頂推支護技術在隧道塌方搶險中的應用探討

牟壽鵬 楊效中 徐 迎

0 引言

隨著復雜地質條件下隧道工程的大量建設，隧道塌方時有發生，而傳統隧道塌方搶險技術有錨桿法、注漿法以及以注漿原理為基礎的小導管注漿法和管棚法等[1，2］。這些方法處理了大量的塌方事故，取得了良好的效果，但用于快速搶險存在很大程度的局限性，主要是無法快速有效地形成支護能力的問題。因此如何解決上述問題，實現塌方隧道的快速支護，是隧道塌方搶險面臨的關鍵問題。本文結合頂管法原理和隧道塌方特點，提出頂推支護技術，通過對塌方隧道的快速支護，實現塌方巖體的快速清除，達到快速搶險的目的。

1 頂推支護技術結構體系

頂推支護技術是參考頂管施工技術基本原理提出的一項新的施工技術。頂推支護技術借助長行程、大噸位的千斤頂，將可活動半圓鋼管拱架設在固定豎向支撐鋼管上，從隧道未塌方區域貫穿塌方區，從而實現快速支護。

頂推支護技術主要由三部分組成，見圖1。

圖1 頂推支護技術示意圖

1)頂推支護拱系統。頂推支護拱系統由活動式半圓鋼管拱和固定豎向支撐鋼管組成。活動式半圓鋼管拱作為頂推支護拱系統的支護結構，既可以用于頂進臨時支護，又可以為施工人員提供安全作業空間;搶險結束以后，活動式半圓鋼管拱還可以加固作為永久支護結構，見圖2。固定豎向支撐鋼管作為頂推支護拱系統的支撐結構，可以根據現場實際塌方情況確定合適的支護高度;同時為保證頂推支護拱系統的穩定性，固定豎向支撐鋼管與地面的接觸應采用鉚接，如圖3所示。

2)頂推動力系統。頂推動力系統由千斤頂為頂推提供動力。根據頂推阻力大小，確定千斤頂的數量;千斤頂環向對稱布置在頂推后背環系統。

圖2 活動式半圓鋼管拱圖

圖3 固定豎向支撐鋼管圖

3)頂推后背環系統。頂推后背環系統通過作用在半圓環頂推基座上的植筋錨固力和斜向鋼管支撐力，為頂推動力提供足夠的后背力，見圖4。

圖5 壓力分布圖

圖4 頂推力布置圖（側面圖）

2 頂推支護技術設計

2.1 頂推支護拱系統設計與計算

頂推支護拱系統由活動式半圓鋼管拱和固定豎向支撐鋼管組成。

1)活動式半圓鋼管拱的設計。

活動式半圓鋼管拱分為兩個部分:刃口拱和支護拱，見圖2。刃口拱既作為頭拱支護結構，又作為頂進拱，頭部采用刃口，減少頂推阻力;支護拱是刃口拱后面的繼接拱，它的連接主要通過螺栓連接，后期進行焊接加固;刃口拱和支護拱的長短應根據千斤頂的選擇來確定。

2)豎向活動支撐鋼管計算。

a.巖體的確定。隧道塌方的發生，情況較為復雜。應根據實際隧道塌方巖體狀況來確定巖體容重γ，內摩擦角φ。

b.拱頂壓力值計算。根據松動壓力計算方法，考慮深埋與淺埋的成拱原理，隧道塌方按淺埋不成拱結構考慮。則由拱頂土壓力造成的正壓力如圖5所示，則:

其中，q為拱頂土壓力;γ為土的重度，kN/m3;H為拱頂覆土高度，m。

c.固定豎向鋼管選擇[4］。每米范圍內鋼管為4根，則鋼管支撐力:

軸心受壓:

其中，W為每米支護拱重力，kN;p為構件的軸心拉力或壓力設計值，kN;F為鋼材的抗拉強度設計值，N/mm2;An為構件的凈截面面積，mm2。

2.2 頂推阻力計算

頂推阻力的確定是實現頂推支護技術的基礎。確定合理的頂推阻力，既有利于頂推施工，又有利于減少施工投入。

支護拱的總頂推阻力[3］:

其中，F′為總頂推阻力，kN;F1′為刃口拱正面阻力，kN;F2′為支護拱摩阻力。

1)正面阻力:

