顶推支护技术在隧道塌方抢险中的应用探讨

牟寿鹏 杨效中 徐 迎

0 引言

随着复杂地质条件下隧道工程的大量建设，隧道塌方时有发生，而传统隧道塌方抢险技术有锚杆法、注浆法以及以注浆原理为基础的小导管注浆法和管棚法等[1，2］。这些方法处理了大量的塌方事故，取得了良好的效果，但用于快速抢险存在很大程度的局限性，主要是无法快速有效地形成支护能力的问题。因此如何解决上述问题，实现塌方隧道的快速支护，是隧道塌方抢险面临的关键问题。本文结合顶管法原理和隧道塌方特点，提出顶推支护技术，通过对塌方隧道的快速支护，实现塌方岩体的快速清除，达到快速抢险的目的。

1 顶推支护技术结构体系

顶推支护技术是参考顶管施工技术基本原理提出的一项新的施工技术。顶推支护技术借助长行程、大吨位的千斤顶，将可活动半圆钢管拱架设在固定竖向支撑钢管上，从隧道未塌方区域贯穿塌方区，从而实现快速支护。

顶推支护技术主要由三部分组成，见图1。

图1 顶推支护技术示意图

1)顶推支护拱系统。顶推支护拱系统由活动式半圆钢管拱和固定竖向支撑钢管组成。活动式半圆钢管拱作为顶推支护拱系统的支护结构，既可以用于顶进临时支护，又可以为施工人员提供安全作业空间;抢险结束以后，活动式半圆钢管拱还可以加固作为永久支护结构，见图2。固定竖向支撑钢管作为顶推支护拱系统的支撑结构，可以根据现场实际塌方情况确定合适的支护高度;同时为保证顶推支护拱系统的稳定性，固定竖向支撑钢管与地面的接触应采用铆接，如图3所示。

2)顶推动力系统。顶推动力系统由千斤顶为顶推提供动力。根据顶推阻力大小，确定千斤顶的数量;千斤顶环向对称布置在顶推后背环系统。

图2 活动式半圆钢管拱图

图3 固定竖向支撑钢管图

3)顶推后背环系统。顶推后背环系统通过作用在半圆环顶推基座上的植筋锚固力和斜向钢管支撑力，为顶推动力提供足够的后背力，见图4。

图5 压力分布图

图4 顶推力布置图（侧面图）

2 顶推支护技术设计

2.1 顶推支护拱系统设计与计算

顶推支护拱系统由活动式半圆钢管拱和固定竖向支撑钢管组成。

1)活动式半圆钢管拱的设计。

活动式半圆钢管拱分为两个部分:刃口拱和支护拱，见图2。刃口拱既作为头拱支护结构，又作为顶进拱，头部采用刃口，减少顶推阻力;支护拱是刃口拱后面的继接拱，它的连接主要通过螺栓连接，后期进行焊接加固;刃口拱和支护拱的长短应根据千斤顶的选择来确定。

2)竖向活动支撑钢管计算。

a.岩体的确定。隧道塌方的发生，情况较为复杂。应根据实际隧道塌方岩体状况来确定岩体容重γ，内摩擦角φ。

b.拱顶压力值计算。根据松动压力计算方法，考虑深埋与浅埋的成拱原理，隧道塌方按浅埋不成拱结构考虑。则由拱顶土压力造成的正压力如图5所示，则:

其中，q为拱顶土压力;γ为土的重度，kN/m3;H为拱顶覆土高度，m。

c.固定竖向钢管选择[4］。每米范围内钢管为4根，则钢管支撑力:

轴心受压:

其中，W为每米支护拱重力，kN;p为构件的轴心拉力或压力设计值，kN;F为钢材的抗拉强度设计值，N/mm2;An为构件的净截面面积，mm2。

2.2 顶推阻力计算

顶推阻力的确定是实现顶推支护技术的基础。确定合理的顶推阻力，既有利于顶推施工，又有利于减少施工投入。

支护拱的总顶推阻力[3］:

其中，F′为总顶推阻力，kN;F1′为刃口拱正面阻力，kN;F2′为支护拱摩阻力。

1)正面阻力:

