超前小導(dǎo)管管徑和管長對其超前支護“棚架”效應(yīng)的影響分析

劉運生

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300251)

1 概述

在城市地鐵建設(shè)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(zhì)隧道自穩(wěn)能力較差，且地鐵沿線周邊建筑物、構(gòu)筑物控制標準較嚴格，為保證作業(yè)面人員的安全和控制土體發(fā)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(wěn)能力［1］。超前小導(dǎo)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(yù)支護措施，通過小導(dǎo)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(guān)于超前小導(dǎo)管布置范圍［2，3］的研究較多且相對成熟，而對于小導(dǎo)管管徑和長度的研究成果較少，且基本停留于較早的經(jīng)驗公式［4］，經(jīng)驗公式中采用的參數(shù)塌落角度和塌落高度亦難以確定。因此，針對超前小導(dǎo)管管徑和長度的研究具有極其重要的意義。

2 超前小導(dǎo)管作用機理

小導(dǎo)管超前支護的作用主要體現(xiàn)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(dǎo)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(dǎo)管的存在，改變了因掌子面開挖導(dǎo)致周邊土體卸載量、地應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(dǎo)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?qū)φ谱用嫫鸬搅艘欢ǖ募s束作用，使掌子面縱向位移減小，穩(wěn)定性增強。

(2)小導(dǎo)管注漿的目的是改良土和風(fēng)化巖體的現(xiàn)有性質(zhì)，根本上改變巖土的物理化學(xué)性，在被注范圍內(nèi)產(chǎn)生一種具備一定強度的膠結(jié)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(shù)，進行數(shù)值分析，通過對不同的參數(shù)對應(yīng)的隧道開挖后的位移、內(nèi)力等效應(yīng)進行的對比分析，研究管徑、長度對超前支護的影響規(guī)律。

4 工程實例

4.1 工程概況

以哈爾濱崗阜狀平原地區(qū)的地鐵暗挖區(qū)間工程為例，通過采用巖土工程計算軟件flac-3d數(shù)值分析，研究了小導(dǎo)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(qū)間主要位于粉質(zhì)黏土層，中壓縮性，主要力學(xué)參數(shù)見表1;區(qū)間結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)斷面見圖1;區(qū)間施工采用臺階法，上臺階預(yù)留核心土以增強掌子面的穩(wěn)定性，每循環(huán)進尺0.75 m。隧道施工工序見圖2。

表1 土層力學(xué)參數(shù)

4.2 模型建立

根據(jù)圍巖地質(zhì)條件、開挖斷面跨度等選取區(qū)間隧道左右5倍洞跨為計算范圍;一般地鐵區(qū)間均位于地表下10～30 m范圍，構(gòu)造應(yīng)力殘存較少，以圍巖自重應(yīng)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(gòu)模型采用mohr-coulomb模型，初期支護采用 shell結(jié)構(gòu)單元模擬，超前小導(dǎo)管采用beam結(jié)構(gòu)單元模擬，計算模型見圖3。

圖1 結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)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(shù)值模擬，通過對比各自對應(yīng)的位移而分析各參數(shù)的影響趨勢。

4.4 計算分析

(1)管徑的影響分析

小導(dǎo)管管徑的大小決定了導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)、有效控制隧道初支和土體位移，主要原因:超前小導(dǎo)管直徑相對于其管長較小，整體剛度較小，即超前小導(dǎo)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(dǎo)管剛度不匹配，在一定程度上影響了超前小導(dǎo)管的發(fā)揮。

(2)超前小導(dǎo)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(xué)特性進行地應(yīng)力重分布，而超前小導(dǎo)管的存在，在地應(yīng)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(tài)的土體為宜，從而降低了處于臨空范圍或處于屈服狀態(tài)的土體的地應(yīng)力，使其處于暫時的穩(wěn)定狀態(tài)，以便安全地進行隧道施工。

圖6 位移隨小導(dǎo)管管長變化曲線

圖6為位移隨小導(dǎo)管長度變化的曲線，隨導(dǎo)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(xiàn)拐點。

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

5 結(jié)論

經(jīng)過上述研究、分析，結(jié)論如下。

(1)由于超前小導(dǎo)管管徑遠小于其長度，其整體剛度較小，超前小導(dǎo)管管徑對其“棚架”效應(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)管長度采用2.5 m為最優(yōu)，這樣能保證對已處于屈服狀態(tài)的土體進行有效加固。

本文通過理論分析和數(shù)值分析，研究了隧道超前小導(dǎo)管作用機理，對隧道工程的設(shè)計、施工具有積極的指導(dǎo)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(dǎo)管設(shè)計參數(shù)的影響。

［1］關(guān)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(dǎo)管注漿布置范圍對地鐵隧道開挖的影響分析［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010，47(5):55-58.

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

［4］張民慶.小導(dǎo)管超前預(yù)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(dǎo)管注漿預(yù)加固中小導(dǎo)管數(shù)值模擬問題［J］.西部公路隧道技術(shù)，2006:170-173.