劉運(yùn)生

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 概述

在城市地鐵建設(shè)過(guò)程中，礦山法因其對(duì)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(biāo)準(zhǔn)較嚴(yán)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(duì)土體采取一定的超前支護(hù)措施，增強(qiáng)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(jià)較低而成為最為常用的預(yù)支護(hù)措施，通過(guò)小導(dǎo)管注漿加固前方土體和自身剛度起到超前支護(hù)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(duì)成熟，而對(duì)于小導(dǎo)管管徑和長(zhǎng)度的研究成果較少，且基本停留于較早的經(jīng)驗(yàn)公式［4］，經(jīng)驗(yàn)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(duì)超前小導(dǎo)管管徑和長(zhǎng)度的研究具有極其重要的意義。

2 超前小導(dǎo)管作用機(jī)理

小導(dǎo)管超前支護(hù)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(jī)理分析如下。

(1)小導(dǎo)管在超前支護(hù)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(kāi)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(kāi)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(hù)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(kāi)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(qiáng)。

(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(qiáng)度的膠結(jié)體［5］。

3 研究路線

通過(guò)在其他條件不變的情況下，改變管徑或長(zhǎng)度中的一個(gè)參數(shù)，進(jìn)行數(shù)值分析，通過(guò)對(duì)不同的參數(shù)對(duì)應(yīng)的隧道開(kāi)挖后的位移、內(nèi)力等效應(yīng)進(jìn)行的對(duì)比分析，研究管徑、長(zhǎng)度對(duì)超前支護(hù)的影響規(guī)律。

4 工程實(shí)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(guò)采用巖土工程計(jì)算軟件flac-3d數(shù)值分析，研究了小導(dǎo)管管徑、管長(zhǎng)在隧道開(kāi)挖掌子面臨空階段(即毛洞階段)、初期支護(hù)階段等整個(gè)隧道施工過(guò)程中對(duì)超前支護(hù)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(jiàn)表1;區(qū)間結(jié)構(gòu)覆土厚度約11 m，開(kāi)挖跨度為6.24 m，采用臺(tái)階法施工，初期支護(hù)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(jiàn)圖1;區(qū)間施工采用臺(tái)階法，上臺(tái)階預(yù)留核心土以增強(qiáng)掌子面的穩(wěn)定性，每循環(huán)進(jìn)尺0.75 m。隧道施工工序見(jiàn)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(kāi)挖斷面跨度等選取區(qū)間隧道左右5倍洞跨為計(jì)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(chǎng)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(shí)體單元模擬，本構(gòu)模型采用mohr-coulomb模型，初期支護(hù)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(jì)算模型見(jiàn)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(jì)算工況

為揭示小導(dǎo)管管徑、長(zhǎng)度對(duì)其超前支護(hù)作用的影響，在開(kāi)挖進(jìn)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(zhǎng)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(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)比各自對(duì)應(yīng)的位移而分析各參數(shù)的影響趨勢(shì)。

4.4 計(jì)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(qiáng)了其超前支護(hù)的“棚架”作用。拱頂和土體位移云圖見(jiàn)圖4。圖5為位移隨管徑的變化曲線，通過(guò)分析，雖然隨著管徑的增大，拱頂和土體的位移呈減小趨勢(shì)，但影響甚小，管徑由32 mm增大1.9倍至60 mm時(shí)，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(jiàn)，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(duì)于其管長(zhǎng)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(zhǎng)度的影響分析

隧道掌子面土體開(kāi)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(jìn)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(guò)程中，起到“橋梁”的作用，重分布的范圍擴(kuò)大，以擴(kuò)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(shí)的穩(wěn)定狀態(tài)，以便安全地進(jìn)行隧道施工。

圖6 位移隨小導(dǎo)管管長(zhǎng)變化曲線

圖6為位移隨小導(dǎo)管長(zhǎng)度變化的曲線，隨導(dǎo)管長(zhǎng)度的增加，地表沉降和拱頂沉降均呈減小趨勢(shì)，但變化程度由劇減而趨于平緩，與2.5 m時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)。

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

5 結(jié)論

經(jīng)過(guò)上述研究、分析，結(jié)論如下。

(1)由于超前小導(dǎo)管管徑遠(yuǎn)小于其長(zhǎng)度，其整體剛度較小，超前小導(dǎo)管管徑對(duì)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(zhǎng)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(duì)于地鐵單線單洞常采用的斷面形式，超前小導(dǎo)管長(zhǎng)度采用2.5 m為最優(yōu)，這樣能保證對(duì)已處于屈服狀態(tài)的土體進(jìn)行有效加固。

本文通過(guò)理論分析和數(shù)值分析，研究了隧道超前小導(dǎo)管作用機(jī)理，對(duì)隧道工程的設(shè)計(jì)、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(duì)合理選用超前小導(dǎo)管設(shè)計(jì)參數(shù)的影響。

［1］關(guān)寶樹(shù).隧道工程施工要點(diǎn)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(duì)地鐵隧道開(kāi)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(jī)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(zhǎng)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(wèn)題［J］.西部公路隧道技術(shù)，2006:170-173.