其中，D为刃口拱外径，m;t为刃口拱刃脚厚度，m;R为挤压阻力，kN/m2，取 R=300 ～500。

2)四周摩阻力:

其中，L为支护拱总长度，m;f2为单位长度支护拱摩阻力，kN/m。

正常情况下，拱壁摩阻力可按以下公式计算:

无润滑剂时:

拱壁垂直压力(q是常量)如图5所示。

其中，μ为拱壁与土的摩擦系数;φ为内摩擦角;N为拱壁垂直压力;μ1为四氟板与支护拱的摩擦系数，取0.04。

2.3 顶推动力系统选择与布置

顶推支护技术的实现，关键在于顶推力不小于顶推阻力。

顶推支护技术主要依靠千斤顶来提供顶推动力，特别是大吨位、长行程、小型化千斤顶的出现，为施工的可行性提供了技术支持和设备保障。为提供合适的顶推力，千斤顶的布置，应按环向对称布置。

2.4 顶推后背环设计与计算

为提供足够的顶推反力，顶推后背环通过植筋锚固和钢管支撑来实现的，见图6。

根据隧道实际塌方情况，确定锚杆打设角度β，则:

其中，n为千斤顶数量，个;F1为植筋锚固拉力，kN;N1为斜向钢管支撑力，kN。

1)锚固力计算[5］。采用HRB400级钢筋种植，原构件混凝土强度等级不得低于C20。其受拉承载力应按下式验算:

其中，fy为钢筋的抗拉强度设计值，N/mm2;As为钢筋的截面面积，mm2。

基本锚固长度lb应按下列公式确定:

其中，系数α见GB 50367-2006。

现有的新型高性能植筋剂XK-360注射式植筋胶，可以在短时间内提供充足的锚固力。根据植筋实验数据，在温度不小于20℃的条件下，5 h可以提供最大330 kN的锚固力[6］。

图6 顶推作用原理示意图

2)斜向钢管确定。斜向钢管支撑力与植筋锚固拉力大小相同。钢管的选择与固定竖向支撑钢管的确定方法一样。顶推支护技术主要依靠千斤顶来提供顶推动力，特别是大吨位、长行程、小型化千斤顶的出现，为施工的可行性提供了技术支持和设备保障。为提供合适的顶推力，千斤顶的布置，应按环向对称布置。

3 顶推支护技术施工工艺

顶推支护技术施工首先要勘查现场，通过植筋设置后背环，安装千斤顶及支护结构，然后边顶进边出渣，可顺利清除塌方体。施工中尤其要处理好安排顶进，出渣和加固纠偏的关系。

顶推支护技术施工流程如图7所示。

图7 施工流程图

4 结语

顶推支护技术是针对传统施工方法在处理隧道塌方中出现的问题而提出的新方法，经验算是可行的，较传统施工工艺其具有以下新特点:

1)速度快。准备工作时间短，在出渣速度足够时，可在72 h内完成坍塌量200 m3以上的隧道快速贯穿。

2)安全性好。半圆钢管拱可以通过多节相连，快速形成临时支护结构，为抢险提供安全操作空间。

3)可操作性强。能适用于各种隧道断面，且装置可拆分，组装方便，便于快速形成支护结构，支护高度可根据现场实际需要进行选择与调节。

顶推支护技术的特点是可以缩短抢险时间，适用于运营隧道塌方、小跨度隧道施工塌方、大跨度隧道施工拱顶塌方、人防、国防工程塌方等情况的处理。

[1]吴闽西，吴胡楠，章亮亮.隧道塌方事故处理的研究与实践[J］.山西建筑，2009，35(33):33-34.

[2]黄昌富.超前支护大管棚的导向跟管钻进技术[J］.岩土工程，2006(10):78-80.

[3]孙连溪.实用给排水工程施工手册[M］.北京:中国建筑工业出版社，1998.

[4]魏明钟.钢结构[M］.武汉:武汉理工大学出版社，2002.

[5]GB 50367-2006，植筋技术规范[S］.

[6]南京曼卡特科技有限公司.XK-360注射式植筋胶(产品样本)[Z］.2010.