隧道內超前小導管長度確定探討

陳志廣

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 10055)

在隧道施工中，超前支護作為隧道內穩定拱部及開挖面的措施越來越受到重視。在破碎不穩定圍巖中，超前小導管作為經濟實用的措施，應用越來越廣泛，對超前小導管支護作用機理的研究也很多。

孫亞朋分析了超前支護的梁、拱作用[1]。王建鵬在理論分析及模型驗證的基礎上，研究了隧道超前小導管作用機理及影響因素，提出超前小導管一個重要的作用就是“棚架”作用[3]。劉運生研究了超前小導管管徑和長度對其超前支護“棚架”效應的影響規律[2]。

目前，國內關于超前小導管的設計多按工作面垂直考慮，實際施工中，為了保證工作面的穩定，工作面往往都帶有一定的傾角，導致設計給出的超前小導管長度與實際不符，“棚架”效應大打折扣。典型的超前小導管設計如圖1所示。

以下基于開挖工作面穩定的前提條件，對隧道內超前小導管的設置參數進行分析探討，為細化超前支護的設計提供借鑒。

圖1 典型超前小導管設計

1 規范規定

1.1 《鐵路隧道設計規范》

其正文提出，超前小導管可用于自穩時間短的軟弱破碎帶或淺埋、偏壓等地段。①超前小導管采用直徑42～50 mm的無縫鋼管制作。②注漿小導管壁上交錯設置直徑6～8 mm注漿孔，孔間距20～30 cm，前端制成錐形，尾部預留不小于1 m的無孔止漿段。③超前錨桿和小導管兩環間縱向水平搭接長度不小于1 m，且要與鋼架配合使用，共同組成預支護系統。

其條文說明如下。

(1)超前錨桿和小導管的長度視施工機具而定。超前支護中錨桿和小導管須有一定傾角，孔深過大會增加施工難度，并增加鉆孔時間，較經濟的深度為2倍的循環進尺加1 m的疊加長度，多為3～5 m。

(2)超前錨桿和小導管的環向間距一般為30～50 cm。選取超前錨桿或小導管間距時，在巖體較完整地段，錨桿或小導管中心間距可適當加大;巖體較破碎-破碎地段，應進行加密。

(3)超前錨桿和小導管的外插角一般為10°～30°。在軟弱、破碎圍巖地段，錨桿或小導管承受工作面上方松弛荷載，其外插角要盡量小;在巖體相對較完整地段，錨桿材料既有承擔巖塊自重的作用，又有抗剪的作用。為更好的發揮抗剪作用，需要加大外插角。

1.2 《高速鐵路隧道工程施工技術規程》

①沿隧道拱部均勻布設，環向間距需符合設計要求，宜為30～50 cm，外插角宜為10°～15°；②小導管應按設計長度施作，應大于2倍循環進尺，宜為3.5～5.0 m，搭接長度不應小于1.0 m；③應與鋼架構成聯合支護。

由以上分析可知，現行規范對小導管長度的確定考慮了循環開挖進尺及搭接長度等因素，未考慮工作面自行穩定等因素的影響。

2 超前小導管長度的確定

超前小導管的設置如圖2所示。

圖2 超前小導管設置示意(單位：cm)

由圖2可知，第一循環開挖完成后，超前小導管一端由鋼架支撐，另外一端需要伸入到潛在滑動面以外的穩定巖體中。在第二循環開挖時，拱部巖體由于小導管的“棚架”作用才不致塌落，如果小導管一端未伸入至穩定巖體中，將起不到“棚架”的作用。小導管長度的影響因素主要有：潛在滑動面(角度)、小導管的搭接長度、單次循環開挖長度等。

2.1 工作面穩定角度

工作面穩定角度是反映圍巖自穩能力的一個重要指標，根據相關資料，工作面穩定角度β=45°+φ/2，其中φ為各級圍巖的計算摩擦角?？砂础惰F路隧道設計規范》中表4.3.3取值(如表1)。

2.2 小導管的搭接長度

按照相關規范，小導管的搭接長度應不小于1 m。

2.3 單次循環開挖長度

單次循環開挖長度D與圍巖分級、鋼架間距密切相關，《高速鐵路隧道工程施工技術規程》有以下規定。

表1 規范規定各級圍巖物理力學指標

(1)在采取有效的超前預加固措施穩定開挖面后，若采用全斷面法開挖，Ⅳ、Ⅴ級圍巖循環進尺不得大于2 m。

(2)臺階法開挖循環進尺應根據圍巖地質條件、自穩能力和初期支護鋼架間距合理確定。Ⅲ級圍巖循環進尺不宜超過3 m，Ⅳ級軟弱圍巖“上臺階”進尺不宜超過2榀鋼架設計間距，Ⅴ級圍巖“上臺階”循環進尺不宜超過1榀鋼架設計間距。

