隧道内超前小导管长度确定探讨

2018-10-22陈志广

铁道勘察 2018年5期

陈志广

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 10055)

在隧道施工中，超前支护作为隧道内稳定拱部及开挖面的措施越来越受到重视。在破碎不稳定围岩中，超前小导管作为经济实用的措施，应用越来越广泛，对超前小导管支护作用机理的研究也很多。

孙亚朋分析了超前支护的梁、拱作用[1]。王建鹏在理论分析及模型验证的基础上，研究了隧道超前小导管作用机理及影响因素，提出超前小导管一个重要的作用就是“棚架”作用[3]。刘运生研究了超前小导管管径和长度对其超前支护“棚架”效应的影响规律[2]。

目前，国内关于超前小导管的设计多按工作面垂直考虑，实际施工中，为了保证工作面的稳定，工作面往往都带有一定的倾角，导致设计给出的超前小导管长度与实际不符，“棚架”效应大打折扣。典型的超前小导管设计如图1所示。

以下基于开挖工作面稳定的前提条件，对隧道内超前小导管的设置参数进行分析探讨，为细化超前支护的设计提供借鉴。

图1 典型超前小导管设计

1 规范规定

1.1 《铁路隧道设计规范》

其正文提出，超前小导管可用于自稳时间短的软弱破碎带或浅埋、偏压等地段。①超前小导管采用直径42～50 mm的无缝钢管制作。②注浆小导管壁上交错设置直径6～8 mm注浆孔，孔间距20～30 cm，前端制成锥形，尾部预留不小于1 m的无孔止浆段。③超前锚杆和小导管两环间纵向水平搭接长度不小于1 m，且要与钢架配合使用，共同组成预支护系统。

其条文说明如下。

(1)超前锚杆和小导管的长度视施工机具而定。超前支护中锚杆和小导管须有一定倾角，孔深过大会增加施工难度，并增加钻孔时间，较经济的深度为2倍的循环进尺加1 m的叠加长度，多为3～5 m。

(2)超前锚杆和小导管的环向间距一般为30～50 cm。选取超前锚杆或小导管间距时，在岩体较完整地段，锚杆或小导管中心间距可适当加大;岩体较破碎-破碎地段，应进行加密。

(3)超前锚杆和小导管的外插角一般为10°～30°。在软弱、破碎围岩地段，锚杆或小导管承受工作面上方松弛荷载，其外插角要尽量小;在岩体相对较完整地段，锚杆材料既有承担岩块自重的作用，又有抗剪的作用。为更好的发挥抗剪作用，需要加大外插角。

1.2 《高速铁路隧道工程施工技术规程》

①沿隧道拱部均匀布设，环向间距需符合设计要求，宜为30～50 cm，外插角宜为10°～15°；②小导管应按设计长度施作，应大于2倍循环进尺，宜为3.5～5.0 m，搭接长度不应小于1.0 m；③应与钢架构成联合支护。

由以上分析可知，现行规范对小导管长度的确定考虑了循环开挖进尺及搭接长度等因素，未考虑工作面自行稳定等因素的影响。

2 超前小导管长度的确定

超前小导管的设置如图2所示。

图2 超前小导管设置示意(单位：cm)

由图2可知，第一循环开挖完成后，超前小导管一端由钢架支撑，另外一端需要伸入到潜在滑动面以外的稳定岩体中。在第二循环开挖时，拱部岩体由于小导管的“棚架”作用才不致塌落，如果小导管一端未伸入至稳定岩体中，将起不到“棚架”的作用。小导管长度的影响因素主要有：潜在滑动面(角度)、小导管的搭接长度、单次循环开挖长度等。

2.1 工作面稳定角度

工作面稳定角度是反映围岩自稳能力的一个重要指标，根据相关资料，工作面稳定角度β=45°+φ/2，其中φ为各级围岩的计算摩擦角。可按《铁路隧道设计规范》中表4.3.3取值(如表1)。

2.2 小导管的搭接长度

按照相关规范，小导管的搭接长度应不小于1 m。

2.3 单次循环开挖长度

单次循环开挖长度D与围岩分级、钢架间距密切相关，《高速铁路隧道工程施工技术规程》有以下规定。

表1 规范规定各级围岩物理力学指标

(1)在采取有效的超前预加固措施稳定开挖面后，若采用全断面法开挖，Ⅳ、Ⅴ级围岩循环进尺不得大于2 m。

(2)台阶法开挖循环进尺应根据围岩地质条件、自稳能力和初期支护钢架间距合理确定。Ⅲ级围岩循环进尺不宜超过3 m，Ⅳ级软弱围岩“上台阶”进尺不宜超过2榀钢架设计间距，Ⅴ级围岩“上台阶”循环进尺不宜超过1榀钢架设计间距。

2.4 超前小导管长度分析

从图2可以看出，超前小导管长度L可按公式(1)近似计算

L=D+B+H×tan(90-β)

(1)

式中D——单次循环开挖长度；

B——小导管伸入稳定围岩长度；

H——台阶高度；

β——工作面稳定角度。

3 小导管长度分析

一般需要设置超前小导管的地层为Ⅳ、Ⅴ级围岩，以某250 km/h双线隧道为例，分析Ⅳ、Ⅴ级围岩下超前小导管的长度设置。

3.1 Ⅳ级围岩

(1)台阶法开挖

钢架设计间距为1.0 m，“上台阶”高度为5.1 m，计算摩擦角取规范的中间值(55°)，开挖工作面稳定角度β=45°+φ/2=72.5°，按规范规定，单循环开挖进尺不得大于2 m。另外，超前小导管一端伸入稳定基岩长度为1 m，超前小导管设置见图3。

图3 Ⅳ级围岩台阶法开挖超前小导管设置(单位：cm)

从图3中可以看出，按单次循环开挖2 m，由于工作面倾斜，在开挖进尺满足要求时，超前小导管长度为4.90 m，且每循环开挖均需安装超前小导管，小导管搭接长度为2.86 m(远大于设计规定的不小于1 m)。如果两次循环安装一次超前小导管，小导管的长度接近7 m，采用普通凿岩机械施工难以满足要求。

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(2)全断面法开挖

如果采用凿岩台车等大型机械化配套作业，按相关规范规定，在做好超前加固措施后，可以采取全断面法施工，相较于台阶法施工，其超前支护的长度会大大增加(见图4)。

图4 Ⅳ级围岩超前支护设置(一)(单位：cm)

从图4中可以看出，在全断面施工前提下，如果满足工作面及拱顶围岩的加固稳定性要求，每循环均需要打设超前小导管，小导管长度为6.6 m(搭接长4.6 m)；如果两个循环安装一次，在小导管长度不变的情况下，无法满足工作面及拱部围岩稳定要求(见图5)，如果每4个循环安装一次超前小导管，则小导管的长度应为12.6 m(见图6)。