注册监理工程师辅导：隧道工程质量的控制

　　一、概述

　　作为高等级公路的山岭隧道来说，它是大型的永久性的地下建筑物。国家对此地下工程的投资大，对其工程的永久性质量要求很高。为此在隧道的修建过程中，从开挖到修建完成的每道工序、每个环节的分部工程、分项工程的施工质量，国家从技术政策上做出了多种强制规定，并制订了质量标准，这就是国家级的各种设计、施工规范与验收标准。

　　从总体上说：隧道工程的质量主要包括有：

　　1、隧道开挖工程质量;

　　2、隧道支护工程质量包括各种建筑材料的质量;

　　3、隧道排水工程质量包括防排水材料的质量;

　　4、隧道路面工程质量;

　　5、隧道洞口工程质量包括明洞工程质量，就是这五大块质量和总体。

　　二、隧道工程中各分项工程的控制

　　按《公路工程质量检验评定标准》的规定：每座隧道应是具有独立施工条件的单位工程。每个单位工程中又按照施工长度、结构部位、施工特点等划分出了9项分部工程，每项分部工程下又按不同的施工方法、材料、工序等划分出了若干个分项工程。总之由于隧道属地下隐蔽工程，其建设条件又不可预见，可变因素多的特点，影响总体工程质量的因素环节较多，为此，应严格按各种规范要求及验收标准的规定，层层把关，控制、验收，才能达到本高速路工程质量全优的质量目标。下面就将隧道工程中开挖、支护的重要性讲一下。

　　(一)隧道开挖

　　当隧道围岩类别及其相应的结构形式确定后，如何选用相适应的开挖方法和支护条件是关键的第一步。设计文件根据通过结构计算和以往工程中所采用的支护所得成功经验，给定了不同围岩的开挖方法和支护参数。根据设计文件建议的开挖方法，执行具体施工的承包商应认真的研究与试验，应选择安全转换工序，快速的掘进方法：一般在Ⅱ类围岩及以下的软弱围岩，一般采取多导坑的分部开挖法，如侧壁导坑法。开挖工艺应遵循短进尺，早封闭，强支护的要求。对于Ⅱ-Ⅳ类围岩及以下的软弱围岩，一般采用两步台阶法即长台阶法：上部断面先行，待全部完成或大部完成上部断面后再开挖下部断面。在开挖工艺上应遵循控制进尺，光面爆破，支护紧跟的要求;对Ⅳ-Ⅵ类围岩，一般采用全断面开挖法，其开挖断面应一步到位，在开挖工艺上，应通过多次试验选择合理的进尺爆破参数，采用光面爆破法。对局部因围岩岩层不利或层理、节理发育地段，及时采取锚网喷支护。

　　对于Ⅲ类-Ⅵ类围岩地段的光面爆破开挖法，应通过多次试验，才能选择出一套。从钻孔的布置方向、数量、深度、装药量，引爆顺序等多种因素控制的爆破参数。对于地下工程来说不论因内外的经验都证实这是在钻爆法开挖中对洞室围岩扰动最小，工程投资最省的方法。一般比较成熟的施工部门也都愿意接受这种方法。从目前本高速路各隧道的掘进中均采用了此种方法，但是其效果有差异，有的隧道围岩条件能达到Ⅳ-Ⅴ类，围岩的结构性质也差不多，但开挖的内轮廓及超欠挖的情况大不一样。有的内挖边旁钻孔的方向控制不好(边旁钻孔是最难打的炮眼)，在每循环进尺处留出了很明显的错台，有的内挖钻孔布置不当，或装药量不当，也造成了超欠挖的现象，超挖多了，其回填数量多，相应资金投入多。怎样控制超挖，这对承包商的切身利益有关。这是承包单位不愿意看到的事。欠挖多了，必须放炮处理，这样隧道围岩的稳定性是极不利的。这就像一个人做手术一样，在同一部位开两次刀和开一次刀对人体的损伤大不一样是一个道理，希望我们的开挖中，力争不出现费时，费工、对围岩稳定不利的欠挖现象。

　　(二)隧道支护

　　隧道支护分初期支护(初衬)和永久性模筑支护(二衬)。当前采用的支护类型，基本采用新奥法理念。就是根据不同的工程地质条件来制定围岩类别，对不同的围岩类别采用指导性的支护类型。新奥法的主要原理：就是充分利用地质的自稳条件(劲压力拱)纳入隧道支护的一部分，再根据隧道开挖后的实际围岩类别以及开挖后实际量测得到的内净空收敛的速度，变形量的大小的信息，调整已初拟的设计参数，至到隧道内壁趋于稳定。隧道各项支护条件，实际上是在设计支护参数指导条件下的动态设计。下面讲一下，各类支护结构物的主要作用：