2.4 超前小導管長度分析

從圖2可以看出，超前小導管長度L可按公式(1)近似計算

L=D+B+H×tan(90-β)

(1)

式中D——單次循環開挖長度；

B——小導管伸入穩定圍巖長度；

H——臺階高度；

β——工作面穩定角度。

3 小導管長度分析

一般需要設置超前小導管的地層為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，以某250 km/h雙線隧道為例，分析Ⅳ、Ⅴ級圍巖下超前小導管的長度設置。

3.1 Ⅳ級圍巖

(1)臺階法開挖

鋼架設計間距為1.0 m，“上臺階”高度為5.1 m，計算摩擦角取規范的中間值(55°)，開挖工作面穩定角度β=45°+φ/2=72.5°，按規范規定，單循環開挖進尺不得大于2 m。另外，超前小導管一端伸入穩定基巖長度為1 m，超前小導管設置見圖3。

圖3 Ⅳ級圍巖臺階法開挖超前小導管設置(單位：cm)

從圖3中可以看出，按單次循環開挖2 m，由于工作面傾斜，在開挖進尺滿足要求時，超前小導管長度為4.90 m，且每循環開挖均需安裝超前小導管，小導管搭接長度為2.86 m(遠大于設計規定的不小于1 m)。如果兩次循環安裝一次超前小導管，小導管的長度接近7 m，采用普通鑿巖機械施工難以滿足要求。

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(2)全斷面法開挖

如果采用鑿巖臺車等大型機械化配套作業，按相關規范規定，在做好超前加固措施后，可以采取全斷面法施工，相較于臺階法施工，其超前支護的長度會大大增加(見圖4)。

圖4 Ⅳ級圍巖超前支護設置(一)(單位：cm)

從圖4中可以看出，在全斷面施工前提下，如果滿足工作面及拱頂圍巖的加固穩定性要求，每循環均需要打設超前小導管，小導管長度為6.6 m(搭接長4.6 m)；如果兩個循環安裝一次，在小導管長度不變的情況下，無法滿足工作面及拱部圍巖穩定要求(見圖5)，如果每4個循環安裝一次超前小導管，則小導管的長度應為12.6 m(見圖6)。

圖5 Ⅳ級圍巖超前支護設置(二)(單位：cm)

圖6 Ⅳ級圍巖全斷面開挖超前支護設置(單位：cm)

3.2 Ⅴ級圍巖

鋼架設計間距為0.6 m(按Ⅴ級加強)，“上臺階”高度為3.6 m，計算摩擦角取規范的中間值(45°)，β=67.5°，按規范規定，臺階法開挖單循環進尺不得大于1 m，全斷面法開挖單循環進尺不得大于2 m(超前小導管一端架設在鋼架上，一端伸入穩定基巖1 m)。

(1)三臺階法隧道超前支護

超前小導管設置見圖7。

圖7 Ⅴ級三臺階法開挖超前支護設置(單位：cm)

雖然臺階高度較小(高度為3.6 m)，但由于工作面的傾斜角度較大，為了形成“棚架”效應，需要的最短小導管長度為3.28 m，搭接長度為2.65 m，利用率較低。

(2)臺階法隧道超前支護

超前小導管設置見圖8。

圖8 Ⅴ級臺階法開挖超前支護設置(單位：cm)

臺階高度為5.05 m，但由于工作面的傾斜度較大，為了形成“棚架”效應，需要的最短小導管長度為4.03 m，搭接長度為3.43 m，利用率也較低。

工作面傾斜角度為β=45°+φ/2的情況下，超前小導管設置需要的長度及搭接長度統計如表2所示。

表2 Ⅳ、Ⅴ級圍巖超前小導管設置長度

從表2可以看出，圍巖等級越差，工作面傾斜角度越大，造成小導管利用率也就越低。

4 結論

(1)為了發揮超前小導管的“棚架”效應，應充分考慮工作面的穩定性，尤其是在工作面穩定性較差的破碎圍巖中，小導管長度的確定應充分考慮工作面的穩定角度。

(2)軟弱圍巖隧道內超前小導管的長度和臺階高度、開挖面穩定角度、鋼架間距等因素有直接關系，其中，工作面的穩定角度對小導管的長度及搭接長度有直接影響，超前小導管長度(L)可按公式L=D+B+H×tan(90-β)近似計算。

(3)本次探討分析是基于理論分析的基礎之上，實際隧道施工過程中，工作面的穩定情況千差萬別，與圍巖巖性、巖層和結構面的產狀、節理裂隙發育情況、地下水發育情況等因素均有關系，不能一概而論。