大不同。在隧道、隧洞和地下工程中，鋼纖維噴混凝土可應(yīng)用于下列情況：

（1）隧道、隧洞和地下工程的單層襯砌；

（2）下列情形的圍巖初期支護(hù)：①高地應(yīng)力易發(fā)生較大塑性變形的軟弱圍巖和膨脹性圍巖的控制變形措施；②破碎圍巖情況下防止巖塊坍落；③高地應(yīng)力引起巖爆的防護(hù)措施；

（3）修補(bǔ)裂損襯砌，加固既有襯砌結(jié)構(gòu)；

（4）用明挖法修建地下工程的邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)。

3.1.3 噴射混凝土施工技術(shù)

噴射混凝土現(xiàn)已進(jìn)入機(jī)械化時(shí)代，機(jī)械裝備程度已大幅度提高，與人工噴射相比，在效率、安全、品質(zhì)、控制效果上具有獨(dú)特優(yōu)勢，但不同單位之間機(jī)械化施工技術(shù)水平卻參差不齊，在噴混凝土質(zhì)量、成本控制和作業(yè)效率，特別是圍巖變形控制等關(guān)鍵考核指標(biāo)存在較大差異，亟待提高噴射混凝土機(jī)械化施工技術(shù)水平。若要實(shí)現(xiàn)噴射混凝土機(jī)械化施工技術(shù)的廣泛推廣，則需滿足以下要求：

（1）信息化管理。在機(jī)械化作業(yè)條件下，應(yīng)當(dāng)運(yùn)用信息化方式和手段對噴射混凝土各環(huán)節(jié)（如拌合站備料、罐車運(yùn)輸、噴射作業(yè)準(zhǔn)備等）進(jìn)行管理，使得各環(huán)節(jié)之間實(shí)現(xiàn)無縫銜接，提高綜合效率。

（2）合理安排相關(guān)工序的交叉與平行作業(yè)。濕噴工藝與機(jī)械化作業(yè)條件下，作業(yè)環(huán)境和空間條件與傳統(tǒng)人工作業(yè)具有很大差異，可以優(yōu)化施工組織安排，實(shí)現(xiàn)相關(guān)工序的交叉和平行作業(yè)。

（3）加強(qiáng)班組建設(shè)。在目前的機(jī)械化時(shí)代（而非智能化時(shí)代），噴射手技能是影響噴混凝土品質(zhì)、效率、成本的關(guān)鍵，應(yīng)摒除人工作業(yè)時(shí)代的傳統(tǒng)觀念，以“工匠精神”強(qiáng)化專業(yè)噴射班組建設(shè)，提倡工序?qū)I(yè)分包，以人機(jī)協(xié)同充分挖掘潛能。

（4）以試驗(yàn)室為龍頭構(gòu)建質(zhì)量管控體系。噴射混凝土機(jī)械化作業(yè)應(yīng)以高品質(zhì)噴混凝土為目標(biāo)，充分發(fā)揮噴混凝土支護(hù)構(gòu)件在支護(hù)體系中的作用，確保安全質(zhì)量。項(xiàng)目部混凝土試驗(yàn)室在質(zhì)量管控體系中具有重要作用，應(yīng)根據(jù)地材、環(huán)境、作業(yè)過程的變化動態(tài)調(diào)整相關(guān)參數(shù)，保障拌合物工作性在噴射作業(yè)時(shí)滿足高品質(zhì)噴混凝土的要求。

3.1.4 施工裝備

研發(fā)的噴射混凝土施工裝備主要包括單臂、雙臂等噴射機(jī)，裝備通過搭載智能噴射控制系統(tǒng)和三維激光掃描系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)隧道3D輪廓掃描、噴射方量自動計(jì)算、自動分區(qū)、自動規(guī)劃噴射路徑、自動噴射、自動生成施工日志等功能，有效管控噴混作業(yè)質(zhì)量（見圖10）。實(shí)踐表明，噴射機(jī)單臂噴射能力一般為15～32 m3/h，雙臂工效還會進(jìn)一步提升。

圖10 智能型噴射混凝土施工裝備及控制系統(tǒng)

