1施工工艺流程及操作要点
1.1施工工艺流程
施工准备→测量放线→断面开挖→初期喷锚支护→架设钢支架、在架设前焊接吊环（条件允许，也可以在架设后焊接）、通过吊环穿打锚杆固定钢支架及网片，然后复喷混凝土→壁后回填注浆。
1.2操作要点
1）隧道开挖及支护施工在软岩或破碎围岩条件下根据工程地质条件分别选择导洞开挖、分段开挖或全断面开挖。断面开挖的施工工艺流程如图1所示，断面支护的具体操作要点如下：a）围岩开挖，排除松动岩块等危险后，施做初锚喷支护，在破碎带用Φ25mm锚杆将初期支护钢筋网片沿围岩表面固定。b）施作喷射混凝土，将锚杆、钢筋网片与围岩固定成一体。c）按照支护参数要求架设钢支架（工字钢），并在架设好的钢支架两侧边缘间隔焊接吊环，吊环用Φ16～Φ25mm钢筋制作而成。d）将Φ25mm锚杆穿过吊环将二次支护钢筋网片和钢支架与围岩连成整体。e）在相邻的两个型钢钢架之间焊接加强横梁和背板（通常使用角钢、钢管或槽钢等）。f）当断面大或涌水量较大时，围岩压力和变形也随即增大，此时钢支架增设地梁（使用工字钢或钢轨），使钢支架形成封闭结构。g）施做二次喷射混凝土将所有支护构件连接成整体。h）进行壁后回填注浆。应用本施工工艺的隧道断面支护结构示意如图2所示，A－A剖面如图3所示，侧立面如图4所示。2）加强支护措施在隧道或大断面井巷施工中，由于地压较大，特别是有地下水的情况下架设支架十分困难。架设后随着地压显现，支架变形快。此类情况可以采取如下措施：a）在拱部加密超前小导管支护，以形成较为稳定的超前支护，在小导管保护下开挖，架设支架加吊环后并施作钢筋网片打锚杆喷射混凝土后形成整体。b）增设超前管棚支架，在管棚的保护下架设支架后加吊环锚网喷支护，在边墙采用加长锁脚锚杆的措施，以确保支架的稳定，使支架、吊环、锚网喷和围岩连成更加稳固的整体。c）根据现场情况适时采用超前注浆和壁后回填注浆措施。
2隧道三维数值模拟与分析
2.1隧道三维数值模拟
为了对比分析该施工技术的优点，以井冈山至睦村高速公路项目为例进行了隧道三维施工方法数值模拟分析，路线区出露地层为加里东期中粗粒黑云母花岗岩和第四系冲洪积层，在区内岩体风化程度强烈、断裂构造发育，岩体结构差。地下水类型简单，以贫水地层为主。隧道开挖断面净宽约为12.0m，净高7.83m，隧道侧壁高度为5.4m，在距离洞口239.0～287.5m处隧道断面为III级围岩，平均埋深为40.7m，容重为23.4kN/m3，支护结构采用长度为3m的锚杆，16号工字钢为支撑的钢拱架结构，初衬为20cm喷射混凝土进行模拟，参数见表1。断面形状如图5所示，选取6m长的隧道断面进行数值模拟。传统施工方法的钢支撑间距为1.0m，锚杆和钢拱架均设置在进尺中间，本施工技术钢支撑间距为1.5m，传统施工方法中的锚杆和钢拱架均按照设计方提供的施工图纸来布置，本施工技术中的锚杆和钢拱架均按照图2，图3和图4来进行布置，网格划分见图6，钢拱架布置如图7所示。
2.2模拟结果对比分析
地层变形模拟结果分别如图8和图9所示；钢拱架变形模拟结果分别如图10和图11所示；钢拱架竖向应力模拟结果分别如图12和图13所示。从两种施工工艺的对比可以看出：1）对于传统施工方法在同样开挖长度内，地层的竖向变形最大处位于开挖底面隆起1.45×10－3m，拱顶具有向下最大的1.76×10－3m的竖向位移，而本施工技术开挖底面最大隆起9.4×10－4m，拱顶具有向下最大的7.3×10－4m的竖向位移，从对比可以看出在开挖同样长度的情况下，地层的变形本施工技术优于传统施工方法。2）从两种施工工艺开挖引起的钢拱架变形来看：本施工技术引起的钢拱架最大的竖向位移位于拱顶为9×10－5m，最大的水平位移位于拱脚处为4×10－4m，在同样的条件下传统施工方法最大的竖向位移同样位于拱顶为1.24×10－4m，最大的水平位移位于拱脚处为1.4×10－3m。3）从两种施工工艺开挖引起的钢拱架的应力来看：本施工技术引起的钢拱架最大的拉应力为0.26MPa，最大压应力为0.29MPa，在同样的条件下传统施工方法引起的钢拱架最大的拉应力为0.26MPa，最大压应力为0.27MPa，两者基本相同。4）从上面的对比结果可以看出，对于本施工技术不管从受力方面还是从材料实用方面来看都具有明显的经济效益。本施工技术钢支架的间距为1.5m，传统施工方法的钢支架间距为1.0m。从模拟结果来看，在其他条件不变的前提下，无论是从隧道最大位移、钢支架最大变形和最大应力方面进行对比，均优于传统施工方法。
