軟弱圍巖大斷面隧道自進(jìn)式管棚超前支護(hù)技術(shù)

李繼光

（中鐵二十局集團(tuán)第二工程有限公司 西安 710016）

超前支護(hù)是為保證隧道開挖面圍巖穩(wěn)定而采取的一種輔助工法，一般應(yīng)用于埋深淺、圍巖荷載較大，或者在圍巖軟弱、破碎的隧道工程中。為達(dá)到隧道開挖面穩(wěn)定、施工安全，實(shí)際工程中，常常綜合采用超前錨桿支護(hù)、超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)、超前管棚支護(hù)、水平旋噴樁支護(hù)等多種超前支護(hù)措施[1～5]。

自進(jìn)式小管棚具有對圍巖適應(yīng)能力強(qiáng)、棚架整體剛度大、一次支護(hù)距離長等特點(diǎn)，同時(shí)，避免了塌孔、堵孔現(xiàn)象發(fā)生，T76 型自進(jìn)式小管棚主要由全螺紋高強(qiáng)鋼管、高強(qiáng)連接套管及帶孔高強(qiáng)合金鉆頭三部分組成，管棚主體材料采用強(qiáng)度高、剛度大的鋼管，鋼管外壁設(shè)置全螺紋且管壁較厚。

1 工程概況

石峽隧道是興延高速公路建設(shè)的重難點(diǎn)和控制性工程，隧道穿越北京昌平、延慶兩個(gè)區(qū)，全長5.8 km，隧道開挖跨度16.62 m，開挖斷面面積123 m2。隧道上覆地形起伏大，地層巖性多變，圍巖級別多，隧道軸線與多條斷裂帶相交且穿越富水區(qū)，地質(zhì)條件異常復(fù)雜。其中ZK31+306-ZK31+336 處掌子面圍巖整體為熔結(jié)角礫凝灰?guī)r，掌子面圍巖位于F7 斷裂破碎帶和低阻異常帶影響范圍內(nèi)，判定為V 級圍巖，隧道開挖時(shí)揭示圍巖情況如圖1 和圖2 所示。

2 自進(jìn)式管棚參數(shù)確定

在軟弱圍巖隧道施工中，超前管棚支護(hù)可以膠結(jié)和加固圍巖，避免松散圍巖體冒落，有利于提高隧道圍巖的穩(wěn)定性并能確保隧道施工安全；同時(shí)超前管棚支護(hù)可有效控制圍巖變形，為二次襯砌施工創(chuàng)造條件。因此，如何保證管棚在隧道開挖每一步均能保持圍巖穩(wěn)定，不產(chǎn)生過度位移，管棚支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)成為解決問題的關(guān)鍵。

2.1 管棚長度與搭接長度

如圖1 所示，管棚長度l可表示為

式中：a為管棚后段外露長度，取為鋼拱架梁寬；b為隧道開挖循環(huán)進(jìn)尺；c為管棚前段插入圍巖長度。

如果圍巖松散破碎，工作面難于自穩(wěn)，則管棚支撐需插入圍巖足夠深度，滿足其承載能力要求。

圖1 掌子面圍巖蝕變

圖2 掌子面松散圍巖

此時(shí)，管棚長度必須穿過工作面前方坍落巖體范圍，則有

式中：θ為圍巖內(nèi)摩擦角；h為隧道高度或臺(tái)階高度。

圖3 管棚支護(hù)參數(shù)示意圖

2.2 管棚間距

管棚超前支護(hù)是松散破碎圍巖地段最為有效超前支護(hù)手段之一。管棚間距設(shè)置過大，不僅易導(dǎo)致松散巖體冒落，分擔(dān)到每根鋼管載荷很大，管棚支護(hù)系統(tǒng)易變形而難于穩(wěn)定；管棚間距設(shè)置過小，就會(huì)增多管棚數(shù)量，增加施做工作量，影響隧道掘進(jìn)速度也不經(jīng)濟(jì)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，管棚間距通常可取400～800 mm；圍巖松散破碎，隧道開挖后容易發(fā)生流塌時(shí)，管棚間距應(yīng)取較小值。

西班牙科爾多瓦農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究所的研究人員針對蓬勃發(fā)展的無麩小麥?zhǔn)袌鲂枨笸瞥隽说徒钚←溒贩N；賓夕法尼亞州立大學(xué)開發(fā)出不會(huì)變褐色的蘑菇；冷泉港實(shí)驗(yàn)室則開發(fā)出適合生長季較短的西紅柿品種。與此同時(shí)，全美國的大學(xué)都在轟轟烈烈地開展能夠抵御干旱、疾病和氣候變化的農(nóng)作物研究。

2.3 管棚傾角

從理論上講，主要承受彎矩的超前管棚支護(hù)系統(tǒng)，棚管應(yīng)該水平方向布設(shè)。但水平布設(shè)棚管導(dǎo)致隧道無法按等斷面大小向前掘進(jìn)。因此，在實(shí)際隧道輔助工法施工中，打入棚管需要向隧道開挖輪廓線外插一定角度。基于這兩點(diǎn)原因，管棚設(shè)計(jì)應(yīng)取滿足施工要求的最小外插角。由圖3 知，管棚外插角可按下式計(jì)算：

