超前小導管管徑和管長對其超前支護“棚架”效應的影響分析

劉運生

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

1 概述

在城市地鐵建設過程中，礦山法因其對邊界條件特有的靈活適用性廣泛被采用。由于土質隧道自穩能力較差，且地鐵沿線周邊建筑物、構筑物控制標準較嚴格，為保證作業面人員的安全和控制土體發生較大變形，需對土體采取一定的超前支護措施，增強土體自穩能力［1］。超前小導管因其施工便捷靈活、工藝易于掌握、造價較低而成為最為常用的預支護措施，通過小導管注漿加固前方土體和自身剛度起到超前支護的作用。

目前關于超前小導管布置范圍［2，3］的研究較多且相對成熟，而對于小導管管徑和長度的研究成果較少，且基本停留于較早的經驗公式［4］，經驗公式中采用的參數塌落角度和塌落高度亦難以確定。因此，針對超前小導管管徑和長度的研究具有極其重要的意義。

2 超前小導管作用機理

小導管超前支護的作用主要體現為加固土體和利用自身剛度分散和傳遞荷載的“棚架”作用，作用機理分析如下。

(1)小導管在超前支護中利用自身剛度和“棚架”主要起到荷載傳遞的作用。超前小導管的存在，改變了因掌子面開挖導致周邊土體卸載量、地應力重分布的路徑和分布范圍，將隧道開挖釋放的荷載向前傳遞給掌子面前方的圍巖，向后傳遞給已封閉的初期支護結構，使得掌子面所承受的荷載減少，尤其是臨空面的土體所受的荷載。超前小導管的存在，不僅使掌子面上承受的開挖釋放荷載減小，豎向位移減小，而且在縱向對掌子面起到了一定的約束作用，使掌子面縱向位移減小，穩定性增強。

(2)小導管注漿的目的是改良土和風化巖體的現有性質，根本上改變巖土的物理化學性，在被注范圍內產生一種具備一定強度的膠結體［5］。

3 研究路線

通過在其他條件不變的情況下，改變管徑或長度中的一個參數，進行數值分析，通過對不同的參數對應的隧道開挖后的位移、內力等效應進行的對比分析，研究管徑、長度對超前支護的影響規律。

4 工程實例

4.1 工程概況

以哈爾濱崗阜狀平原地區的地鐵暗挖區間工程為例，通過采用巖土工程計算軟件flac-3d數值分析，研究了小導管管徑、管長在隧道開挖掌子面臨空階段(即毛洞階段)、初期支護階段等整個隧道施工過程中對超前支護的綜合影響程度。

區間主要位于粉質黏土層，中壓縮性，主要力學參數見表1;區間結構覆土厚度約11 m，開挖跨度為6.24 m，采用臺階法施工，初期支護為噴射混凝土，厚度為0.25 m，格柵間距為0.75 m，結構斷面見圖1;區間施工采用臺階法，上臺階預留核心土以增強掌子面的穩定性，每循環進尺0.75 m。隧道施工工序見圖2。

表1 土層力學參數

4.2 模型建立

根據圍巖地質條件、開挖斷面跨度等選取區間隧道左右5倍洞跨為計算范圍;一般地鐵區間均位于地表下10～30 m范圍，構造應力殘存較少，以圍巖自重應力場為主;邊界條件:模型左右、前后邊界為水平法向約束，下邊界為豎向約束，地表為自由面;圍巖采用實體單元模擬，本構模型采用mohr-coulomb模型，初期支護采用 shell結構單元模擬，超前小導管采用beam結構單元模擬，計算模型見圖3。

圖1 結構橫斷面(單位:mm)

圖2 隧道施工工序縱斷面(單位:m)

圖3 三維有限元模型圖

4.3 計算工況

為揭示小導管管徑、長度對其超前支護作用的影響，在開挖進尺、初支厚度等一致的情況下，分別改變小導管管徑(32、38、42、45、50、52、58、60 mm)和長度(1.0、1.5、2.0、2.25、2.5、3.0、3.25、3.5、4.0、4.5、5、5.5、6.0、6.5、7.0、7.5、8.0 m)進行數值模擬，通過對比各自對應的位移而分析各參數的影響趨勢。

4.4 計算分析

(1)管徑的影響分析

小導管管徑的大小決定了導管剛度，且以4次方增加，從而增強了其超前支護的“棚架”作用。拱頂和土體位移云圖見圖4。圖5為位移隨管徑的變化曲線，通過分析，雖然隨著管徑的增大，拱頂和土體的位移呈減小趨勢，但影響甚小，管徑由32 mm增大1.9倍至60 mm時，位移僅僅減小1.3 mm，占原位移的5%。

圖4 拱頂和土體位移云圖

圖5 位移隨小導管管徑的變化曲線

可見，管徑的增大不能明顯提高其“棚架”效應、有效控制隧道初支和土體位移，主要原因:超前小導管直徑相對于其管長較小，整體剛度較小，即超前小導管本身承受荷載的能力較小;且初支剛度、土體剛度和超前小導管剛度不匹配，在一定程度上影響了超前小導管的發揮。

(2)超前小導管長度的影響分析

隧道掌子面土體開挖后，處于臨空面的土體失去既有平衡，將按照自身土體力學特性進行地應力重分布，而超前小導管的存在，在地應力重分布的過程中，起到“橋梁”的作用，重分布的范圍擴大，以擴大至已施作初支或掌子面后方未處于屈服狀態的土體為宜，從而降低了處于臨空范圍或處于屈服狀態的土體的地應力，使其處于暫時的穩定狀態，以便安全地進行隧道施工。

圖6 位移隨小導管管長變化曲線

圖6為位移隨小導管長度變化的曲線，隨導管長度的增加，地表沉降和拱頂沉降均呈減小趨勢，但變化程度由劇減而趨于平緩，與2.5 m時出現拐點。

可見，對于地鐵單線單洞常采用的斷面形式，超前小導管長度采用2.5 m為最優，這樣才能保證對已處于屈服狀態的土體進行有效加固。

5 結論

經過上述研究、分析，結論如下。

(1)由于超前小導管管徑遠小于其長度，其整體剛度較小，超前小導管管徑對其“棚架”效應的影響不大，其直徑的選取以方便注漿工藝為宜。

(2)超前小導管長度決定了其加固和“棚架”的范圍，在一定程度上影響了地應力重分布的范圍。對于地鐵單線單洞常采用的斷面形式，超前小導管長度采用2.5 m為最優，這樣能保證對已處于屈服狀態的土體進行有效加固。

本文通過理論分析和數值分析，研究了隧道超前小導管作用機理，對隧道工程的設計、施工具有積極的指導意義，今后將深化研究初支剛度和土體壓縮模量對合理選用超前小導管設計參數的影響。

［1］關寶樹.隧道工程施工要點集［M］.北京:人民交通出版社，2002.

［2］王鐵男，郝哲，楊青潮.超前小導管注漿布置范圍對地鐵隧道開挖的影響分析［J］.現代隧道技術，2010，47(5):55-58.

［3］王建鵬.隧道超前小導管作用機理及影響因素分析［D］.鄭州:鄭州大學，2006.

［4］張民慶.小導管超前預注漿中注漿管管長和偏角的確定［J］.西部探礦工程，1997，9(4):28-30.

［5］張常委.小導管注漿預加固中小導管數值模擬問題［J］.西部公路隧道技術，2006:170-173.