3.1.5 工程案例

蘭渝鐵路木寨嶺隧道，全長19.06 km，位于甘肅省定西市漳縣與岷縣交界處、青藏高原隆升區(qū)邊緣。隧道最大埋深715 m，最小埋深約30 m。受多期構(gòu)造影響，區(qū)域斷裂、褶皺發(fā)育，海拔高，地勢起伏大，初始地應(yīng)力復(fù)雜，實(shí)測水平地應(yīng)力最大為27.16 MPa，巖石強(qiáng)度應(yīng)力比為0.49，處于極高地應(yīng)力狀態(tài)。木寨嶺隧道是全線地質(zhì)條件最差的隧道，具有極高地應(yīng)力和極低圍巖應(yīng)力，施工難度大、為極高風(fēng)險(xiǎn)隧道，是蘭渝鐵路控制性重難點(diǎn)工程，也是當(dāng)時(shí)全國鐵路最為高風(fēng)險(xiǎn)的隧道。

在大莊溝斜井采用中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司C30早高強(qiáng)噴射混凝土技術(shù)成果替代原C25普通混凝土（見圖11），支護(hù)厚度為25 cm，其余支護(hù)參數(shù)不變，進(jìn)行與套拱段支護(hù)效益和經(jīng)濟(jì)性的對比。通過對2個試驗(yàn)段的觀測和對比發(fā)現(xiàn)，早高強(qiáng)噴混凝土技術(shù)能夠有效遏制早期變形發(fā)展，與普通噴射混凝土段支護(hù)效果對比見圖12。

圖11 木寨嶺隧道大莊溝斜井進(jìn)口

圖12 早高強(qiáng)噴射混凝土與普通噴射混凝土支護(hù)效果對比

木寨嶺隧道工程實(shí)踐表明：大變形難以避免，但通過優(yōu)化支護(hù)參數(shù)，適當(dāng)提升支護(hù)剛度，有利于控制變形，促使支護(hù)-圍巖結(jié)構(gòu)更早地穩(wěn)定。早高強(qiáng)噴射混凝土具備更高的早期性能，在聯(lián)合鋼支撐及其他支護(hù)構(gòu)件時(shí)，使得整體支護(hù)效果更好。此外，支護(hù)方案不僅要在技術(shù)上可行，在經(jīng)濟(jì)上更需要合理。早高強(qiáng)噴射混凝土提高了噴層的性能和質(zhì)量，與套拱支護(hù)段相比，可將初期支護(hù)一次施作到位，簡化工序，避免拆換，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3.2 錨桿（索）

隧道工程中常用的普通砂漿錨桿和普通注漿錨桿從受力機(jī)理來看屬于被動支護(hù)錨桿的系列，即只有在圍巖發(fā)生一定變形，注漿固結(jié)達(dá)到一定強(qiáng)度后才隨著圍巖變形發(fā)揮支護(hù)作用，導(dǎo)致支護(hù)時(shí)效較慢，這種情況對于常規(guī)硬質(zhì)巖地層還是可以適用的，而對于軟巖或特殊環(huán)境地層，需要錨桿提供及時(shí)支護(hù)力的情況則往往不能起到較好的支護(hù)效果［13］。

對于特殊情況，如大斷面隧道、軟弱圍巖、高地應(yīng)力巖爆及大變形等，開挖后需提供及時(shí)的支護(hù)力以改善圍巖的受力狀態(tài)、約束圍巖的初始變形速率、控制圍巖松動圈的發(fā)展，此時(shí)，通過采用預(yù)應(yīng)力錨桿對圍巖施加主動支護(hù)，往往會起到良好效果。在此，通過舉例說明適應(yīng)于特殊地質(zhì)條件下的錨桿（索）支護(hù)構(gòu)件。

3.2.1 低預(yù)應(yīng)力中空錨桿

中空錨桿由細(xì)長的中空桿體作為受力桿件，頭部帶有墊板、螺母等配件，通過錨固介質(zhì)使桿體與圍巖底層共同作用，用以控制圍巖變形的一種錨固裝置［14］。預(yù)應(yīng)力中空錨桿則是利用中空桿體自由段的彈性伸長，對中空桿體施加預(yù)應(yīng)力，用以主動提供加固圍巖所需支護(hù)力的中空錨桿。低預(yù)應(yīng)力中空錨桿一般由以下部件組成：

（1）中空錨桿體：為全螺紋中空鋼質(zhì)桿體，按錨桿安裝方式不同，錨桿體的中空孔可作為注漿（向下安裝）或排氣（向上安裝）的通道。

（2）錨固端（段）：包括機(jī)械錨固和粘結(jié)錨固2類。機(jī)械錨固：漲殼錨固件整體長20～30 cm，由2個楔塊和漲殼體組成，所有的零件都由高強(qiáng)度精鋼鑄成。目前已開發(fā)有適合中高硬巖條件錨固的表面為環(huán)向倒鋸齒、“人”字形倒鋸齒或顆粒狀倒鋸齒的漲殼夾片，以及適合軟巖條件錨固的表面為糙面構(gòu)造的漲殼夾片。粘結(jié)錨固：錨桿體與早強(qiáng)錨固材料粘結(jié)，粘結(jié)錨固段長度應(yīng)視圍巖條件、錨固力需求及壓縮區(qū)長度而定，一般50～150 mm。

