黃土隧道洞口段超前大管棚預支護的幾點思考

張巨功

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

為減少洞口邊仰坡大開大挖而造成洞頂植被破壞，遵循隧道工程“早進晚出”的原則，保證進洞安全和隧道結構受力穩定，實現基于環保理念的“零”進洞工法，在黃土隧道工程進洞時，常采用長大管棚預支護與注漿加固措施聯合使用的進洞方法[1-2]。管棚工法作為淺埋暗挖隧道施工中的一種重要的輔助工法，在避免因圍巖過度松弛造成的局部失穩坍塌、有效地限制地表沉陷、防止隧道塌方等方面發揮著重要作用。長大管棚預支護進洞技術設計的理論與實踐表明，采用長大管棚可以有效地加固洞口不良地質，能在較薄覆土的情況下實現安全進洞，能減少洞頂植被破壞，有利環保，能夠減少對洞頂原始地表的破壞，對隧道的施工及運營有利。

1 管棚受力原理

在隧道洞口采用長大管棚超前支護進洞技術，可設置混凝土導向套拱，套拱一方面可以起到導向的作用，另一方面可以起到支承管棚和改善管棚受力的作用。在管棚施作前，先施作導向套拱；導向套拱施作完畢達到強度要求后，再通過導向套拱上預留的孔口鉆孔進行長管棚工藝施作；在管棚施作完畢后，再進行注漿工藝施作。

在隧道拱部的管棚，要形成“棚”必須具備兩個方面的條件：a）鋼管間的軟弱土體能形成承載拱；b）具有足夠數量能擴散或傳遞圍巖壓力的桿件結構。

洞口開挖時，管棚外端受到套拱的支承作用，內端則位于已預加固地層內，受到地層固定約束，所以其受力與兩端受支承的簡支梁類似，可按簡支梁受力進行設計計算。

圖1 大管棚結構示意圖

圖2 黃土隧道超前大管棚導向墻施工

圖3 配合套拱施作的管棚受力計算模型示意圖

2 管棚設計

超前大管棚一般采用壁厚6～8 mm的φ108的鍍鋅無縫鋼管，管棚長度10～30 m，環向間距0.4 m，開挖輪廓線外10 cm處鋪設。管棚每循環間的搭接長度一般為2 m，前端15 cm加工成錐形，以減少管棚打入時的阻力，布孔方式如圖4所示。

圖4 管棚布孔方式圖

考慮到黃土圍巖強度較低，受擾動后其結構性遭到破壞，強度顯著下降，致使圍巖壓力過大。為提高管棚的剛度，增加其抗彎性能，黃土隧道管棚在設計時，在其內放入提前加工好的鋼筋籠，鋼筋籠可采用3根或4根直徑為16～22 mm的螺紋鋼制作，中間每隔2 m焊一個固定環。

圖5 鋼花管內置鋼筋籠

3 注漿及洞口段開挖

采用水泥、水玻璃為主劑的混合漿材，既發揮兩種材料優勢，又能節約成本，并具有速凝、可灌性好、抗壓強度高、來源廣、成本低等優點[3]。

陳志敏[4]等分析比較了注漿前后黃土體的抗剪強度指標，并對飽和黃土注漿后的漿液強度變化規律進行了試驗，證明了黃土甚至是飽和黃土中注入水泥水玻璃漿液既可以提高土體的密實度，更能夠顯著提高土體的抗剪強度。

模擬計算中，對于管棚的強化圍巖效應，采用等效方法考慮，通過提高管棚與加固圍巖形成的厚筒結構的參數來實現，注漿加固體參數根據實測選取，注漿計算模型如圖6所示。

圖6 單排管棚注漿計算模型

式中：Q為單孔注漿量；L為注漿段長度；n為地層孔隙率；α為有效注漿系數；β為漿液損耗系數；d為漿液擴散半徑，m；s為相鄰兩注漿孔間距，m；E為折算后土體彈性模量，GPa；Eg為管棚彈性模量，GPa；Sg為管棚支護等效面積，m2；Sc為支護斷面截面積，m2。

