王玉瑞，劉錦濤，韓長樂，陳生坤

(1.中國水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司 西安市 710000；2.西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院 西安市 710021)

0 引言

淺埋隧道埋深較淺，圍巖風(fēng)化嚴(yán)重且較為破碎，整體穩(wěn)定性差，在工程施工中易出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)、拱部掉塊、局部坍塌甚至地表塌陷等工程事故，故需在隧道施工中施作超前支護(hù)以避免此類事故的發(fā)生。

超前支護(hù)屬于輔助工法，主要用于穩(wěn)定開挖面、預(yù)防地表地面下沉。目前隧道施工中常采用的超前支護(hù)方法包括超前錨桿支護(hù)、超前管棚支護(hù)、超前小導(dǎo)管注漿支護(hù)、超前預(yù)注漿、凍結(jié)法以及地表注漿等。已有眾多學(xué)者對(duì)超前支護(hù)類型以及效果做了大量研究，黃旭[1]采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法驗(yàn)證了超前小導(dǎo)管注漿在淺埋暗挖隧道施工中的可行性。宋政文[2]對(duì)武廣客運(yùn)專線隧道洞口段軟弱圍巖的超前管棚支護(hù)效果進(jìn)行了研究，認(rèn)為管棚支護(hù)效果明顯好于超前小導(dǎo)管支護(hù)。譚兵等[3]以銅鑼山淺埋段隧道為工程依托，采用了地表注漿加固巖體，有效地防止了洞內(nèi)涌水及坍塌。張明[4]通過馬鞍梁隧道進(jìn)行地表注漿加固處理，有效地提高了洞身地層的整體性、穩(wěn)定性和均一性。奚家米等[5]對(duì)地鐵聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)法的施工現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，得出可以通過改變凍結(jié)管的布置方式、增大管徑的方式來優(yōu)化凍結(jié)法。

這些研究成果有效地解決了具體工程問題，但缺乏對(duì)超前支護(hù)措施的系統(tǒng)總結(jié)。結(jié)合眾多學(xué)者對(duì)超前支護(hù)措施的研究成果，對(duì)超前小導(dǎo)管法、超前管棚支護(hù)、凍結(jié)法以及地表注漿進(jìn)行對(duì)比，分析其優(yōu)缺點(diǎn)以及適用范圍，為施工中合理選擇超前支護(hù)措施提供依據(jù)。

1 超前支護(hù)措施概述

超前支護(hù)措施的差異性體現(xiàn)在施工工藝及作用機(jī)理方面，針對(duì)不同的隧道圍巖條件以及施工環(huán)境，選用合適的支護(hù)措施，往往能取得事半功倍的效果。

1.1 超前小導(dǎo)管

(1)施工工藝：首先在工作面周圍布置注漿孔，進(jìn)行鉆孔，再將小導(dǎo)管按一定的角度通過鉆孔打入地層，最后進(jìn)行注漿作業(yè)，使工作面上部形成承載殼，以保證施工安全，見圖1、圖2。

圖1 小導(dǎo)管施作

圖2 小導(dǎo)管布置形式

(2)作用機(jī)理：通過注漿泵將漿液泵入圍巖中，并利用小導(dǎo)管進(jìn)行滲透，在完成滲透后，漿液會(huì)及時(shí)地?cái)U(kuò)散到圍巖的孔隙或者裂隙中，從而改變巖層土體的物理力學(xué)性質(zhì)；并且小導(dǎo)管還能在一定程度上充當(dāng)超前錨桿的作用，將圍巖的自穩(wěn)時(shí)間延長，同樣可以限制工作面在開挖施工后的變形；除此之外，超前小導(dǎo)管可以將圍巖上部壓力傳遞至鋼拱架及前部未開挖圍巖，從而減少加固區(qū)域承受的壓力，以保證施工安全[6-7]。

1.2 超前管棚

(1)施工工藝：在工作面周邊鉆設(shè)水平孔，壓入鋼管后封口后進(jìn)行注漿固結(jié)，在工作面上形成一層傘狀保護(hù)環(huán)，并以此進(jìn)行支護(hù)，保證開挖施工的正常進(jìn)行，見圖3、圖4。