（3）墊板：一般采用拱形墊板，中孔與球墊配合，可方便調(diào)整角度，墊板承載力（高度變形量）需符合工程要求，墊板上需帶注漿（或排氣）孔。

（4）螺母（帶半球墊圈）：用于預(yù)應(yīng)力外部鎖定緊固件和傳遞荷載的構(gòu)件。

（5）注漿（或排氣）管：塑料管一端深入鉆孔，一端留在洞外。根據(jù)錨桿安裝方式（向上安裝或向下安裝）與中空錨桿配合使用，具有注漿或排氣的功能。

（6）連接套：對于錨固工程來講，有時(shí)需要的錨桿長度較長，1根錨桿的長度難以滿足現(xiàn)場施工要求，為此開發(fā)了連接套，連接套是帶有內(nèi)螺紋的套管，內(nèi)螺紋的尺寸和牙型與中空錨桿體表面的螺紋相匹配，用于錨桿體間相互連接，起著接長錨桿的作用。

低預(yù)應(yīng)力中空錨桿可分為漲殼式預(yù)應(yīng)力中空錨桿（見圖13）、分段式預(yù)應(yīng)力中空錨桿（見圖14）、套管式預(yù)應(yīng)力中空錨桿（見圖15）等。

圖13 漲殼式預(yù)應(yīng)力中空錨桿

圖14 分段式預(yù)應(yīng)力中空錨桿

圖15 套管式預(yù)應(yīng)力中空錨桿

3.2.2 自進(jìn)式中空錨桿

自進(jìn)式中空錨桿由中空螺紋鋼管、連接器（可選）、鉆頭、墊板、螺母等組成。自進(jìn)式中空錨桿結(jié)構(gòu)見圖16。

3.2.3 大變形錨桿（索）

大變形錨桿可分為釋能讓壓錨桿和恒阻大變形錨索［15］。

（1）釋能讓壓錨桿。所謂“讓壓錨桿”，即在保持錨桿恒定支護(hù)阻力的條件下，允許圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定位移量以釋放部分圍巖壓力及動荷載作用時(shí)積累的能量，當(dāng)這種可控的變形-讓壓量釋放完畢后，讓壓錨桿隨變形的進(jìn)一步加大而持續(xù)承載直至破壞?；谏鲜鏊枷耄邪l(fā)的讓壓錨桿結(jié)構(gòu)特征為：在錨桿中安裝一種特定的讓壓裝置，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形時(shí)，通過讓壓裝置使錨桿體產(chǎn)生與巖土體相適應(yīng)的變形，避免錨桿體拉斷失效，保持支護(hù)作用，是一種可以有效地控制復(fù)雜多變而又難以支護(hù)的大變形圍巖中的特定錨桿（見圖17）。

圖17 讓壓錨桿

按讓壓方式進(jìn)行劃分，通?？煞譃樘淄彩阶寜哄^桿（見圖18、圖19）和擠壓套式讓壓錨桿（見圖20）2類。

（2）恒阻大變形錨索。恒阻大變形錨索又稱為NPR（Negative Poisson's Ratio）錨索，是一種新型錨索，主要由恒阻器、鋼絞線、方形托盤、錨具等組成，能夠在隧道圍巖發(fā)生大變形時(shí)產(chǎn)生滑移變形，并保持恒定的工作阻力。NPR錨索結(jié)構(gòu)見圖21。

3.2.4 施工裝備

圖18 套筒式恒阻讓壓錨桿（內(nèi)錨讓壓）

圖19 套筒式恒阻讓壓錨桿（外部讓壓）

圖20 恒阻擠壓套式讓壓錨桿（錨底內(nèi)錨式）

圖21 NPR錨索結(jié)構(gòu)

國內(nèi)外錨桿（索）的施工裝備基本類似，主要包括鑿巖臺車和錨桿臺車2類，其中錨桿臺車是用于鉆鑿錨桿孔并完成部分或全部錨桿安裝工序的自移式專用設(shè)備。