3效益分析
1）本施工技术重点是对施工工艺的改进，能够加快速度、节约成本，减轻劳动强度，而且施工架设非常方便，可节省大量工作面临时支护材料和人工费。在钢支架上加吊环使支架锚网喷和围岩形成整体支护圈，从而使支架从被动承载变成主动承载，而且在井巷或隧道支护中可以适当放宽支架间距，以减少支护材料。按多年来工程实践分析，支架用材料节约率达20%～30%，支架架设速度可以提高一倍以上，其经济效益是非常可观的。每个工程计算下来，在软岩及破碎带段施工中，其综合成本节约率达15%～20%。就整个公司而言，每年矿山隧道施工产值达8～10亿。在软岩破碎带段成本节约率按10%计算，公司每年成本节约达数百万元至数千万元。2）与传统井巷或隧道支护方法相比，节能环保效果明显。本施工技术在支护时增加了吊环和加强背板（角钢），减少了每榀工字钢之间连接钢筋的用量。以井睦高速公路项目为例，表2列出了Ⅲ类围岩隧道断面每米的钢材用量及节约用量。从表2中可以得出，采用本施工技术进行隧道断面支护后，每米节约了370.346kg的钢材用量，节约率达33.47%，给企业带来了明显的经济效益。本施工技术改善了在软岩及破碎带中金属钢支架的支护效果，减少变形和支架的破坏程度，从而在施工方法上保证了安全，提高了整体施工效果。支护用材的减少对节能环保是非常有利的。3）从整体效益上分析，本施工技术的使用有利于业主和企业创建安全的施工环境，加强了在软岩及破碎带施工支护整体效果，大大减轻了工人的体力劳动强度，提高工效1倍以上，对软岩及破碎带支护的施工安全提供了保障。安全就是最大的效益，若因在软岩及破碎带施工中出现伤亡事故，每次重伤花费少则几万元，多则几十万，若死亡事故每个人都是60～80万元以上。我公司自从推行钢支架吊环锚网喷施工工法以来，杜绝了工作面因碎石片帮、落石而产生的伤亡事故。这既节约了大量安全费用，又让职工有安全感和幸福感，也有利于和谐矿区、和谐企业建设，其社会效益是不可估量的。4）本施工技术在软岩及破碎带的推广使用，几十年来应用工程遍及江西、贵州、山西、陕西、内蒙古、福建、安徽等省市。我公司在施工中遇到软岩破碎带的矿山井巷或隧道工程，普遍推广使用本施工技术，都收到了较好的效果。在江西萍乡、丰城、乐平矿区，围岩比较破碎，多数巷道设计都要使用金属支架吊环锚网喷联合支护。采用本施工技术，施工速度都在每月100m以上。在隧道施工中，采用本施工技术在软岩及破碎带段架设钢支架吊环锚网喷支护月进度均达80～100m，其施工效果都优于其他同类施工队的施工进度，而且质量有保证，其经济效益也是可观的。原来我公司的施工队伍进入山西、陕西等外省工程都因速度慢而少有市场，自从采用本施工技术及引进机械化作业后，矿山平巷施工速度每月200～500m，半煤岩巷最高达每月1300m，斜井施工进度达每月120～180m，缓坡隧道施工达每月达200～300m以上。岩巷软岩段、煤巷及半煤巷或隧道施工破碎带采用本施工技术受到了各项目部职工的广泛欢迎，而且所到之处都获得了业主的奖励和称赞。为企业赢得了经济效益、企业信誉和工程市场。这种间接的经济和社会效益是无法用数字计算的。
4本施工技术特点
1）在软岩或断层破碎带的施工段首先进行断面开挖，然后架设钢支架。在架设钢支架时，本施工技术采用一个特别的工艺，就是在支架的边缘上焊接吊环并穿过此吊环打锚杆，通过吊环使锚杆与钢支架和围岩形成整体，从而形成支架与围岩共同构筑支撑圈，达到提高在软岩及破碎带采用钢支架锚网喷的整体支护效果，减少地层压力造成的支架过量变形。2）本施工技术使钢支架由单向被动承载作用原理转换成钢支架与锚网喷围岩形成整体的主动承压圈作用原理，从而使钢支撑与锚网喷支护机理发生变化，真正取得了支架与围岩连成整体形成支护圈共同抵御围岩来压的作用。3）本施工技术在钢支架之间使用加强背板连接，克服了传统钢支护中锚杆与钢支架之间没有连接，整体性较差的技术问题，使整个联合支护结构的支撑受力形成整体效果，增强了支护结构整体性和对围岩的承载能力。4）减少钢支架及锚网喷由于地压大、变形快而造成的返工，节约材料，减少劳动强度，满足施工环保和节能的要求。
5结语
本施工技术适用于矿山井下井巷工程、公路、铁路隧道工程等地下工程中软岩及风化段，以及大断面隧道工程的软岩段或断层破碎带段的施工，且安全、可靠、快速、高效，对治理矿山及论文代理隧道大断面软岩及破碎带工程施工具有普遍的推广价值，并能得到良好的经济和社会效益。
作者：陆志东 何家发 彭小平 张强 单位：中鼎国际工程有限责任公司