圖3 管棚施作

圖4 管棚布置形式

(2)作用機(jī)理：根據(jù)現(xiàn)有理論研究，管棚超前支護(hù)的作用機(jī)理主要體現(xiàn)在以下幾方面[8]：

①形成梁拱效應(yīng)，縱向上，管棚前端嵌入圍巖，末端與鋼拱架焊接，形成梁效應(yīng)；環(huán)向上，在間距合適，注漿飽滿情況下，形成拱效應(yīng)，事實(shí)證明梁拱效應(yīng)能有效減小圍巖松弛。

②形成拉桿效應(yīng)，根據(jù)普氏理論，隧道在開挖后，由于豎向荷載的作用，在拱腳處產(chǎn)生水平的推力，但是在軟巖環(huán)境下開挖，拱腳的土體抗拉強(qiáng)度極低，無法承載這部分推力，但在施作管棚后，可利用其環(huán)向拱效應(yīng)，吸收拱腳推力，即拉桿效應(yīng)，可以確保拱腳的土體穩(wěn)定。

③隔離效應(yīng)，此效應(yīng)主要體現(xiàn)在淺埋隧道，利用管棚形成加固圈，隔離上覆土體與拱圈內(nèi)開挖巖體，從而減小淺埋隧道中的地表沉降變形。

④環(huán)槽效應(yīng)，在使用鉆爆法施工時(shí)，往往會(huì)形成一定厚度的松動(dòng)圈，而在管棚支護(hù)下，能夠有效地減小爆破震動(dòng)沖擊對(duì)圍巖的影響。

1.3 凍結(jié)法

(1)施工工藝：首先進(jìn)行凍結(jié)管鉆孔定位，鉆孔結(jié)束后，在凍結(jié)孔內(nèi)布置凍結(jié)器，安裝凍結(jié)管，使凍結(jié)管與凍結(jié)系統(tǒng)相互連接，最后進(jìn)行凍結(jié)，見圖5、圖6。

圖5 凍結(jié)法施作

圖6 聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)斷面

(2)作用機(jī)理：利用凍結(jié)管在土中的循環(huán)冷量，將土中的水凝結(jié)為冰，使巖土變?yōu)閮鐾粒瑥亩_(dá)到增強(qiáng)土體穩(wěn)定性及強(qiáng)度的目的，使之形成完整性更好，防水性能更佳的臨時(shí)加固體[5,9]。

1.4 地表注漿

(1)施工工藝：先進(jìn)行鉆孔定位，鉆孔結(jié)束后進(jìn)行注漿作業(yè)，注漿順序自線路兩側(cè)向中間進(jìn)行，注漿壓力采用埋深較淺時(shí)取小值，埋深較深時(shí)取大值，見圖7。

圖7 地表注漿示意圖

(2)作用機(jī)理：通過地表注漿，使隧道開挖面上部土體的物理力學(xué)性能發(fā)生改變，隧道圍巖的穩(wěn)定性顯著上升。

2 超前支護(hù)措施對(duì)比

淺埋隧道施作超前支護(hù)措施的目的，在于改變隧道圍巖條件與物理力學(xué)性能，使之強(qiáng)度與穩(wěn)定性顯著增強(qiáng)，但不同的超前支護(hù)措施有不同的施工工藝及作用機(jī)理，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)應(yīng)對(duì)各超前支護(hù)措施的優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件進(jìn)行比選，如表1所示。

表1 各超前支護(hù)措施對(duì)比

3 小結(jié)

系統(tǒng)闡述了超前小導(dǎo)管法、超前管棚法、凍結(jié)法與地表注漿法四種超前支護(hù)措施的施工工藝和作用機(jī)理，對(duì)它們?cè)跍\埋隧道中的施工特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比總結(jié)，并從施工操作、工期、對(duì)周邊環(huán)境的影響、工程造價(jià)等方面分析了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，為不同淺埋地層合理選擇超前支護(hù)提供了依據(jù)。