其中，D為刃口拱外徑，m;t為刃口拱刃腳厚度，m;R為擠壓阻力，kN/m2，取 R=300 ～500。

2)四周摩阻力:

其中，L為支護拱總長度，m;f2為單位長度支護拱摩阻力，kN/m。

正常情況下，拱壁摩阻力可按以下公式計算:

無潤滑劑時:

拱壁垂直壓力(q是常量)如圖5所示。

其中，μ為拱壁與土的摩擦系數;φ為內摩擦角;N為拱壁垂直壓力;μ1為四氟板與支護拱的摩擦系數，取0.04。

2.3 頂推動力系統選擇與布置

頂推支護技術的實現，關鍵在于頂推力不小于頂推阻力。

頂推支護技術主要依靠千斤頂來提供頂推動力，特別是大噸位、長行程、小型化千斤頂的出現，為施工的可行性提供了技術支持和設備保障。為提供合適的頂推力，千斤頂的布置，應按環向對稱布置。

2.4 頂推后背環設計與計算

為提供足夠的頂推反力，頂推后背環通過植筋錨固和鋼管支撐來實現的，見圖6。

根據隧道實際塌方情況，確定錨桿打設角度β，則:

其中，n為千斤頂數量，個;F1為植筋錨固拉力，kN;N1為斜向鋼管支撐力，kN。

1)錨固力計算[5］。采用HRB400級鋼筋種植，原構件混凝土強度等級不得低于C20。其受拉承載力應按下式驗算:

其中，fy為鋼筋的抗拉強度設計值，N/mm2;As為鋼筋的截面面積，mm2。

基本錨固長度lb應按下列公式確定:

其中，系數α見GB 50367-2006。

現有的新型高性能植筋劑XK-360注射式植筋膠，可以在短時間內提供充足的錨固力。根據植筋實驗數據，在溫度不小于20℃的條件下，5 h可以提供最大330 kN的錨固力[6］。

圖6 頂推作用原理示意圖

2)斜向鋼管確定。斜向鋼管支撐力與植筋錨固拉力大小相同。鋼管的選擇與固定豎向支撐鋼管的確定方法一樣。頂推支護技術主要依靠千斤頂來提供頂推動力，特別是大噸位、長行程、小型化千斤頂的出現，為施工的可行性提供了技術支持和設備保障。為提供合適的頂推力，千斤頂的布置，應按環向對稱布置。

3 頂推支護技術施工工藝

頂推支護技術施工首先要勘查現場，通過植筋設置后背環，安裝千斤頂及支護結構，然后邊頂進邊出渣，可順利清除塌方體。施工中尤其要處理好安排頂進，出渣和加固糾偏的關系。

頂推支護技術施工流程如圖7所示。

圖7 施工流程圖

4 結語

頂推支護技術是針對傳統施工方法在處理隧道塌方中出現的問題而提出的新方法，經驗算是可行的，較傳統施工工藝其具有以下新特點:

1)速度快。準備工作時間短，在出渣速度足夠時，可在72 h內完成坍塌量200 m3以上的隧道快速貫穿。

2)安全性好。半圓鋼管拱可以通過多節相連，快速形成臨時支護結構，為搶險提供安全操作空間。

3)可操作性強。能適用于各種隧道斷面，且裝置可拆分，組裝方便，便于快速形成支護結構，支護高度可根據現場實際需要進行選擇與調節。

頂推支護技術的特點是可以縮短搶險時間，適用于運營隧道塌方、小跨度隧道施工塌方、大跨度隧道施工拱頂塌方、人防、國防工程塌方等情況的處理。

[1]吳閩西，吳胡楠，章亮亮.隧道塌方事故處理的研究與實踐[J］.山西建筑，2009，35(33):33-34.

[2]黃昌富.超前支護大管棚的導向跟管鉆進技術[J］.巖土工程，2006(10):78-80.

[3]孫連溪.實用給排水工程施工手冊[M］.北京:中國建筑工業出版社，1998.

[4]魏明鐘.鋼結構[M］.武漢:武漢理工大學出版社，2002.

[5]GB 50367-2006，植筋技術規范[S］.

[6]南京曼卡特科技有限公司.XK-360注射式植筋膠(產品樣本)[Z］.2010.