張巨功

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

為減少洞口邊仰坡大開大挖而造成洞頂植被破壞，遵循隧道工程“早進(jìn)晚出”的原則，保證進(jìn)洞安全和隧道結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)基于環(huán)保理念的“零”進(jìn)洞工法，在黃土隧道工程進(jìn)洞時(shí)，常采用長(zhǎng)大管棚預(yù)支護(hù)與注漿加固措施聯(lián)合使用的進(jìn)洞方法[1-2]。管棚工法作為淺埋暗挖隧道施工中的一種重要的輔助工法，在避免因圍巖過度松弛造成的局部失穩(wěn)坍塌、有效地限制地表沉陷、防止隧道塌方等方面發(fā)揮著重要作用。長(zhǎng)大管棚預(yù)支護(hù)進(jìn)洞技術(shù)設(shè)計(jì)的理論與實(shí)踐表明，采用長(zhǎng)大管棚可以有效地加固洞口不良地質(zhì)，能在較薄覆土的情況下實(shí)現(xiàn)安全進(jìn)洞，能減少洞頂植被破壞，有利環(huán)保，能夠減少對(duì)洞頂原始地表的破壞，對(duì)隧道的施工及運(yùn)營(yíng)有利。

1 管棚受力原理

在隧道洞口采用長(zhǎng)大管棚超前支護(hù)進(jìn)洞技術(shù)，可設(shè)置混凝土導(dǎo)向套拱，套拱一方面可以起到導(dǎo)向的作用，另一方面可以起到支承管棚和改善管棚受力的作用。在管棚施作前，先施作導(dǎo)向套拱；導(dǎo)向套拱施作完畢達(dá)到強(qiáng)度要求后，再通過導(dǎo)向套拱上預(yù)留的孔口鉆孔進(jìn)行長(zhǎng)管棚工藝施作；在管棚施作完畢后，再進(jìn)行注漿工藝施作。

在隧道拱部的管棚，要形成“棚”必須具備兩個(gè)方面的條件：a）鋼管間的軟弱土體能形成承載拱；b）具有足夠數(shù)量能擴(kuò)散或傳遞圍巖壓力的桿件結(jié)構(gòu)。

洞口開挖時(shí)，管棚外端受到套拱的支承作用，內(nèi)端則位于已預(yù)加固地層內(nèi)，受到地層固定約束，所以其受力與兩端受支承的簡(jiǎn)支梁類似，可按簡(jiǎn)支梁受力進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

圖1 大管棚結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 黃土隧道超前大管棚導(dǎo)向墻施工

圖3 配合套拱施作的管棚受力計(jì)算模型示意圖

2 管棚設(shè)計(jì)

超前大管棚一般采用壁厚6～8 mm的φ108的鍍鋅無縫鋼管，管棚長(zhǎng)度10～30 m，環(huán)向間距0.4 m，開挖輪廓線外10 cm處鋪設(shè)。管棚每循環(huán)間的搭接長(zhǎng)度一般為2 m，前端15 cm加工成錐形，以減少管棚打入時(shí)的阻力，布孔方式如圖4所示。

圖4 管棚布孔方式圖

考慮到黃土圍巖強(qiáng)度較低，受擾動(dòng)后其結(jié)構(gòu)性遭到破壞，強(qiáng)度顯著下降，致使圍巖壓力過大。為提高管棚的剛度，增加其抗彎性能，黃土隧道管棚在設(shè)計(jì)時(shí)，在其內(nèi)放入提前加工好的鋼筋籠，鋼筋籠可采用3根或4根直徑為16～22 mm的螺紋鋼制作，中間每隔2 m焊一個(gè)固定環(huán)。

圖5 鋼花管內(nèi)置鋼筋籠

3 注漿及洞口段開挖

采用水泥、水玻璃為主劑的混合漿材，既發(fā)揮兩種材料優(yōu)勢(shì)，又能節(jié)約成本，并具有速凝、可灌性好、抗壓強(qiáng)度高、來源廣、成本低等優(yōu)點(diǎn)[3]。

陳志敏[4]等分析比較了注漿前后黃土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，并對(duì)飽和黃土注漿后的漿液強(qiáng)度變化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)，證明了黃土甚至是飽和黃土中注入水泥水玻璃漿液既可以提高土體的密實(shí)度，更能夠顯著提高土體的抗剪強(qiáng)度。

模擬計(jì)算中，對(duì)于管棚的強(qiáng)化圍巖效應(yīng)，采用等效方法考慮，通過提高管棚與加固圍巖形成的厚筒結(jié)構(gòu)的參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，注漿加固體參數(shù)根據(jù)實(shí)測(cè)選取，注漿計(jì)算模型如圖6所示。

圖6 單排管棚注漿計(jì)算模型

式中：Q為單孔注漿量；L為注漿段長(zhǎng)度；n為地層孔隙率；α為有效注漿系數(shù)；β為漿液損耗系數(shù)；d為漿液擴(kuò)散半徑，m；s為相鄰兩注漿孔間距，m；E為折算后土體彈性模量，GPa；Eg為管棚彈性模量，GPa；Sg為管棚支護(hù)等效面積，m2；Sc為支護(hù)斷面截面積，m2。

