淺談超前小導管進洞方案應用分析

昌祿柱

摘? ? 要：目前我國建設行業快速發展，為滿足行業運營等需要，隧道建設成為了建設行業必不可少的一部分。現階段我國隧道設計和施工中，對于軟弱圍巖下，為保證隧道進洞施工安全，絕大多數采用管棚進洞，但管棚施工費時費效，本文主要從洞口受力分析、小導管支護及管棚支護進洞原理出發，結合實際施工，淺述進洞方案選擇。

關鍵詞：隧道洞口受力;小導管進洞;管棚進洞;安全防護

1? 引言

在我國建設行業的快速發展下，為滿足行業運營的需要，隧道的建設亦成為建設工程的重要組成部分[1]。而目前我國建設領域安全形勢嚴峻，隧道施工洞口段的安全防護尤為重要。

隧道進洞尤其是Ⅳ～Ⅵ級的軟巖隧道進洞成敗不僅關系到整座隧道施工能否有一個良好的開端，而且對隧道后續施工作業及竣工后的運營都有著很大的影響。隨著隧道施工技術的進步和發展，地質條件差的隧道采用管棚、小導管進洞已經成為各建設、設計和施工單位較為認可的施工方案，不過，隧道進洞方案的選擇更應根據施工現場實際情況。此外，管棚進洞也不能不加分析論證就照搬照抄。對于隧道進洞方案的選擇，要從技術、經濟、安全、環保等方面綜合考慮，應認真分析每個隧道洞口的受力狀態，根據具體情況制定切實可行的施工方案[2]。

2? 工程概況

某工程隧道全長約1.575km，其中隧道改擴建共計1085m/2座。現場經勘探調查及鉆探揭露，場內及周邊未見滑坡、泥石流、采空區、巖溶、地下洞室等不良地質作用。隧道洞口地質構造較簡單，水量貧乏，洞身圍巖巖性主要為黃尖組中風化凝灰巖，有裂隙水滲出，未見大規模的垮塌現象，穩定性中等，圍巖等級均為Ⅳ級。

3? 管棚支護原理

通過鉆機在洞口開挖面鉆孔，打入開了梅花形溢漿孔的大管棚，然后將按設計調配好的水泥漿或者雙液漿通過壓力泵注入大管棚中，漿液通過溢漿孔擠入周邊圍巖的縫隙中，從而提高隧道圍巖的強度和整體性，預先加強了圍巖的整體自穩能力。通過大管棚向隧道開挖面及周邊輪廓線圍巖注漿（含溢漿效果）形成的水泥固結區可以起到“承載環”的作用，水泥固結環可以支撐住其上部的圍巖重量，降低水泥固結環以內區域的圍巖和隧道永久支護結構承受的應力，水泥固結環以內區域的圍巖和隧道永久支護結構所承受的力僅僅是水泥固結環因為拱向隧道方向而發生變形所引起的應力。并且采用的大管棚為管壁比較厚的無縫鋼管時，因為其慣性力矩大，若布置環向間距較密，那么水泥固結區的變形會更小，從而隧道支護系統所承受的隧道頂部荷載降低很多。其次，在隧道洞口處大管棚初始端一般設有環形套拱結構，大管棚末端伸入到隧道圍巖應力未改變區域，超前大管棚整體結構類似于簡支梁，可以支撐和傳遞大管棚上方圍巖壓力。

4? 小導管支護原理

超前注漿小導管使用管徑為36-50mm口徑的鋼管，將鋼管打入到巖層當中，然后通過鋼管注入水泥漿液，使水泥漿通過鋼管滲透到巖層當中，超前注漿小導管能起到支撐其上方圍巖的作用，水泥漿凝固后能使巖層形成一個整體，從而提高了圍巖整體性、剛度及強度。該預支護技術工藝簡單、造價低，應用廣泛。其缺點就是一次施作距離短，剛度小等使其應用具有一定的局限性。

超前注漿小導管作用機理：超前注漿小導管能與隧道支護結構（主要是初期支護結構）共同承受圍巖應力，同時與圍巖一起形成一個支護體系，其具有管棚的作用效應，也是實現注漿的途徑，最終加固巖層。

超前注漿小導管技術特點：超前注漿小導管施工工法簡單，不需要很強的技術支持，施作方便，能夠提供較大的支護能力，兼具超前大管棚和超前錨桿的優點[4]。

5? 洞口受力分析

以某隧道出洞口為例，主要分析縱向的受力，利用庫侖理論進行隧道洞口段土體壓力大小的計算和滑動面位置的確定是一種理想的分析方法，簡便且可以滿足施工需求。

5.1? 庫倫理論的應用

按“零開挖”施工，隧道洞口拱部覆蓋層很薄，采用垂直方式進行仰坡開挖，在開挖面假設擋墻，在地面為一直線的情況下，運用“彭思來作圖法”（見圖1）可以確定土壓力大小及滑面位置。

