浅谈超前小导管进洞方案应用分析

昌禄柱

摘    要：目前我国建设行业快速发展，为满足行业运营等需要，隧道建设成为了建设行业必不可少的一部分。现阶段我国隧道设计和施工中，对于软弱围岩下，为保证隧道进洞施工安全，绝大多数采用管棚进洞，但管棚施工费时费效，本文主要从洞口受力分析、小导管支护及管棚支护进洞原理出发，结合实际施工，浅述进洞方案选择。

关键词：隧道洞口受力;小导管进洞;管棚进洞;安全防护

1  引言

在我国建设行业的快速发展下，为满足行业运营的需要，隧道的建设亦成为建设工程的重要组成部分[1]。而目前我国建设领域安全形势严峻，隧道施工洞口段的安全防护尤为重要。

隧道进洞尤其是Ⅳ～Ⅵ级的软岩隧道进洞成败不仅关系到整座隧道施工能否有一个良好的开端，而且对隧道后续施工作业及竣工后的运营都有着很大的影响。随着隧道施工技术的进步和发展，地质条件差的隧道采用管棚、小导管进洞已经成为各建设、设计和施工单位较为认可的施工方案，不过，隧道进洞方案的选择更应根据施工现场实际情况。此外，管棚进洞也不能不加分析论证就照搬照抄。对于隧道进洞方案的选择，要从技术、经济、安全、环保等方面综合考虑，应认真分析每个隧道洞口的受力状态，根据具体情况制定切实可行的施工方案[2]。

2  工程概况

某工程隧道全长约1.575km，其中隧道改扩建共计1085m/2座。现场经勘探调查及钻探揭露，场内及周边未见滑坡、泥石流、采空区、岩溶、地下洞室等不良地质作用。隧道洞口地质构造较简单，水量贫乏，洞身围岩岩性主要为黄尖组中风化凝灰岩，有裂隙水渗出，未见大规模的垮塌现象，稳定性中等，围岩等级均为Ⅳ级。

3  管棚支护原理

通过钻机在洞口开挖面钻孔，打入开了梅花形溢浆孔的大管棚，然后将按设计调配好的水泥浆或者双液浆通过压力泵注入大管棚中，浆液通过溢浆孔挤入周边围岩的缝隙中，从而提高隧道围岩的强度和整体性，预先加强了围岩的整体自稳能力。通过大管棚向隧道开挖面及周边轮廓线围岩注浆（含溢浆效果）形成的水泥固结区可以起到“承载环”的作用，水泥固结环可以支撑住其上部的围岩重量，降低水泥固结环以内区域的围岩和隧道永久支护结构承受的应力，水泥固结环以内区域的围岩和隧道永久支护结构所承受的力仅仅是水泥固结环因为拱向隧道方向而发生变形所引起的应力。并且采用的大管棚为管壁比较厚的无缝钢管时，因为其惯性力矩大，若布置环向间距较密，那么水泥固结区的变形会更小，从而隧道支护系统所承受的隧道顶部荷载降低很多。其次，在隧道洞口处大管棚初始端一般设有环形套拱结构，大管棚末端伸入到隧道围岩应力未改变区域，超前大管棚整体结构类似于简支梁，可以支撑和传递大管棚上方围岩压力。

4  小导管支护原理

超前注浆小导管使用管径为36-50mm口径的钢管，将钢管打入到岩层当中，然后通过钢管注入水泥浆液，使水泥浆通过钢管渗透到岩层当中，超前注浆小导管能起到支撑其上方围岩的作用，水泥浆凝固后能使岩层形成一个整体，从而提高了围岩整体性、刚度及强度。该预支护技术工艺简单、造价低，应用广泛。其缺点就是一次施作距离短，刚度小等使其应用具有一定的局限性。

超前注浆小导管作用机理：超前注浆小导管能与隧道支护结构（主要是初期支护结构）共同承受围岩应力，同时与围岩一起形成一个支护体系，其具有管棚的作用效应，也是实现注浆的途径，最终加固岩层。

超前注浆小导管技术特点：超前注浆小导管施工工法简单，不需要很强的技术支持，施作方便，能够提供较大的支护能力，兼具超前大管棚和超前锚杆的优点[4]。

5  洞口受力分析

以某隧道出洞口为例，主要分析纵向的受力，利用库仑理论进行隧道洞口段土体压力大小的计算和滑动面位置的确定是一种理想的分析方法，简便且可以满足施工需求。

5.1  库伦理论的应用

按“零开挖”施工，隧道洞口拱部覆盖层很薄，采用垂直方式进行仰坡开挖，在开挖面假设挡墙，在地面为一直线的情况下，运用“彭思来作图法”（见图1）可以确定土压力大小及滑面位置。