在超前大管棚預(yù)支護(hù)段，隧道開挖方式依然采用環(huán)形開挖預(yù)留核心土的工法，初期支護(hù)采用I20a型鋼拱架、φ6鋼筋網(wǎng)、砂漿錨桿和噴射混凝土，其中砂漿錨桿長(zhǎng)度一般為3 m，環(huán)縱向間距為1 m。

圖7 黃土隧道管棚與支護(hù)段開挖方式

圖8 弧形導(dǎo)坑法開挖步序圖

4 幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)和思考

洞口段黃土圍巖表層多為新近堆積土或馬蘭黃土，下接離石黃土，圍巖成洞性能較差，而且洞口段一般位于淺埋、偏壓地段，表層黃土天然狀態(tài)下含水率低，遇水易崩解、剝蝕，多具濕陷性，易產(chǎn)生潛蝕，沖溝、落水洞較為發(fā)育[5]。在圍巖性能較差的黃土體中鉆孔，鉆孔后孔洞必然會(huì)有收縮現(xiàn)象,甚至可能出現(xiàn)坍塌堵孔現(xiàn)象；同時(shí)，鋼管太長(zhǎng)(比如30 m)必然會(huì)使其在插入過程中容易彎折，使其插入困難。因此，如何使長(zhǎng)大管棚頂進(jìn)到位，在工程實(shí)踐中必須給予充分考慮。

為防止管棚侵入黃土隧道襯砌外輪廓線,設(shè)計(jì)時(shí)考慮線路縱坡后沿隧道縱向均設(shè)置了徑向仰角1°～3°。按外傾角為2°管棚長(zhǎng)度30 m計(jì)算，則在長(zhǎng)大管棚隧道末端將偏離隧道開挖外輪廓線30sin2°=1.05 m，由于管棚導(dǎo)管的鉆孔與插入破壞了管棚以下和開挖輪廓線以上的這部分土體與上部土體原有的連接，因此，這部分土體極有可能在開挖過程中坍塌，如何解決這一問題，有待進(jìn)一步研究探討。

通過系統(tǒng)的錨桿作用效果試驗(yàn)，在淺埋隧道拱頂上方的破裂棱體呈整體下沉趨勢(shì)，土體內(nèi)部未發(fā)生相對(duì)變形，拱部錨桿功效未能充分發(fā)揮；因垂直節(jié)理發(fā)育，深埋隧道拱部系統(tǒng)錨桿起不到懸吊、組合梁和加固土體的作用，無法改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)。研究人員通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，拱部系統(tǒng)錨桿大多受壓，發(fā)揮不了應(yīng)有的作用效果，建議黃土隧道設(shè)計(jì)和施工中可取消拱部系統(tǒng)錨桿[6]。但在超前大管棚預(yù)支護(hù)段，由于黃土圍巖注漿顯著改善了土體的密實(shí)度和抗剪強(qiáng)度，加之管棚鉆進(jìn)過程中對(duì)圍巖的擠密作用，拱部系統(tǒng)錨桿的作用機(jī)制和洞身段系統(tǒng)錨桿的作用機(jī)制不同，管棚預(yù)支護(hù)段的拱部系統(tǒng)錨桿的受力特性如何及是否可以取消還需要進(jìn)一步通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論分析來驗(yàn)證。

圖9 黃土隧道系統(tǒng)錨桿拉拔試驗(yàn)

關(guān)于黃土隧道初期支護(hù)和二次襯砌的受力特性及荷載分擔(dān)比也做了大量的研究[7]，研究成果也逐步在工程應(yīng)用中得以體現(xiàn)，但黃土隧道洞口段注漿后的超前大管棚起到了棚架作用，勢(shì)必會(huì)分擔(dān)部分圍巖壓力，那么初期支護(hù)的受力特性就不同于洞身段的初期支護(hù)，進(jìn)而也會(huì)影響二次襯砌的受力狀況。初期支護(hù)和二次襯砌的設(shè)計(jì)參數(shù)是否可以弱化，初期支護(hù)的型鋼拱架是否可以考慮采用格柵拱架替代還需要進(jìn)一步研究和論證。

5 結(jié)束語

本文在分析黃土隧道超前大管棚受力原理及設(shè)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，考慮到管棚注漿后的棚架作用，結(jié)合自己對(duì)黃土隧道管棚段支護(hù)效果的認(rèn)識(shí)，提出了幾個(gè)還需要進(jìn)一步研究的問題：

a）黃土隧道管棚長(zhǎng)度設(shè)計(jì)較長(zhǎng)，加之黃土圍巖強(qiáng)度較低，如何使長(zhǎng)大管棚頂進(jìn)到位，在工程實(shí)踐中必須給予充分考慮。

b）管棚末端偏離隧道開挖外輪廓線部分的土體極有可能在開挖過程中坍塌，如何考慮這部分土體對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響及如何預(yù)防坍塌有待進(jìn)一步研究探討。

c）管棚預(yù)支護(hù)段的黃土隧道拱部系統(tǒng)錨桿的受力特性如何及是否可以取消還需要進(jìn)一步通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論分析來驗(yàn)證。

d）管棚預(yù)支護(hù)段初期支護(hù)是否可以考慮采用格柵拱架，初期支護(hù)和二次襯砌的荷載分擔(dān)比如何，二次襯砌的厚度是否可以適當(dāng)減薄還需要進(jìn)一步研究和論證。