铁路隧道超前小导管支护参数研究

梁顺 杨克文

【摘要】铁路隧道在施工中，小导管多用于Ⅳ、Ⅴ级围岩，超前小导管作为一种比较常见且行之有效的超前支护方法，其主要作用为预先设于隧道轮廓线外一定范围，并与开挖面后方的支架等共同组成支护系统。可以在隧道开挖后至洞内支护结构产生支护作用前的时段内，支撑临空的岩体，从而维持开挖面的围岩稳定。本文详细论述了在铁路隧道施工中，小导管支护参数对于围岩稳定性的影响。

【关键词】铁路隧道 ； 超前支护 ； 超前小导管

1. 小导管作用机理

小导管超前支护的作用主要体现为加固土体和利用自身刚度分散和传递荷载的“棚架”作用，作用机理分析如下[1]：

1）小导管打入围岩后，前端支撑于围岩中，后端支撑在初期支护上，在掌子面开挖后喷射混凝土前，通过打设超前小导管，对于临空面围岩的进行了约束，形成了“棚架”效应，也有成为“梁效应”。正是小导管的“超前”支护效应，在围岩开挖后，立即形成了支护作用，有效减小了围岩的松动范围，保护了围岩的完整性，减小了松动荷载，进而保证了掌子面的稳定性。

2）小导管注浆后，使掌子面开挖周线一定范围内充满浆液，从而提高了围岩松动圈的承载力，其结果是增强了围岩的承载能力。该加固层的存在，还可以在下一个隧道开挖循环中，隧道爆破及机械设备对于洞顶围岩的扰动。

2. 问题的引出

依据《铁路隧道工程施工技术指南》6.4.3、6.4.4超前小导管施工应符合下列规定：

1）間距应根据开挖工作面前方的地质条件和自稳能力确定，一般间距为300～500mm；

2）小导管长度一般为3.5～5.0m，小导管之间的搭接长度不得小于1.0m；

3）小导管一般直径采用38～50mm的无缝钢管。

依据现有规范，对于小导管的管径及间距并无强制性规定，只给出了参考值。在实际设计施工中，对于小导管的选择，当小导管不同管径及间距的组合，其对于围岩的约束能力必然存在不同。本文立足于铁路隧道中Ⅳ级围岩，将立足于小导管的“棚架”效应，分析小导管不同管径及间距组合下，对于隧道开挖后掌子面位移的影响，并进行对比分析，研究管径及间距对于超前支护的影响规律。

3. 数值模型及计算结果分析

3.1隧道模型

选取高铁典型马蹄形断面，断面高度为12.6m，宽为14.9m，隧道埋深考虑为最不利地形，依据《铁路隧道设计规范》Ⅳ级双线隧道浅埋为15～20m，埋深设置为20m，为了保证计算精度，左右自隧道边墙取50m，下部自仰拱底部取65m。模型左右前后及下部边界均施加法向约束，地表为自由边界。开挖工法采用三台阶法，本次计算按照实际工程模拟了过程为，支护小导管平衡后开挖上台阶掌子面，进尺为2m（考虑两榀钢架间距）。单元计算模型如图1所示：

图1 计算模型图

3.2计算参数

岩体采用实体单元，本构模型采用Mhor-Coulomb模型；初期支护采用实体单元，采用弹性模型；超前小导管采用线单元，用植入式桁架模拟。本次计算参数见表1：

表1 计算力学指标

模拟单元 弹性模量

E（GPa） 泊松比

μ 重度

γ（kN/m?） 粘聚力

c（MPa） 内摩擦角

φ（°）

Ⅳ级围岩 0.2 0.3 20 0.2 28

初期支护 28 0.2 25

3.3数值模拟结果及分析

本文共计算了小导管直径38、42、45、50及间距0.3m，0.4m，0.5m，0.8m相互组合共计16种工况。对于各结果的对比选取开挖断面的拱顶沉降作为对比标准，开挖断面的拱顶的沉降实则为一个综合性的指标，既反映了变形的大小，同样可以反映松动范围的大小（一般情况下拱顶变形大就意味着松动范围的大），计算结果如图2所示：

图2 拱顶变形

从计算结果可以看出，管径和间距的改变对于拱顶变形的影响不大，并没有有效的控制拱顶的变形。造成此现象的原因小导管的刚度相对于围岩来说比较小，当小导管管径为50时，其抗弯刚度也558mm3，在不注浆的情况下，小导管的“棚架”作用可以作为两端固定的梁来考虑，依据《钢结构设计规范》计算出其最大承受弯矩为0.12kN.m，间距0.3m时换算为岩体高度为0.06m左右。各种工况下小导管可承受围岩高度为：

可见小导管对于约束围岩变形的能力还是相当有限的。进一步计算在无超前支护的情况下，拱顶变形为17.134mm，可见超前小导管约束变形仅占总变形的2.6%左右。

4. 结论

通过上述分析，可以得出在Ⅳ级围岩中，超前小导管在不注浆的情况下，只利用小导管的“棚架”作用时，改变小导管的管径及间距，对于隧道周边变形不能起到很好的约束作用，造成该情况的原因在于，小导管的刚度相对于围岩应力来说太小，要利用小导管的刚度来约束围岩是不切实际的，此时小导管的主要作用在于防止隧道拱顶掉块，保障施工安全，也可以防止小掉块逐步扩大导致的塌方。从而在实际工程中，在Ⅳ级围岩情况下，根据经验围岩本身变形可控的情况下，可以适当增大小导管的间距，只要能阻止掉块即可。

参考文献

[1] 刘运生 ，董 敏. 超前小导管参数对超前支护的影响分析[J]. 都市快轨交通，2013

[2] 李术才，朱维申.弹塑性大位移有限元方法在软岩隧道变形预估系统研究中的应用[J].岩石力学与工程学报，2002，21（4）；466-470.

[3] 铁二院，铁路工程隧道设计技术手册[M].北京：中国铁道出版社