目前，我國已研發(fā)出系列功能齊全、自動化程度高的智能型錨桿臺車裝備，如XD20智能型錨桿臺車、MTZ141智能型錨桿臺車等（見圖22、圖23），可實(shí)現(xiàn)錨桿施工的高度機(jī)械化、智能化，減輕了工人勞動強(qiáng)度，提高了工作效率和施工質(zhì)量。

圖22 XD20智能型錨桿臺車

圖23 MTZ141智能型錨桿臺車

3.2.5 工程案例

京張高速鐵路新八達(dá)嶺隧道全長12.01 km，八達(dá)嶺長城站位于新八達(dá)嶺隧道內(nèi)，車站中心里程距離隧道進(jìn)口8.79 km，距離隧道出口3.22 km。車站兩端的站隧過渡段，是1個由兩線鐵路過渡到四線鐵路的單跨隧道，最大開挖跨度32.7 m，拱頂埋深62.7～120.0 m。大跨過渡段洞身主要穿越強(qiáng)、弱風(fēng)化花崗巖，塊狀構(gòu)造，巖體總體上較完整～較破碎，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，巖塊單軸飽和抗壓強(qiáng)度為40～60 MPa。大跨段DK68+260—DK68+300處露F2斷層，與線路相交角度35°，斷層帶寬約2 m，帶內(nèi)夾泥、巖體破壞、強(qiáng)風(fēng)化，為Ⅴ級圍巖。大跨段為目前我國開挖跨度最大的暗挖鐵路隧道，安全風(fēng)險(xiǎn)高，施工難度大［16-17］。為保證隧道的穩(wěn)定性，新八達(dá)嶺隧道設(shè)置了預(yù)應(yīng)力錨（桿）索支護(hù)，其中Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ級圍巖設(shè)置7-φ15.2 mm和5-φ15.2 mm的預(yù)應(yīng)力錨索；Ⅴ、Ⅳ級圍巖在拱墻位置設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索，間距（環(huán)×縱）分別為2.4 m×2.4 m和3.6 m×2.4 m；Ⅲ級圍巖在局部設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索（見圖24）［18］。

3.3 超前及掌子面支護(hù)

超前及掌子面支護(hù)是在初期支護(hù)手段和分部開挖措施不能有效或高效作用的場合而采取的支護(hù)措施，其目的是控制掌子面擠出變形及其前方的超前變形、保證掌子面的穩(wěn)定、隧道結(jié)構(gòu)安全和周圍環(huán)境安全［19］。隧道位于軟弱松散地層條件時(shí)，自穩(wěn)性非常差，施工中除了采用合理的施工方案外，開挖前必須采用一些輔助措施先對掌子面前方沿隧道輪廓線進(jìn)行超前加固，然后再開挖，以保證施工安全。在此主要對不同類型的超前及掌子面支護(hù)，以及其輔助施工的施工工藝和施工裝備進(jìn)行介紹。

3.3.1 超前支護(hù)

（1）超前小導(dǎo)管施工。超前小導(dǎo)管注漿是隧道開挖過程中對下一步需要開挖的區(qū)域進(jìn)行超前支護(hù)，主要適用于軟弱和松散圍巖，在隧道開挖后圍巖不宜形成自承拱的圍巖，有時(shí)和管棚注漿技術(shù)結(jié)合對隧道圍巖進(jìn)行預(yù)加固。

超前小導(dǎo)管注漿是在開挖前，沿隧道周邊向前方圍巖內(nèi)打入帶孔小導(dǎo)管，并通過小導(dǎo)管向圍巖壓注起膠結(jié)作用的漿液，待漿液硬化后，坑道周圍巖體就形成了有一定厚度的加固圈。在此加固圈的保護(hù)下即可安全地進(jìn)行開挖等作業(yè)（見圖25）。小導(dǎo)管管徑一般為32、42 mm，壁厚3.5 mm，導(dǎo)管單根長3.5～6.0 m，環(huán)向間距3根/m，縱向搭接長度不小于1 m；后注水泥漿或雙液漿。

圖25 注漿小導(dǎo)管加固隧道圍巖斷面

漿液被壓注到巖體裂隙中并硬化后，不僅將巖塊或顆粒膠結(jié)為整體起到了加固作用，而且填塞了裂隙，阻隔了地下水向坑道滲流的通道，起到了堵水作用。因此，超前注漿小導(dǎo)管不僅適用于一般軟弱破碎圍巖，也適用于含水的軟弱破碎圍巖。

