超前小導管注漿預加固支護機理與效果研究

以西南地區某隧道工程為背景，采用有限元軟件對不同長度超前小導管注漿預加固進行了模擬，結合超前小導管注漿預加固支護機理，對注漿支護效果展開了研究，重點關注隧道開挖引起的地面沉降、襯砌關鍵節點的收斂位移及襯砌應力的分布、變化規律。計算結果表明：超前小導管注漿預加固有效地減小了隧道開挖所引起地面沉降的范圍及最大沉降值，在圍巖加固范圍內的襯砌受力明顯減小；隨著小導管長度的增加，加固效果更顯著。

隧道工程； 小導管注漿； 支護機理； 收斂位移； 地面沉降

U455.49 A

［定稿日期］2022-08-03

［基金項目］中國鐵建昆侖投資集團有限公司2020年度科技研究開發課題（項目編號：KLTZ-KX01-2020-009）

［作者簡介］黃敏（1986—），男，本科，工程師，研究方向為隧道施工。

隧道施工擾動地質體的平衡狀態，地應力會發生重分布［1］，進而導致地層發生變形。特別是當施工過程中遇到軟弱圍巖、破碎帶或是自穩性較差的地層時，地層向洞內收斂的現象尤為明顯［2-5］。此時為了保障施工的安全性，必須采取一定的輔助工法進行預加固支護，現常用的輔助工法有：錨桿法［4］、凍結法［6］、管棚法［7-8］、超前小導管注漿法［9-10］、水平旋噴注漿法［11］，而超前小導管因其施工便利、經濟性好得到了廣泛運用，國內外學者也就小導管超前注漿開展了多方面的研究，王輝等［12］以哈爾濱地鐵3號線會展中心-湘江路站為背景工程，開展了采用不同小導管預注漿參數時，地鐵開挖引起的地表沉降研究；晏啟祥等［13］利用有限差分法，分析了軟弱圍巖地層下近接隧道施工采用不同范圍的小導管注漿加固效果對比分析，分析了注漿過程中隧道的應力變化和位移變化影響；王鐵男等［14］以沈陽地鐵為背景工程，開展了超前小導管預注漿加固范圍對地鐵隧道施工的影響分析，確定了小導管的布置范圍；趙菁菁［15］采用FLAC3D模擬超前小導管注漿施工過程，從漿液擴散、外插角度等方面對小導管的注漿加固機理開展了研究；周興國等［16］以黑石嶺隧道穿越淺埋破碎段為例，對超前小導管注漿時對圍巖位移、應力控制以及塑性區分布、發展進行了模擬。綜上，學者都是依托實際工程，圍繞小導管參數開展了相關的研究，因此，確定小導管施工參數，確保隧道施工過程中圍巖的穩定性顯得尤其重要，本文在前人的研究基礎之上，結合超前小導管預加固機理，通過數值模擬開展了超前小導管預加固支護機理及不同長度小導管對地層的加固效果的研究。

1 工程概況

本文以西南地區某隧道作為工程背景，結合工程施工工期要求以及現場條件，該隧道施工采用臺階法開挖，采用超前注漿小導管預加固技術對地層進行加固，隧道跨度為12.4 m，高9.76 m，初支厚度為0.2 m，二襯厚度為0.45 m。

2 小導管超前支護機理

超前小導管注漿作為保障隧道安全施工的一種輔助方法，其加固范圍及小導管的布設方式受很多因素控制，如圍巖的地質情況掌子面開挖的大小以及施工工法、循環開挖進尺長度等。因此小導管的布設需要結合隧道的具體情況，通常來講，小導管在施工時會向隧道前上方傾斜設置一定角度的外插角，縱向則以隧道軸向布置，橫斷面方向則是以隧道外輪廓線為基準的周圍一定區域，小導管前端是固定在前方還未開挖的地層當中，尾端則常設有鋼拱架與小導管搭配使用。

常見的小導管的布置方式如圖1所示，既可以在隧道外輪廓線外進行全包圍布置，也可以根據實際需要布置為扇形、一字型或者門型，可以單排或雙排布置。

超前小導管預加固是將管壁帶有預留注漿孔的空心鋼管按照某一角度打入地層中，當小導管達到預設位置后，注入水泥漿，漿液通過小導管滲透到地層孔、裂隙中，增強圍巖的承載能力。小導管對圍巖的支護機理主要可以從圍巖加固效應和縱向梁效應2方面進行解釋。

（1）圍巖加固效應。隧道開挖卸荷后，拱頂的巖土體容易發生塌落，尤其是對于穿越破碎巖土層或埋深較淺的隧道，有必要采取針對性的加固措施；超前小導管預加固是通過將水泥漿液加壓注漿使其滲透到地層中，漿液在一定范圍內固結與破碎巖土體一起形成一定厚度的圍巖加固圈，改善了上部巖土體的特性，提高其整體性能和圍巖自承載能力。

（2）縱向梁效應。已有研究表明，小導管在隧道的超前支護中，小導管本身可以起到一定的錨固作用，其錨固機理與錨桿相似，小導管一側鏈接鋼拱架，另一側通過漿液與地層膠結，當加固圈上部傳來壓力時，超前小導管則會發揮縱向簡支梁支護效應，有效抵抗上層破碎巖土體的變形；此外形成圍巖加固圈整體也在縱向充當“縱梁”的作用。

小導管超前預加固有效地改善了圍巖的性質，在還未開挖的地層中形成圍巖加固圈，使得掌子面前方的土壓力減小，提高開挖時掌子面的穩定性，從而保證了安全施工的要求。

2.1 小導管布置方案

按照本文依托的實際工程，小導管布置方案如圖2所示，小導管為42 mm，實際施工時小導管采取的長度為6 m，外插角度為6°，呈扇形單排布置，間距為25 cm，搭接長度為1 m。