（1）从B作BC与水平线成[Φ]角，称[Φ]线，从A作AL0与墙背成[Φ]+δ角，称为基線（此处δ=[Φ]） 。

（2）在[Φ]线上以BC为直径作半圆。

（3）从L0点作BC的垂线L0I，交半圆于I点。

（4）在[Φ]线上量BL=BI，从L点作LD∥AL0，则BD即为所要求之滑面。

其中土压力：[Ea=12γ·DL·DN=12γDL2=12γDL2·sinδ]

其方向为平行于[Φ]线，位置在距基底1/3h处（h为仰坡开挖高度）214～217。

5.2  极限稳定分析

在洞顶地表未采取加固措施或加固强度不足、洞口边仰坡强度和整体性不足、仰拱初支及仰拱未及时封闭等情况下，洞顶覆盖层会产生与水平面夹角呈[Φ]的极限滑面。此时，依据受力情况可将滑体分为A、B两块（见图2）。

其中A块受B块传递来的推力和自重，B块为滑体，其传递给A块的力为[ΔT=W·sinΦ-f·WcosΦ-c1]，B块处于极限稳定状态，其是否滑动取决于f值和c值的变化（ΔTmax一般为c=0，f=0.3时）222～224。

从上述分析得出，在A区范围内施工山体产生滑动塌方的风险非常高，因此，当洞口段施工在A区范围时，要特别注意做好以下几点：（1）必须保证初期支护的强度，包括拱架安装、喷射混凝土及纵向联结等强度。（2）采用临时仰拱或临时横撑等使初期支护尽快闭合成环。（3）严格控制掌子面、仰拱、二衬间的安全步距，尽快施作二次衬砌。

6  进洞方案选择

6.1  确定滑面位置

根据隧道地质剖面图绘制某隧道出洞口极限滑面示意简图（见图3）。

在确定滑面位置和极限滑面位置后，即可计算洞口仰坡开挖面至滑面的距离。小导管插入长度一般为5m，考虑1m～1.5m的稳定层锚固长度，如计算得仰坡开挖面AB距滑面BD距离即AO小于4m，即考虑采用小导管法进洞;距离超过4m后，就应该考虑采取管棚方案进洞。而经计算得知，本项目隧道出洞口处AO为3.972m，考虑采用小导管进洞方案;其次，结合项目实际施工进度安排以及考虑到资金投入，故本项目采用边仰坡锚喷支护及小导管预支护等辅助进洞措施。

6.2  进洞辅助措施方案

（1）拆除原有洞门。

（2）开挖仰坡、边坡。采用由高到低顺序垂直开挖; 边坡根据地质情况，按1：0.75放坡开挖。

（3）浇筑坡顶截水沟。

（4）对开挖边仰坡进行加固处理，具体参数如下：[①]Φ22砂浆锚杆，长3.5m，间距1m×1m;[②]Φ6.5钢筋网片，间距20cm×20cm;[③]C20喷射混凝土，厚度10cm。

（5）沿隧道明暗交界处向外1m安设上台阶拱架（I16工字钢），间距1m，共计两榀。

（6）施做初期支护。

（7）穿过钢架腹部环向间距按35cm打超前小导管，外插角 5°～7°，可根据实际情况调整。小导管采用42mm热扎无缝钢花管，壁厚4mm，长4.5m，在钢管距尾部95cm范围外钻6mm压浆孔，间距15cm，梅花形布置。注浆采用M20水泥砂浆，注浆压力0.5MPa～1.0MPa。

（8）开挖下台阶，施做下部拱架及初期支护。

（9）及时施做仰拱及混凝土衬砌。

（10）进洞完成。

7  结论

隧道安全进洞是隧道施工前提，同时也是隧道的安全与质量上的起点。影响着主体工程施工进度管理、安全管理、质量管理等。所以这就要求我们在起点阶段严格计划施工，符合规范和设计要求[5]。而作为施工技术人员，在接到图纸后，要认真对照现场研究图纸，充分领会设计意图，并优化设计方案，忌讳不研究、不调查就盲目組织施工。要遵循“安全、经济、环保、易于实施”的技术方案编制原则，制定科学合理的隧道进洞专项施工技术方案[2]。

参考文献：

[1] 肖勇，陈永权，何光友，左明.浅埋偏压隧道洞口段综合施工技术[J].公路隧道，2016（4）：53～55.

[2] 刘阳平.隧道洞口受力分析及进洞方案探讨[J].铁道建筑技术，2014（11）：49～52.

[3] 刘成宇.土力学（2版）[M].北京：中国铁道出版社，2009.

[4] 徐恒鑫.隧道超前注浆小导管支护参数分析及稳定性研究[D].厦门大学，2017.

[5] 李洪超.隧道进洞施工过程控制及配套技术[J].四川水泥，2018（4）：144.