　　1、初期支护

　　初期支护的主要结构物为：钢架支撑、喷砼、钢筋网、径缶锚杆。又以隧道所处的位置不一样，围岩条件不一样，为保证隧道开挖期间的施工安全，并尽量少扰动原有的地层平衡条件。一般在洞口浅埋，扁压地段均设计有超前注浆长管棚支护(长度为20~40cm之内)，洞内围岩较差的地段一般也设计有长度有限的超前注浆小导管(管长度在5cm之内，本工程各段长度均5.0m)，或超前锚杆。这两种支护实际上是为保证施工安全而采取对围岩进行预先加固的辅助工程措施。本项目工程中Ⅲ类驻以下围岩地段均设计有以上的超前预加固地层的工程措施。

　　(1)钢支撑：钢支撑的设置应在开挖后即时设置要紧跟开挖。钢架紧跟开挖与延时设置的作用不大一样。有时施工单位为减少开挖与支护互相干扰，在围岩较差的地段，这两道工序和间距拉的很大，这对隧道结构来说很不利的做法。希望正在掘进正洞的单位应予以重视。

　　(2)喷砼：作为初期支护来说，喷砼的工程措施是最重主要结构。目前的地下工程不论围岩条件如何，都应有这种结构。它的主要作用是：

　　a、混凝土能对围岩节理、裂隙起充填作用，将不连续的岩层层面胶结起来，并产生楔效应而增加岩块间的摩擦系数，防止岩块沿软弱面滑移，促使表面岩块稳定。

　　b、喷射混凝土有一定粘结力和抗剪强度，能与岩层粘贴并与围岩形成统一承载体系，改善喷层受力条件。

　　c、喷射混凝土能及时、分层施喷，喷层虽薄但具有较高的早期强度，故喷层能控制围岩变形，即使围岩有较大变形，但不致产生坍塌，从而提高围岩的自承作用。

　　d、喷射混凝土能使坑道周边围岩尽早封闭，防止围岩风化。

　　e、另在设钢架地段，喷砼能及时的将地层压力传递钢架上，对稳定钢架，约束地层变形是至关重要的手段。

　　在喷砼的施作上也应及地紧跟开挖。用初喷4~6cm厚的砼，封闭开挖面。待钢架、锚杆、钢筋网等工程措施到位后，再逐次的施喷砼，使其达到设计厚度，利用喷砼比较落，在有功未达到设计强度前，它有一定的柔性，利用这种少许的柔性与围岩共用变形，使围岩应力度分布后又达到平衡。这样稳定的地层承载拱与喷砼等结构物构成初期支护的承载拱。喷砼的后期，固砼逐步硬化强度提高，其刚性也逐步的增加，至到砼完全达到强度时，成为完全刚性的结构。以附合新奥法先柔后刚的特点。

　　(3)钢架

　　钢架具有较大的支护强度和刚度，安装后可立即承受开挖所引起的松坳压力。钢架可作临时支护单独使用，也可与锚杆、喷混凝土一起作永久支护，配合超前支护其效果更好。

　　A、使用条件

　　(a)自稳定时间很短的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩，在锚杆或喷射混凝土支护发挥作用前，可能发生围岩失稳或坍塌危险时。

　　(b)浅埋、偏压隧道，当早期围岩压力增长快，需要提高初期支护的早期强度和刚度时。

　　(c)在难以施作锚杆、喷射混凝土的砂卵石、土夹石或断层泥等地层，大面积淋水地段，以及为了抑制围岩大的变形需增加支护抗力时。

　　(d)当需要施作超前支护，设置钢架作为超前锚杆(或超前小钢管等)的支承构件时。

　　B、钢架构造和安装要求

　　(a)钢架与锚喷支护联合使用时，应保证钢架(或格栅钢架主筋)与围岩之间的混凝土厚度不小于40mm.