（2）超前管棚施工。超前管棚不但可以對隧道圍巖起到一定的支撐作用，而且還可與注漿技術(shù)相結(jié)合，提高隧道周邊圍巖的物理力學(xué)性能，是隧道工程中較為常用的超前支護(hù)措施（見圖26）。

圖26 超前管棚處理隧道圍巖斷面

超前管棚是在隧道開挖前沿隧道外周用鉆機(jī)設(shè)置水平的鋼管而后在鋼管內(nèi)外充填砂漿的工法，是抑制洞口、拱頂穩(wěn)定和先行位移、地表面下沉及保護(hù)周邊環(huán)境的一種方法。采用的鋼管比一般鋼管直徑大，控制地表面下沉的效果很高。

根據(jù)國內(nèi)外實(shí)踐，綜合我國目前地下工程管棚支護(hù)應(yīng)用的實(shí)際案例，管棚支護(hù)主要適用于：軟弱砂土質(zhì)地層，砂卵礫石地層，膨脹性軟流塑、硬可塑狀粉質(zhì)黏土地層，裂隙發(fā)育巖體、突泥突水段、斷裂破碎帶、塌方段、破碎土巖堆地段、淺埋大偏壓等地質(zhì)和地下水豐富條件的地下構(gòu)筑物施工的支護(hù)，隧道進(jìn)出口段開挖的支護(hù)，也多應(yīng)用于地鐵等穿越城區(qū)的地下工程的開挖預(yù)支護(hù)，可作為穿越既有建筑物、公路、鐵路及地下結(jié)構(gòu)物下方修建隧道的輔助辦法。

3.3.2 掌子面支護(hù)

（1）掌子面噴混凝土施工。掌子面噴混凝土是在開挖后自穩(wěn)性差的開挖面噴射3～10 cm的混凝土，覆蓋掌子面，以防止掌子面松弛，提高掌子面的自穩(wěn)性。噴混凝土并非作為軸力構(gòu)件發(fā)揮作用，而是防止掌子面發(fā)生掉塊，常與掌子面錨桿同時(shí)使用。此外通過觀察噴混凝土表面是否有裂紋發(fā)生，還可以作為掌子面是否有崩塌發(fā)生的信息（見圖27）。

圖27 掌子面噴混凝土

掌子面噴混凝土可用來防止圍巖掉塊，其對施工要求不高，在洞身初噴混凝土?xí)r可一并噴上，因此，在掌子面圍巖條件較差，有掉塊可能危及施工安全時(shí)，可采用掌子面噴混凝土。

掌子面噴混凝土作為掌子面支護(hù)的常用措施，在掌子面圍巖條件較差時(shí)，常和其他超前及掌子面支護(hù)措施共同作用。其施工工藝和隧道洞身噴混凝土并無太大區(qū)別，此處不再介紹。

（2）掌子面錨桿施工。掌子面錨桿是向掌子面前方圍巖，水平地打設(shè)錨桿的方法（見圖28）。掌子面錨桿一般有小于6 m的短錨桿和大于6 m的長錨桿，前者用于防止松弛和裂隙張開而導(dǎo)致的崩塌，后者則以抑制先行位移為主要目的。其中，纖維錨桿是比較常用的掌子面錨桿類型。

圖28 掌子面錨桿

掌子面錨桿適用于低黏聚力軟弱地層中的大斷面隧道開挖。易挖除性是纖維錨桿優(yōu)于鋼質(zhì)注漿管的主要特點(diǎn)之一，使其在TBM等機(jī)械化施工工程中不會損壞刀具。因此，其主要應(yīng)用在施工難度較大的機(jī)械化施工工程中的土體錨固改良。

3.3.3 超前及掌子面支護(hù)輔助施工

（1）超前注漿施工。注漿技術(shù)是指以氣壓、液壓或者電化學(xué)等為動力，使注漿材料進(jìn)入軟弱或破碎巖體中，使軟弱、破碎的巖體結(jié)合成為一個整體。在掌子面前方圍巖條件較差時(shí)，超前注漿可作為超前及掌子面支護(hù)的重要輔助措施，通過注漿可明顯改善掌子面及前方圍巖條件。

采用超前小導(dǎo)管注漿，對圍巖加固的范圍和止水的效果有限，作為軟弱破碎圍巖隧道施工的一項(xiàng)主要輔助措施，占用的時(shí)間和循環(huán)次數(shù)較多。超前深孔注漿能較好解決這些問題。

深孔注漿一般可超前開挖面30～50 m，可以形成有相當(dāng)厚度和較長區(qū)段的筒狀加固區(qū)，從而使堵水的效果更好，也使注漿作業(yè)次數(shù)減少，它更適用于有壓地下水及地下水豐富的地層，也更適用于采用大中型機(jī)械化施工的隧道（見圖29）。