在超前大管棚預支護段，隧道開挖方式依然采用環形開挖預留核心土的工法，初期支護采用I20a型鋼拱架、φ6鋼筋網、砂漿錨桿和噴射混凝土，其中砂漿錨桿長度一般為3 m，環縱向間距為1 m。

圖7 黃土隧道管棚與支護段開挖方式

圖8 弧形導坑法開挖步序圖

4 幾點認識和思考

洞口段黃土圍巖表層多為新近堆積土或馬蘭黃土，下接離石黃土，圍巖成洞性能較差，而且洞口段一般位于淺埋、偏壓地段，表層黃土天然狀態下含水率低，遇水易崩解、剝蝕，多具濕陷性，易產生潛蝕，沖溝、落水洞較為發育[5]。在圍巖性能較差的黃土體中鉆孔，鉆孔后孔洞必然會有收縮現象,甚至可能出現坍塌堵孔現象；同時，鋼管太長(比如30 m)必然會使其在插入過程中容易彎折，使其插入困難。因此，如何使長大管棚頂進到位，在工程實踐中必須給予充分考慮。

為防止管棚侵入黃土隧道襯砌外輪廓線,設計時考慮線路縱坡后沿隧道縱向均設置了徑向仰角1°～3°。按外傾角為2°管棚長度30 m計算，則在長大管棚隧道末端將偏離隧道開挖外輪廓線30sin2°=1.05 m，由于管棚導管的鉆孔與插入破壞了管棚以下和開挖輪廓線以上的這部分土體與上部土體原有的連接，因此，這部分土體極有可能在開挖過程中坍塌，如何解決這一問題，有待進一步研究探討。

通過系統的錨桿作用效果試驗，在淺埋隧道拱頂上方的破裂棱體呈整體下沉趨勢，土體內部未發生相對變形，拱部錨桿功效未能充分發揮；因垂直節理發育，深埋隧道拱部系統錨桿起不到懸吊、組合梁和加固土體的作用，無法改善圍巖的應力狀態。研究人員通過現場試驗發現，拱部系統錨桿大多受壓，發揮不了應有的作用效果，建議黃土隧道設計和施工中可取消拱部系統錨桿[6]。但在超前大管棚預支護段，由于黃土圍巖注漿顯著改善了土體的密實度和抗剪強度，加之管棚鉆進過程中對圍巖的擠密作用，拱部系統錨桿的作用機制和洞身段系統錨桿的作用機制不同，管棚預支護段的拱部系統錨桿的受力特性如何及是否可以取消還需要進一步通過現場試驗和理論分析來驗證。

圖9 黃土隧道系統錨桿拉拔試驗

關于黃土隧道初期支護和二次襯砌的受力特性及荷載分擔比也做了大量的研究[7]，研究成果也逐步在工程應用中得以體現，但黃土隧道洞口段注漿后的超前大管棚起到了棚架作用，勢必會分擔部分圍巖壓力，那么初期支護的受力特性就不同于洞身段的初期支護，進而也會影響二次襯砌的受力狀況。初期支護和二次襯砌的設計參數是否可以弱化，初期支護的型鋼拱架是否可以考慮采用格柵拱架替代還需要進一步研究和論證。

5 結束語

本文在分析黃土隧道超前大管棚受力原理及設計參數的基礎上，考慮到管棚注漿后的棚架作用，結合自己對黃土隧道管棚段支護效果的認識，提出了幾個還需要進一步研究的問題：

a）黃土隧道管棚長度設計較長，加之黃土圍巖強度較低，如何使長大管棚頂進到位，在工程實踐中必須給予充分考慮。

b）管棚末端偏離隧道開挖外輪廓線部分的土體極有可能在開挖過程中坍塌，如何考慮這部分土體對支護結構的影響及如何預防坍塌有待進一步研究探討。

c）管棚預支護段的黃土隧道拱部系統錨桿的受力特性如何及是否可以取消還需要進一步通過現場試驗和理論分析來驗證。

d）管棚預支護段初期支護是否可以考慮采用格柵拱架，初期支護和二次襯砌的荷載分擔比如何，二次襯砌的厚度是否可以適當減薄還需要進一步研究和論證。