　　(b)钢架的纵向间距，一般在0.6~1.2m，且不宜大于1.2m，两榀钢架之间应设置直径为20~22mm的钢拉杆，沿钢架每1~2m设一根。

　　(c)围岩压力一般通过楔子传到钢架上，故钢架与围岩间应楔紧。从试验资料看，单线隧道加9个楔子时，钢架强度可发挥100%，加5个楔子时，只能发挥强度的80%，故楔子间距宜为1.2m左右。

　　(d)接头是钢架的弱点，因此应减少接头数量。据双线隧道上半断面钢架试验，两节钢架(在对称和偏压荷载作用下)较四节钢架承载力提高近一倍。考虑施工要求，拱部和边墙部分宜采用四~六节钢架。

　　(e)钢架接头通常用连接板和螺栓连接，并要求易于安装。

　　(f)为防止钢架承载而下沉，钢架下端应设在稳固地层上，或设在为扩大承压面的钢板、混凝土垫块止，钢架立柱埋入底板深度不应小于15mm，当有水沟时不应高于水沟底面。

　　(g)开挖下台阶时，为防止钢架拱脚下沉、变形，根据需要在拱脚下可设纵向托梁，把几排钢架连为一整体。

　　C、刚性钢架和格栅钢架、可缩性钢架等类型以往我国多用工字钢、旧钢轨和钢管制造，这种刚架的刚度和强度大，可作临时支撑并单独承受较大的围岩压力，也可设于混凝土内作永久衬砌。在Ⅰ、Ⅱ类软弱破碎围岩中施工或处理坍方时使用较多，但这类钢架与喷射混凝土粘结不好，与围岩间的空隙难于用喷射混凝土紧密充填，导致钢架附近喷射混凝土出现裂缝。

　　工字钢的垂直和水平方向不是等强度和等刚度的，容易横向失稳、扭曲破坏。钢管钢架断面的各向强度和刚度相同，抗压、抗扭曲强度高，钢管内充填砂浆或混凝土时，其强度更高。

　　刚性钢架常用10~20号工字钢，11~24kg/m轻轨或38、43kg/m钢轨，φ100~φ180mm钢管。

　　D、格栅钢架

　　1)格栅钢架的特点

　　(a)格栅钢架是由钢筋焊接而成的格栅构架，其断面形状和尺寸，能根据需要而设计，对大跨度坑道特别适用。

　　(b)钢架安装后可立即承受部分松动荷载，当锚杆喷射混凝土达到一定强度后，便能共同承受逐渐增长的围岩压力，这就符合新奥法先柔后刚的支护原则。

　　(c)与喷射混凝土粘结较好，能形成钢筋混凝土结构，更好地发挥支护作用。

　　(d)钢架与围岩间的空隙，能被喷射混凝土填实，有利于结构受力。

　　2)钢筋网喷砼：钢筋网可提高喷砼的抗剪和与围岩的粘结强度，有利于抵抗岩石塌落掉块和承受冲击荷载，能提高喷砼的整体性，使其应力分布均匀，从而减少砼的收缩和裂缝，在变形较大而自稳性较差的软弱围岩中，应设1~2层钢筋网。

　　钢筋网一般采用φ4~φ10的Ⅰ号钢筋，其网眼间距一般15~30cm，当小于15cm时，回弹增加;当大于30cm将大减弱钢筋网在喷砼中的作用。钢筋网的保护层厚应≥20cm.当设双层钢筋网时，当第一层的喷砼基本覆盖后再铺设第二层。

　　3)钢纤维喷砼：钢纤维喷砼的力学性能优于不掺钢纤维的砼，从大量的国内外试验证明，掺钢纤维后喷砼的抗弯强度提高30%~90%;拉强度提高30%~60%;压强度提高5%~10%;冲击能力提高8倍以上，其韧性提高10倍以上，但钢纤维喷砼的成本高、工艺复杂、喷射机械和管路磨损率大。

　　(4)锚杆与支护结构的主要作用及和种类：

　　A、锚杆的主要作用

　　1)对围岩的加固作用;软弱围岩开挖后，形成的洞窑的沿空面开始变形，当沿坑道周边布设系统锚杆并注浆后，其浆液很快填充顺空面周边的围岩的裂隙增加围岩的内摩擦力，并向围岩施加压力而形成承载拱后，使与喷砼钢架等支护共同承受围岩变形压力，以减少围岩的变形，提高围岩整体稳定性。

　　2)组合作用：在水平式岩层倾角较小的层状岩体中，锚杆能使岩层紧密结合起来，形成类似组合架的结构，能增加层间摩擦力和抗剪强度，从而提高围岩的稳定。

　　3)悬吊作用：由于隧道围岩被断层、节理、裂隙切割，开挖爆破余力可能引起局部岩块失稳，此时用锚杆将不稳定的岩块悬吊在稳定的岩块上或者将侧壁防止不稳定的岩块滑移。

　　B、锚杆的种类：

　　1)目前在国内使用的锚杆类型较多。主要以全长锚固锚杆和端头锚固锚杆两种。全长锚固锚杆不论是锚杆的构造如何，都是水泥砂浆或树脂类粘结剂锚杆和孔壁紧密结合以增加锚杆的抗剪、抗拉和防腐蚀作用，其锚固性能可靠，具有较强的长时期的锚固力，有利于约束围岩的位移。目前在地下工程中使用最广的类型。这种锚杆依不同的围岩条件不同的用途及注浆方式，安装方式方面又分出了实体锚杆、中空锚杆、自进式组合锚杆等。