圖29 超前深孔注漿加固

（2）超前水平旋噴施工。水平高壓旋噴是隧道開挖中控制隧道變形的有效超前支護(hù)輔助措施，其主要應(yīng)用于軟土隧道，對周邊環(huán)境擾動小，施工安全性高。但其施工工序復(fù)雜，施工速度慢，造價(jià)高昂。水平旋噴是以高壓泵為動力源，通過水平鉆機(jī)鉆桿、噴嘴把配制好的漿液噴射到土體內(nèi)。噴射流以巨大能量將一定范圍內(nèi)的土體切削，并在噴嘴作緩慢旋轉(zhuǎn)和進(jìn)退的同時(shí)切割土體，強(qiáng)制土顆粒與漿液攪拌混合。漿液凝固后，形成水平圓柱狀水泥土固結(jié)體即水平旋噴樁，當(dāng)旋噴樁相互咬合后，便以同心圓形式在拱頂及周邊形成封閉的水平旋噴帷幕體，起到防流砂、抗滑移、防滲透的穩(wěn)定拱殼保護(hù)作用。隧道拱部水平旋噴注漿體形成拱棚示意見圖30。

圖30 隧道拱部水平旋噴注漿體形成拱棚示意圖

根據(jù)多年工程經(jīng)驗(yàn)，超前水平旋噴主要包括拱部水平旋噴和掌子面水平旋噴，主要適用于流塑狀、孔隙率小、開挖后自穩(wěn)能力極差的地層，如含水砂層、淤泥地層、含水全風(fēng)化地層、第三系含水未成巖地層等。

3.3.4 超前及掌子面支護(hù)施工裝備

川藏鐵路隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，不同類型的隧道需要用到的超前及掌子面支護(hù)措施不盡相同，所采用的施工裝備也不相同。其中，掌子面支護(hù)用到的噴混凝土、錨桿等施工裝備和洞身支護(hù)基本相同，可能用到的其他超前及掌子面支護(hù)施工裝備見圖31、圖32。

3.3.5 工程案例

圖31 ZYS113G全電腦高原型三臂鑿巖臺車

圖32 智能化成套注漿設(shè)備

廈門—深圳鐵路梁山隧道［20］穿越L7富水軟弱帶，使工程進(jìn)展嚴(yán)重受阻。L7富水軟弱帶與該隧道洞身相交于里程DK 96+505—DK 96+533段，延伸長度約2.3 km。為確保隧道順利通過L7富水軟弱帶，通過多種經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比選，最終確定的超前預(yù)加固方案為：“全環(huán)水平旋噴樁超前加固圈+拱墻大管棚超前支護(hù)及補(bǔ)充注漿+掌子面水平旋噴樁改良預(yù)加固”的綜合加固措施。通過對預(yù)加固體系的支護(hù)機(jī)理及支護(hù)效果進(jìn)行研究分析可知，旋噴樁加固圈厚度為0～3 m時(shí)，加固效果顯著；全環(huán)水平旋噴樁可以起到承載與止水的雙重作用，并可減弱支護(hù)體系所承受的外荷載。從承載方面看，施作旋噴樁后可使圍巖向最大位移減小12.2%，二次襯砌的最大主應(yīng)力可減小5.3%；從止水方面看，施作旋噴樁后可有效降低固結(jié)體滲透系數(shù)，可在開挖輪廓線外形成一道阻水屏障，防止在滲水過程中把固體物質(zhì)帶出而發(fā)生較大規(guī)模的涌水，可顯著降低坍塌的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)束語

隨著隧道高性能支護(hù)材料的發(fā)展，隧道建造高性能支護(hù)體系的建立已是必然趨勢。通過對現(xiàn)有支護(hù)體系、支護(hù)材料及性能、工程實(shí)踐的分析，明確高性能支護(hù)類型及相關(guān)施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。從高性能支護(hù)構(gòu)件類型（早高強(qiáng)噴射混凝土、纖維噴射混凝土、預(yù)應(yīng)力錨桿（索）、超前支護(hù)及掌子面加固）、支護(hù)機(jī)理、施工技術(shù)、施工裝備及工程案例5個方面，闡述高性能支護(hù)體系在未來我國特殊地質(zhì)條件下隧道建設(shè)的應(yīng)用前景，可為我國川藏鐵路隧道的修建提供技術(shù)參考。