式中：δ 為管棚孔中心到隧道開挖輪廓線的距離。

理想設(shè)置的管棚外插角應(yīng)使棚管孔口中心落在隧道開挖輪廓線上，棚管孔底落在隧道開挖輪廓線以外。如果管棚外插角設(shè)置過大，不僅支護(hù)效果降低，還會(huì)導(dǎo)致支護(hù)材料浪費(fèi)。通常情況下，可取δ=150mm。根據(jù)計(jì)算，如果管棚縱向搭接長度為1～3 m，則管棚外插角應(yīng)設(shè)置為3°～8°，隧道開挖循環(huán)進(jìn)尺越小，管棚外插角越大。為了簡化起見，一般情況下，管棚外插角可按3°取值。

圖4 模型范圍示意圖（單位：m）

圖5 三維模型示意圖

圖6 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)

圖7 管棚模型

3 自進(jìn)式管棚效果分析

3.1 超前支護(hù)數(shù)值模型建立

本文數(shù)值計(jì)算采用Flac3D 有限差分軟件，建立模型時(shí)，頂部邊界取至地表（此計(jì)算斷面隧道埋深為70 m），左右邊界取至約5 倍的隧道開挖跨度，底部邊界取至約3 倍的隧道開挖跨度，模型縱向（y軸方向）長60 m，計(jì)算模型選取范圍如圖4 所示。地層及支護(hù)用實(shí)體單元模擬，管棚用梁單元模擬，底部和左右邊界施加雙向約束。計(jì)算模型如圖5 所示。隧道采用上下臺(tái)階開挖，施工結(jié)束后初支以及管棚模型狀態(tài)如圖6 所示，管棚模型如圖7 所示。

3.2 數(shù)值模型計(jì)算參數(shù)確定

（1）選取K31+270 斷面作為研究斷面，由現(xiàn)場開挖揭示圍巖為V 級，結(jié)合地勘資料以及相關(guān)規(guī)范取圍巖力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

（2）管棚長度取30 m，布設(shè)外插角為3°，搭接長度為3 m，直徑為72 mm，管棚間距取40 cm，并沿隧道軸線對稱分布于拱頂約120°范圍。

（3）本次模擬是研究超前支護(hù)效果，為了計(jì)算方面，不考慮錨桿及二襯等因素。型鋼拱架和管棚的模擬是通過剛度等效的方法近似取值力學(xué)參數(shù)實(shí)現(xiàn)的。

表1 圍巖及支護(hù)力學(xué)參數(shù)

3.3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

（1）圍巖位移

由圖8～圖11 可知，兩種支護(hù)狀態(tài)下，圍巖位移分布呈現(xiàn)對稱，拱頂及仰拱底部豎向位移較大，拱腳及邊墻腳水平位移較大。無管棚支護(hù)狀態(tài)下，隧道拱頂圍巖沉降最大為805.09 mm，仰拱隆起最大為818.44 mm，拱腳及邊墻腳最大水平位移約為640.96 mm；管棚支護(hù)狀態(tài)下，拱頂沉降最大為587.37 mm，仰拱隆起最大為583.64 mm，拱腳及邊墻腳最大水平位移約為455.45 mm。

（2）拱頂沉降

管棚支護(hù)與無管棚支護(hù)狀態(tài)下，研究斷面拱頂圍巖沉降隨隧道施工步變化如圖12 所示。

由圖10 可知，兩種支護(hù)狀態(tài)下，拱頂沉降隨施工步均先減小后趨于平穩(wěn)，說明拱頂沉降的模擬計(jì)算結(jié)果收斂。無管棚支護(hù)狀態(tài)下隧道拱頂沉降為805 mm，管棚支護(hù)狀態(tài)下隧道拱頂沉降為587 mm，減小27.08%，說明管棚支護(hù)對拱頂沉降控制效果較好，這主要是因?yàn)楣芘锏牟荚O(shè)改善了圍巖的特性，所形成的棚架體系有利于分擔(dān)初支的受力進(jìn)而減小隧道支護(hù)變形。

4 結(jié)論

經(jīng)過對自進(jìn)式管棚支護(hù)數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場實(shí)踐歸納總結(jié)，自進(jìn)式管棚支護(hù)對隧道軟弱圍巖變形控制的作用效果主要體現(xiàn)在以下幾方面：

圖8 無管棚支護(hù)圍巖豎向位移

圖9 管棚支護(hù)圍巖豎向位移

圖10 無管棚支護(hù)圍巖水平位移

圖11 管棚支護(hù)圍巖水平位移

（1）自進(jìn)式管棚支護(hù)通過掌子面前方塑性區(qū)內(nèi)圍巖高壓注漿，在管壁周圍形成有效膠結(jié)體，改善了隧道塑性區(qū)內(nèi)圍巖性質(zhì)，減小了圍巖的塑性變形與蠕變變形。

（2）自進(jìn)式管棚支護(hù)通過掌子面前方塑性區(qū)內(nèi)圍巖高壓注漿，漿液使管棚體和圍巖膠結(jié)成一體，既提高了塑性區(qū)圍巖的強(qiáng)度，也提高了管棚支護(hù)體系剛度，進(jìn)而使塑性區(qū)內(nèi)圍巖體的承載能力得以提高，有效控制了圍巖變形。

（3）自進(jìn)式管棚支護(hù)可實(shí)現(xiàn)管棚跟管接長，在隧道洞內(nèi)施做時(shí)，不需要設(shè)置管棚工作室，隧道掘進(jìn)功效提高，初期支護(hù)閉合時(shí)間縮短，隧道圍巖穩(wěn)定得以保障。

圖12 拱頂沉降