软弱围岩大断面隧道自进式管棚超前支护技术

2020-08-03李继光

石家庄铁路职业技术学院学报 2020年2期

李继光

（中铁二十局集团第二工程有限公司西安 710016）

超前支护是为保证隧道开挖面围岩稳定而采取的一种辅助工法，一般应用于埋深浅、围岩荷载较大，或者在围岩软弱、破碎的隧道工程中。为达到隧道开挖面稳定、施工安全，实际工程中，常常综合采用超前锚杆支护、超前小导管注浆支护、超前管棚支护、水平旋喷桩支护等多种超前支护措施[1～5]。

自进式小管棚具有对围岩适应能力强、棚架整体刚度大、一次支护距离长等特点，同时，避免了塌孔、堵孔现象发生，T76 型自进式小管棚主要由全螺纹高强钢管、高强连接套管及带孔高强合金钻头三部分组成，管棚主体材料采用强度高、刚度大的钢管，钢管外壁设置全螺纹且管壁较厚。

1 工程概况

石峡隧道是兴延高速公路建设的重难点和控制性工程，隧道穿越北京昌平、延庆两个区，全长5.8 km，隧道开挖跨度16.62 m，开挖断面面积123 m2。隧道上覆地形起伏大，地层岩性多变，围岩级别多，隧道轴线与多条断裂带相交且穿越富水区，地质条件异常复杂。其中ZK31+306-ZK31+336 处掌子面围岩整体为熔结角砾凝灰岩，掌子面围岩位于F7 断裂破碎带和低阻异常带影响范围内，判定为V 级围岩，隧道开挖时揭示围岩情况如图1 和图2 所示。

2 自进式管棚参数确定

在软弱围岩隧道施工中，超前管棚支护可以胶结和加固围岩，避免松散围岩体冒落，有利于提高隧道围岩的稳定性并能确保隧道施工安全；同时超前管棚支护可有效控制围岩变形，为二次衬砌施工创造条件。因此，如何保证管棚在隧道开挖每一步均能保持围岩稳定，不产生过度位移，管棚支护参数设计成为解决问题的关键。

2.1 管棚长度与搭接长度

如图1 所示，管棚长度l可表示为

式中：a为管棚后段外露长度，取为钢拱架梁宽；b为隧道开挖循环进尺；c为管棚前段插入围岩长度。

如果围岩松散破碎，工作面难于自稳，则管棚支撑需插入围岩足够深度，满足其承载能力要求。

图1 掌子面围岩蚀变

图2 掌子面松散围岩

此时，管棚长度必须穿过工作面前方坍落岩体范围，则有

式中：θ为围岩内摩擦角；h为隧道高度或台阶高度。

图3 管棚支护参数示意图

2.2 管棚间距

管棚超前支护是松散破碎围岩地段最为有效超前支护手段之一。管棚间距设置过大，不仅易导致松散岩体冒落，分担到每根钢管载荷很大，管棚支护系统易变形而难于稳定；管棚间距设置过小，就会增多管棚数量，增加施做工作量，影响隧道掘进速度也不经济。根据工程经验，管棚间距通常可取400～800 mm；围岩松散破碎，隧道开挖后容易发生流塌时，管棚间距应取较小值。

西班牙科尔多瓦农业可持续发展研究所的研究人员针对蓬勃发展的无麸小麦市场需求推出了低筋小麦品种；宾夕法尼亚州立大学开发出不会变褐色的蘑菇；冷泉港实验室则开发出适合生长季较短的西红柿品种。与此同时，全美国的大学都在轰轰烈烈地开展能够抵御干旱、疾病和气候变化的农作物研究。

2.3 管棚倾角

从理论上讲，主要承受弯矩的超前管棚支护系统，棚管应该水平方向布设。但水平布设棚管导致隧道无法按等断面大小向前掘进。因此，在实际隧道辅助工法施工中，打入棚管需要向隧道开挖轮廓线外插一定角度。基于这两点原因，管棚设计应取满足施工要求的最小外插角。由图3 知，管棚外插角可按下式计算：

式中：δ 为管棚孔中心到隧道开挖轮廓线的距离。

理想设置的管棚外插角应使棚管孔口中心落在隧道开挖轮廓线上，棚管孔底落在隧道开挖轮廓线以外。如果管棚外插角设置过大，不仅支护效果降低，还会导致支护材料浪费。通常情况下，可取δ=150mm。根据计算，如果管棚纵向搭接长度为1～3 m，则管棚外插角应设置为3°～8°，隧道开挖循环进尺越小，管棚外插角越大。为了简化起见，一般情况下，管棚外插角可按3°取值。

图4 模型范围示意图（单位：m）

图5 三维模型示意图

图6 隧道支护结构

图7 管棚模型

3 自进式管棚效果分析

3.1 超前支护数值模型建立

本文数值计算采用Flac3D 有限差分软件，建立模型时，顶部边界取至地表（此计算断面隧道埋深为70 m），左右边界取至约5 倍的隧道开挖跨度，底部边界取至约3 倍的隧道开挖跨度，模型纵向（y轴方向）长60 m，计算模型选取范围如图4 所示。地层及支护用实体单元模拟，管棚用梁单元模拟，底部和左右边界施加双向约束。计算模型如图5 所示。隧道采用上下台阶开挖，施工结束后初支以及管棚模型状态如图6 所示，管棚模型如图7 所示。

3.2 数值模型计算参数确定

（1）选取K31+270 断面作为研究断面，由现场开挖揭示围岩为V 级，结合地勘资料以及相关规范取围岩力学参数如表1 所示。

（2）管棚长度取30 m，布设外插角为3°，搭接长度为3 m，直径为72 mm，管棚间距取40 cm，并沿隧道轴线对称分布于拱顶约120°范围。

（3）本次模拟是研究超前支护效果，为了计算方面，不考虑锚杆及二衬等因素。型钢拱架和管棚的模拟是通过刚度等效的方法近似取值力学参数实现的。

表1 围岩及支护力学参数

3.3 数值计算结果分析

（1）围岩位移

由图8～图11 可知，两种支护状态下，围岩位移分布呈现对称，拱顶及仰拱底部竖向位移较大，拱脚及边墙脚水平位移较大。无管棚支护状态下，隧道拱顶围岩沉降最大为805.09 mm，仰拱隆起最大为818.44 mm，拱脚及边墙脚最大水平位移约为640.96 mm；管棚支护状态下，拱顶沉降最大为587.37 mm，仰拱隆起最大为583.64 mm，拱脚及边墙脚最大水平位移约为455.45 mm。

（2）拱顶沉降

管棚支护与无管棚支护状态下，研究断面拱顶围岩沉降随隧道施工步变化如图12 所示。

由图10 可知，两种支护状态下，拱顶沉降随施工步均先减小后趋于平稳，说明拱顶沉降的模拟计算结果收敛。无管棚支护状态下隧道拱顶沉降为805 mm，管棚支护状态下隧道拱顶沉降为587 mm，减小27.08%，说明管棚支护对拱顶沉降控制效果较好，这主要是因为管棚的布设改善了围岩的特性，所形成的棚架体系有利于分担初支的受力进而减小隧道支护变形。