　　2)端头锚固型锚杆。这种锚杆是通过锚杆端头与围岩用机械式或粘结式锚固，再通过孔口的托盘板及螺母使锚杆受拉，锚杆的受力状态取决于锚杆端头的锚固力。这种锚杆由于受地下水和潮湿空气的作用使锚杆易锈蚀，围岩蠕动后降底锚固力，故这种锚杆只适于临时支护中，这类锚杆的类型有楔缝式锚杆、胀壳式锚杆、倒楔式锚杆。

　　3)摩擦型锚杆。这是将杆体全长开缝且管径比锚杆孔稍大的钢管强行压入锚杆孔中，使岩体孔壁与锚杆固壁产生较大的摩擦力，从而改变或改善围岩的受力状态。这种锚杆在实践中用的不多，所以不多讲。

　　(三)二次衬砌设计

　　目前山岭隧道一般增色采用新奥法施工，复合式结构及初期支护和二次砼模筑衬砌相互结合的结构物，适用于各种围岩条件。

　　1、二次衬砌的主要作用

　　(1)Ⅱ~Ⅳ类围岩：因初期支护的变形很小，很快超手稳定，故二次衬砌不受地层压力，故其主要作用是防水，利于通风和修饰面层。

　　(2)Ⅳ类围岩：虽然初期支护的变形较小，二次初砌承受不大的围岩压力，但考虑到运营后外露钢件锈蚀，初期支护质量不佳有缺陷等原因故应施做二次衬砌，以提高初期支护的安全度，当然也有防水，利于通风装饰方面的作用。

　　(3)对于Ⅰ~Ⅲ类围岩，由于围岩变形较大有膨胀压力，运营中重载车的震动或由于山体浅埋偏压及施工缺陷等原因使围岩变形未趋于稳定。需提前施做二衬时，则二衬是主要的承载结构，需要承受后期围岩变形压力。

　　2、次衬砌的施做要求：

　　(1)初期支护与二衬之间的密贴程度，对复合式陈砌受力状态产生较大的影响。当初支与二衬之间有空隙尤其拱顶灌注砼不密实，或由于砼的收缩产生空隙时，其拱部形成马鞍形围岩压力，拱部小(或无)而拱腰大，此时二衬的拱顶外缘受拉、内缘受挤压，严重者拱顶内缘分层掉皮，而破坏二衬应有的支护作用。所以施做二衬后。一般应向二衬拱顶压注水泥砂浆填充，使二衬与初衬之间尽量不留空隙，这种措施在Ⅰ~Ⅲ类围岩中的衬砌尤为重要。

　　(2)二衬的截面厚度必须达到设计要求。二衬的截面厚度及结构形式取决于围岩压力的大小，当断面形状确定以后，保证二衬的厚度是保证复合式衬砌结构安全的重要因素，这是通过力学计算或大量的实践类比出来的重要参数。其厚度的误差，特别是欠厚的误差，一定要控制在验收规范规定的范围内。

　　(3)二衬砼的强度必须达到设计要求。保证砼的设计强度是保证二衬厚度的前提，故在一次衬砌砼的配制中一定要采用能达到设计强度的合理的配合比，严格控制水泥和标号、用量及粗细骨料的质量。

　　(4)二衬的密实度是保证砼质量及防水标准的重要措施之一，故从应从工作出发砼的配制，运送、灌注、振捣等方面严格把关，使已灌注的砼各项指标达到设计要求。

　　(5)二次衬砌内部结构一定要符合设计要求。在本项目各隧道工程中，对于Ⅰ~Ⅲ类围岩及Ⅲ类围岩的洞口浅埋段，偏压段及围岩较差的地段及特殊要求的结构物段(如紧急行车带等)均设计了钢筋砼的二衬结构，这是加强二衬承载能力的重要措施，所以二衬中所用的钢筋型号、规格、布置及钢筋和绑扎、焊接等工艺一定要符合设计及规范规定的要求。

　　(6)在应施做仰拱的地段必须先施工仰拱的初衬及二衬，拱墙的二衬紧跟使二衬能及时的成环状结构，以在很短的时间内，二衬约束围岩变形。

　　(7)在施做二衬前必须对初衬的质量进行检查验收。

　　(8)在施做二衬前必须对二衬所有的排水设施进行检查，以确保防排水各设备的质量，固二衬后，此部分已成隐蔽工程，一但出差错将适成严重的后果。

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