鐵路隧道超前小導管支護參數(shù)研究

梁順 楊克文

【摘要】鐵路隧道在施工中，小導管多用于Ⅳ、Ⅴ級圍巖，超前小導管作為一種比較常見且行之有效的超前支護方法，其主要作用為預先設(shè)于隧道輪廓線外一定范圍，并與開挖面后方的支架等共同組成支護系統(tǒng)?？梢栽谒淼篱_挖后至洞內(nèi)支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生支護作用前的時段內(nèi)，支撐臨空的巖體，從而維持開挖面的圍巖穩(wěn)定。本文詳細論述了在鐵路隧道施工中，小導管支護參數(shù)對于圍巖穩(wěn)定性的影響。

【關(guān)鍵詞】鐵路隧道 ； 超前支護 ； 超前小導管

1. 小導管作用機理

小導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]：

1）小導管打入圍巖后，前端支撐于圍巖中，后端支撐在初期支護上，在掌子面開挖后噴射混凝土前，通過打設(shè)超前小導管，對于臨空面圍巖的進行了約束，形成了“棚架”效應，也有成為“梁效應”。正是小導管的“超前”支護效應，在圍巖開挖后，立即形成了支護作用，有效減小了圍巖的松動范圍，保護了圍巖的完整性，減小了松動荷載，進而保證了掌子面的穩(wěn)定性。

2）小導管注漿后，使掌子面開挖周線一定范圍內(nèi)充滿漿液，從而提高了圍巖松動圈的承載力，其結(jié)果是增強了圍巖的承載能力。該加固層的存在，還可以在下一個隧道開挖循環(huán)中，隧道爆破及機械設(shè)備對于洞頂圍巖的擾動。

2. 問題的引出

依據(jù)《鐵路隧道工程施工技術(shù)指南》6.4.3、6.4.4超前小導管施工應符合下列規(guī)定：

1）間距應根據(jù)開挖工作面前方的地質(zhì)條件和自穩(wěn)能力確定，一般間距為300～500mm；

2）小導管長度一般為3.5～5.0m，小導管之間的搭接長度不得小于1.0m；

3）小導管一般直徑采用38～50mm的無縫鋼管。

依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范，對于小導管的管徑及間距并無強制性規(guī)定，只給出了參考值。在實際設(shè)計施工中，對于小導管的選擇，當小導管不同管徑及間距的組合，其對于圍巖的約束能力必然存在不同。本文立足于鐵路隧道中Ⅳ級圍巖，將立足于小導管的“棚架”效應，分析小導管不同管徑及間距組合下，對于隧道開挖后掌子面位移的影響，并進行對比分析，研究管徑及間距對于超前支護的影響規(guī)律。

3. 數(shù)值模型及計算結(jié)果分析

3.1隧道模型

選取高鐵典型馬蹄形斷面，斷面高度為12.6m，寬為14.9m，隧道埋深考慮為最不利地形，依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》Ⅳ級雙線隧道淺埋為15～20m，埋深設(shè)置為20m，為了保證計算精度，左右自隧道邊墻取50m，下部自仰拱底部取65m。模型左右前后及下部邊界均施加法向約束，地表為自由邊界。開挖工法采用三臺階法，本次計算按照實際工程模擬了過程為，支護小導管平衡后開挖上臺階掌子面，進尺為2m（考慮兩榀鋼架間距）。單元計算模型如圖1所示：

圖1 計算模型圖

3.2計算參數(shù)

巖體采用實體單元，本構(gòu)模型采用Mhor-Coulomb模型；初期支護采用實體單元，采用彈性模型；超前小導管采用線單元，用植入式桁架模擬。本次計算參數(shù)見表1：

表1 計算力學指標

模擬單元 彈性模量

E（GPa） 泊松比

μ 重度

γ（kN/m?） 粘聚力

c（MPa） 內(nèi)摩擦角

φ（°）

Ⅳ級圍巖 0.2 0.3 20 0.2 28

初期支護 28 0.2 25

3.3數(shù)值模擬結(jié)果及分析

本文共計算了小導管直徑38、42、45、50及間距0.3m，0.4m，0.5m，0.8m相互組合共計16種工況。對于各結(jié)果的對比選取開挖斷面的拱頂沉降作為對比標準，開挖斷面的拱頂?shù)某两祵崉t為一個綜合性的指標，既反映了變形的大小，同樣可以反映松動范圍的大小（一般情況下拱頂變形大就意味著松動范圍的大），計算結(jié)果如圖2所示：

圖2 拱頂變形

從計算結(jié)果可以看出，管徑和間距的改變對于拱頂變形的影響不大，并沒有有效的控制拱頂?shù)淖冃?。造成此現(xiàn)象的原因小導管的剛度相對于圍巖來說比較小，當小導管管徑為50時，其抗彎剛度也558mm3，在不注漿的情況下，小導管的“棚架”作用可以作為兩端固定的梁來考慮，依據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》計算出其最大承受彎矩為0.12kN.m，間距0.3m時換算為巖體高度為0.06m左右。各種工況下小導管可承受圍巖高度為：

可見小導管對于約束圍巖變形的能力還是相當有限的。進一步計算在無超前支護的情況下，拱頂變形為17.134mm，可見超前小導管約束變形僅占總變形的2.6%左右。

4. 結(jié)論

通過上述分析，可以得出在Ⅳ級圍巖中，超前小導管在不注漿的情況下，只利用小導管的“棚架”作用時，改變小導管的管徑及間距，對于隧道周邊變形不能起到很好的約束作用，造成該情況的原因在于，小導管的剛度相對于圍巖應力來說太小，要利用小導管的剛度來約束圍巖是不切實際的，此時小導管的主要作用在于防止隧道拱頂?shù)魤K，保障施工安全，也可以防止小掉塊逐步擴大導致的塌方。從而在實際工程中，在Ⅳ級圍巖情況下，根據(jù)經(jīng)驗圍巖本身變形可控的情況下，可以適當增大小導管的間距，只要能阻止掉塊即可。

參考文獻

[1] 劉運生 ，董 敏. 超前小導管參數(shù)對超前支護的影響分析[J]. 都市快軌交通，2013

[2] 李術(shù)才，朱維申.彈塑性大位移有限元方法在軟巖隧道變形預估系統(tǒng)研究中的應用[J].巖石力學與工程學報，2002，21（4）；466-470.

[3] 鐵二院，鐵路工程隧道設(shè)計技術(shù)手冊[M].北京：中國鐵道出版社