淺埋隧道超前支護措施對比分析

王玉瑞，劉錦濤，韓長樂，陳生坤

(1.中國水電建設集團十五工程局有限公司 西安市 710000；2.西安工業(yè)大學 建筑工程學院 西安市 710021)

0 引言

淺埋隧道埋深較淺，圍巖風化嚴重且較為破碎，整體穩(wěn)定性差，在工程施工中易出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)、拱部掉塊、局部坍塌甚至地表塌陷等工程事故，故需在隧道施工中施作超前支護以避免此類事故的發(fā)生。

超前支護屬于輔助工法，主要用于穩(wěn)定開挖面、預防地表地面下沉。目前隧道施工中常采用的超前支護方法包括超前錨桿支護、超前管棚支護、超前小導管注漿支護、超前預注漿、凍結(jié)法以及地表注漿等。已有眾多學者對超前支護類型以及效果做了大量研究，黃旭[1]采用現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法驗證了超前小導管注漿在淺埋暗挖隧道施工中的可行性。宋政文[2]對武廣客運專線隧道洞口段軟弱圍巖的超前管棚支護效果進行了研究，認為管棚支護效果明顯好于超前小導管支護。譚兵等[3]以銅鑼山淺埋段隧道為工程依托，采用了地表注漿加固巖體，有效地防止了洞內(nèi)涌水及坍塌。張明[4]通過馬鞍梁隧道進行地表注漿加固處理，有效地提高了洞身地層的整體性、穩(wěn)定性和均一性。奚家米等[5]對地鐵聯(lián)絡通道凍結(jié)法的施工現(xiàn)狀進行了研究，得出可以通過改變凍結(jié)管的布置方式、增大管徑的方式來優(yōu)化凍結(jié)法。

這些研究成果有效地解決了具體工程問題，但缺乏對超前支護措施的系統(tǒng)總結(jié)。結(jié)合眾多學者對超前支護措施的研究成果，對超前小導管法、超前管棚支護、凍結(jié)法以及地表注漿進行對比，分析其優(yōu)缺點以及適用范圍，為施工中合理選擇超前支護措施提供依據(jù)。

1 超前支護措施概述

超前支護措施的差異性體現(xiàn)在施工工藝及作用機理方面，針對不同的隧道圍巖條件以及施工環(huán)境，選用合適的支護措施，往往能取得事半功倍的效果。

1.1 超前小導管

(1)施工工藝：首先在工作面周圍布置注漿孔，進行鉆孔，再將小導管按一定的角度通過鉆孔打入地層，最后進行注漿作業(yè)，使工作面上部形成承載殼，以保證施工安全，見圖1、圖2。

圖1 小導管施作

圖2 小導管布置形式

(2)作用機理：通過注漿泵將漿液泵入圍巖中，并利用小導管進行滲透，在完成滲透后，漿液會及時地擴散到圍巖的孔隙或者裂隙中，從而改變巖層土體的物理力學性質(zhì)；并且小導管還能在一定程度上充當超前錨桿的作用，將圍巖的自穩(wěn)時間延長，同樣可以限制工作面在開挖施工后的變形；除此之外，超前小導管可以將圍巖上部壓力傳遞至鋼拱架及前部未開挖圍巖，從而減少加固區(qū)域承受的壓力，以保證施工安全[6-7]。

1.2 超前管棚

(1)施工工藝：在工作面周邊鉆設水平孔，壓入鋼管后封口后進行注漿固結(jié)，在工作面上形成一層傘狀保護環(huán)，并以此進行支護，保證開挖施工的正常進行，見圖3、圖4。

圖3 管棚施作

圖4 管棚布置形式

(2)作用機理：根據(jù)現(xiàn)有理論研究，管棚超前支護的作用機理主要體現(xiàn)在以下幾方面[8]：

①形成梁拱效應，縱向上，管棚前端嵌入圍巖，末端與鋼拱架焊接，形成梁效應；環(huán)向上，在間距合適，注漿飽滿情況下，形成拱效應，事實證明梁拱效應能有效減小圍巖松弛。

②形成拉桿效應，根據(jù)普氏理論，隧道在開挖后，由于豎向荷載的作用，在拱腳處產(chǎn)生水平的推力，但是在軟巖環(huán)境下開挖，拱腳的土體抗拉強度極低，無法承載這部分推力，但在施作管棚后，可利用其環(huán)向拱效應，吸收拱腳推力，即拉桿效應，可以確保拱腳的土體穩(wěn)定。

③隔離效應，此效應主要體現(xiàn)在淺埋隧道，利用管棚形成加固圈，隔離上覆土體與拱圈內(nèi)開挖巖體，從而減小淺埋隧道中的地表沉降變形。

④環(huán)槽效應，在使用鉆爆法施工時，往往會形成一定厚度的松動圈，而在管棚支護下，能夠有效地減小爆破震動沖擊對圍巖的影響。

1.3 凍結(jié)法

(1)施工工藝：首先進行凍結(jié)管鉆孔定位，鉆孔結(jié)束后，在凍結(jié)孔內(nèi)布置凍結(jié)器，安裝凍結(jié)管，使凍結(jié)管與凍結(jié)系統(tǒng)相互連接，最后進行凍結(jié)，見圖5、圖6。

圖5 凍結(jié)法施作

圖6 聯(lián)絡通道凍結(jié)斷面

(2)作用機理：利用凍結(jié)管在土中的循環(huán)冷量，將土中的水凝結(jié)為冰，使巖土變?yōu)閮鐾粒瑥亩_到增強土體穩(wěn)定性及強度的目的，使之形成完整性更好，防水性能更佳的臨時加固體[5,9]。

1.4 地表注漿

(1)施工工藝：先進行鉆孔定位，鉆孔結(jié)束后進行注漿作業(yè)，注漿順序自線路兩側(cè)向中間進行，注漿壓力采用埋深較淺時取小值，埋深較深時取大值，見圖7。

圖7 地表注漿示意圖

(2)作用機理：通過地表注漿，使隧道開挖面上部土體的物理力學性能發(fā)生改變，隧道圍巖的穩(wěn)定性顯著上升。

2 超前支護措施對比

淺埋隧道施作超前支護措施的目的，在于改變隧道圍巖條件與物理力學性能，使之強度與穩(wěn)定性顯著增強，但不同的超前支護措施有不同的施工工藝及作用機理，在實際工程應用時應對各超前支護措施的優(yōu)缺點及適用條件進行比選，如表1所示。

表1 各超前支護措施對比

3 小結(jié)

系統(tǒng)闡述了超前小導管法、超前管棚法、凍結(jié)法與地表注漿法四種超前支護措施的施工工藝和作用機理，對它們在淺埋隧道中的施工特點進行了對比總結(jié)，并從施工操作、工期、對周邊環(huán)境的影響、工程造價等方面分析了它們的優(yōu)缺點，為不同淺埋地層合理選擇超前支護提供了依據(jù)。