（1）從B作BC與水平線成[Φ]角，稱[Φ]線，從A作AL0與墻背成[Φ]+δ角，稱為基線（此處δ=[Φ]） 。

（2）在[Φ]線上以BC為直徑作半圓。

（3）從L0點作BC的垂線L0I，交半圓于I點。

（4）在[Φ]線上量BL=BI，從L點作LD∥AL0，則BD即為所要求之滑面。

其中土壓力：[Ea=12γ·DL·DN=12γDL2=12γDL2·sinδ]

其方向為平行于[Φ]線，位置在距基底1/3h處（h為仰坡開挖高度）214～217。

5.2? 極限穩定分析

在洞頂地表未采取加固措施或加固強度不足、洞口邊仰坡強度和整體性不足、仰拱初支及仰拱未及時封閉等情況下，洞頂覆蓋層會產生與水平面夾角呈[Φ]的極限滑面。此時，依據受力情況可將滑體分為A、B兩塊（見圖2）。

其中A塊受B塊傳遞來的推力和自重，B塊為滑體，其傳遞給A塊的力為[ΔT=W·sinΦ-f·WcosΦ-c1]，B塊處于極限穩定狀態，其是否滑動取決于f值和c值的變化（ΔTmax一般為c=0，f=0.3時）222～224。

從上述分析得出，在A區范圍內施工山體產生滑動塌方的風險非常高，因此，當洞口段施工在A區范圍時，要特別注意做好以下幾點：（1）必須保證初期支護的強度，包括拱架安裝、噴射混凝土及縱向聯結等強度。（2）采用臨時仰拱或臨時橫撐等使初期支護盡快閉合成環。（3）嚴格控制掌子面、仰拱、二襯間的安全步距，盡快施作二次襯砌。

6? 進洞方案選擇

6.1? 確定滑面位置

根據隧道地質剖面圖繪制某隧道出洞口極限滑面示意簡圖（見圖3）。

在確定滑面位置和極限滑面位置后，即可計算洞口仰坡開挖面至滑面的距離。小導管插入長度一般為5m，考慮1m～1.5m的穩定層錨固長度，如計算得仰坡開挖面AB距滑面BD距離即AO小于4m，即考慮采用小導管法進洞;距離超過4m后，就應該考慮采取管棚方案進洞。而經計算得知，本項目隧道出洞口處AO為3.972m，考慮采用小導管進洞方案;其次，結合項目實際施工進度安排以及考慮到資金投入，故本項目采用邊仰坡錨噴支護及小導管預支護等輔助進洞措施。

6.2? 進洞輔助措施方案

（1）拆除原有洞門。

（2）開挖仰坡、邊坡。采用由高到低順序垂直開挖; 邊坡根據地質情況，按1：0.75放坡開挖。

（3）澆筑坡頂截水溝。

（4）對開挖邊仰坡進行加固處理，具體參數如下：[①]Φ22砂漿錨桿，長3.5m，間距1m×1m;[②]Φ6.5鋼筋網片，間距20cm×20cm;[③]C20噴射混凝土，厚度10cm。

（5）沿隧道明暗交界處向外1m安設上臺階拱架（I16工字鋼），間距1m，共計兩榀。

（6）施做初期支護。

（7）穿過鋼架腹部環向間距按35cm打超前小導管，外插角 5°～7°，可根據實際情況調整。小導管采用42mm熱扎無縫鋼花管，壁厚4mm，長4.5m，在鋼管距尾部95cm范圍外鉆6mm壓漿孔，間距15cm，梅花形布置。注漿采用M20水泥砂漿，注漿壓力0.5MPa～1.0MPa。

（8）開挖下臺階，施做下部拱架及初期支護。

（9）及時施做仰拱及混凝土襯砌。

（10）進洞完成。

7? 結論

隧道安全進洞是隧道施工前提，同時也是隧道的安全與質量上的起點。影響著主體工程施工進度管理、安全管理、質量管理等。所以這就要求我們在起點階段嚴格計劃施工，符合規范和設計要求[5]。而作為施工技術人員，在接到圖紙后，要認真對照現場研究圖紙，充分領會設計意圖，并優化設計方案，忌諱不研究、不調查就盲目組織施工。要遵循“安全、經濟、環保、易于實施”的技術方案編制原則，制定科學合理的隧道進洞專項施工技術方案[2]。

參考文獻：

[1] 肖勇，陳永權，何光友，左明.淺埋偏壓隧道洞口段綜合施工技術[J].公路隧道，2016（4）：53～55.

[2] 劉陽平.隧道洞口受力分析及進洞方案探討[J].鐵道建筑技術，2014（11）：49～52.

[3] 劉成宇.土力學（2版）[M].北京：中國鐵道出版社，2009.

[4] 徐恒鑫.隧道超前注漿小導管支護參數分析及穩定性研究[D].廈門大學，2017.

[5] 李洪超.隧道進洞施工過程控制及配套技術[J].四川水泥，2018（4）：144.