單排注漿時，加固圈厚度可按照式（1）計算。

D=2［R2-（S/2）2］0.5（1）

式中各變量定義如圖3所示。

2.2 小導管布置方案計算分析

本文采用有限元軟件進行計算分析，根據實際工程典型斷面建立三維模型（圖4），根據圣維南原理，取左、右邊界距隧道3倍洞徑，模型長90 m、寬50 m、高80 m、計算模型網格劃分示意如圖4所示。

模型底部為固定邊界，限制其水平和豎向位移，側邊界為水平約束邊界，上表面為自由邊界，不約束其位移。計算時，小導管、初支混凝土和加固范圍考慮為彈性本構，地層選擇摩爾-庫倫本構，各材料的物理力學參數如表1所示。

本文擬探討超前小導管預加固支護效果及小導管長度對加固效果的影響，設立表2所示工況。

2.3 施工步驟模擬

本文所選取的工程采用臺階法開挖，首先隧道拱頂加固范圍內超前小導管預施工前注漿，與鋼拱架配合形成預支護系統，然后采用上臺階法開挖一段距離后施做初期支護，初期支護采用C25噴射混凝土，厚度為0.25 m，然后施作二襯，二襯采用C60混凝土，厚度為0.4 m；數值模擬依據實際施工過程，模擬步驟見表3。

3 計算結果分析

3.1 小導管加固效果分析

提取工況1、工況2計算結果對比分析超前小導管注漿預加固支護效果，工況1、工況2模擬得到隧道開挖完成支護后地表沉降曲線如圖5 所示。由圖5可知，未加固時，隧道軸線左、右30 m范圍內均可視為影響區，地表最大沉降為35.65 mm，位于隧道軸線的正上方，在隧道左右30 m處地表沉降為0.98 mm，小于最大沉降值的5%；而當采用小導管（3 m）加固時，隧道軸線左、右20 m范圍內可視為影響區，最大沉降值為31.79 mm，在隧道左、右20 m處地表沉降為1.18 mm，小于最大沉降值的5%。超前注漿小導管預加固有效的減小了地表受隧道開挖而產生沉降的范圍，同時也減小了最大沉降值。

工況1、工況2襯砌應力云圖如圖6所示，分別繪制有無加固措施條件下襯砌應力包絡圖如圖7所示。當無加固措施時，襯砌的最小主應力為-8.42 MPa，當采用小導管加固時最小主應力為-8.18 MPa，在數值上有所降低，峰值應力均出現在拱腳部位，對比二者的應力包絡曲線（絕對值），可以看到，在圍巖加固范圍（圖中陰影部分）下部的襯砌應力減少幅度較大，這是因為上部圍巖的整體性變好，提高了圍巖的自承載能力。

3.2 不同長度小導管對加固效果的影響

提取不同長度小導管加固情況下，地表沉降曲線如圖8所示，可以看到，采用超前注漿小導管加固時，隧道開挖影響區大約為隧道軸線左、右20 m范圍，此范圍隨著小導管長度增加并無明顯變化，隧道軸線正上方沉降最大，隨著小導管長度的增加，地面沉降峰值依次減少，與無加固工況相比，小導管長度為3 m、4 m、5 m、6 m時，地面最大沉降值依次減少11%、23%、29%、43%。

分別統計不同工況下隧道拱頂、拱腰、拱腳、墻角及仰拱收斂位移值，并繪制位移變化趨勢，如圖9所示。

通過統計不同工況下隧道拱頂、拱腰、拱腳、墻角及仰拱收斂位移值可以看出，小導管加固范圍內的關鍵節點（拱頂，拱肩）處收斂位移明顯有減小，小導管長度分別為3 m、4 m、5 m、6 m時，與未加固工況相比，隧道拱頂的位移分別減少了3.9 mm、7.6 mm、10.4 mm、12.3 mm；隧道左拱肩位移分別減少了2.4 mm、3.9 mm、5.6 mm、7.3 mm；隧道右拱肩位移分別減少了2.5 mm、3.8 mm、5.8 mm、7.2 mm；未加固部位的節點（拱腰、拱腳、仰拱）收斂位移也有所減小，但變化不明顯。

提取不同工況下，隧道襯砌關鍵部位的最小主應值統計于表4，由統計結果可知，與未加固工況相比，超前注漿小導管加固時，隧道襯砌拱頂及拱肩的應力值減小幅度較為明顯，具體表現為應力減小幅度隨著導管長度的增長而增大，而拱腰、拱腳及拱底部位雖有一定幅度的減小，但是減小幅度不明顯，這說明了超前注漿小導管加固有效改善了圍巖的自穩性，提高了圍巖自身的承載力（圖10）。

4 結論

本文以西南地區某隧道工程為依托，采用數值模擬的方法探究了超前小導管預加固支護機理與效果，通過對比無加固情況與不同長度小導管時隧道襯砌應力分布情況及地表沉降，得到結論：

（1）超前小導管注漿預加固兼有圍巖加固和縱向梁效應，有效改善了圍巖性質，提高了掌子面的穩定性。

（2）與無加固情況相比，小導管加固明顯減少了隧道開挖引起的地表沉降值，不同長度情況下減少的幅度不同，且小導管預加固有效地減小了地表“影響區”范圍，小導管長度為3 m、4 m、5 m、6 m時，地面最大沉降值依次減少11%、23%、29%、43%。

（3）超前小導管預加固有效地改善了加固范圍內圍巖的穩定性，由應力計算結果可知，在加固范圍內，襯砌應力明顯減少，而未加固范圍內的襯砌應力有一定幅度減少，但減小幅度不明顯。

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