隧道內(nèi)超前小導(dǎo)管長度確定探討

陳志廣

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 10055)

在隧道施工中，超前支護(hù)作為隧道內(nèi)穩(wěn)定拱部及開挖面的措施越來越受到重視。在破碎不穩(wěn)定圍巖中，超前小導(dǎo)管作為經(jīng)濟(jì)實(shí)用的措施，應(yīng)用越來越廣泛，對超前小導(dǎo)管支護(hù)作用機(jī)理的研究也很多。

孫亞朋分析了超前支護(hù)的梁、拱作用[1]。王建鵬在理論分析及模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，研究了隧道超前小導(dǎo)管作用機(jī)理及影響因素，提出超前小導(dǎo)管一個(gè)重要的作用就是“棚架”作用[3]。劉運(yùn)生研究了超前小導(dǎo)管管徑和長度對其超前支護(hù)“棚架”效應(yīng)的影響規(guī)律[2]。

目前，國內(nèi)關(guān)于超前小導(dǎo)管的設(shè)計(jì)多按工作面垂直考慮，實(shí)際施工中，為了保證工作面的穩(wěn)定，工作面往往都帶有一定的傾角，導(dǎo)致設(shè)計(jì)給出的超前小導(dǎo)管長度與實(shí)際不符，“棚架”效應(yīng)大打折扣。典型的超前小導(dǎo)管設(shè)計(jì)如圖1所示。

以下基于開挖工作面穩(wěn)定的前提條件，對隧道內(nèi)超前小導(dǎo)管的設(shè)置參數(shù)進(jìn)行分析探討，為細(xì)化超前支護(hù)的設(shè)計(jì)提供借鑒。

圖1 典型超前小導(dǎo)管設(shè)計(jì)

1 規(guī)范規(guī)定

1.1 《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》

其正文提出，超前小導(dǎo)管可用于自穩(wěn)時(shí)間短的軟弱破碎帶或淺埋、偏壓等地段。①超前小導(dǎo)管采用直徑42～50 mm的無縫鋼管制作。②注漿小導(dǎo)管壁上交錯(cuò)設(shè)置直徑6～8 mm注漿孔，孔間距20～30 cm，前端制成錐形，尾部預(yù)留不小于1 m的無孔止?jié){段。③超前錨桿和小導(dǎo)管兩環(huán)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(yù)支護(hù)系統(tǒng)。

其條文說明如下。

(1)超前錨桿和小導(dǎo)管的長度視施工機(jī)具而定。超前支護(hù)中錨桿和小導(dǎo)管須有一定傾角，孔深過大會(huì)增加施工難度，并增加鉆孔時(shí)間，較經(jīng)濟(jì)的深度為2倍的循環(huán)進(jìn)尺加1 m的疊加長度，多為3～5 m。

(2)超前錨桿和小導(dǎo)管的環(huán)向間距一般為30～50 cm。選取超前錨桿或小導(dǎo)管間距時(shí)，在巖體較完整地段，錨桿或小導(dǎo)管中心間距可適當(dāng)加大;巖體較破碎-破碎地段，應(yīng)進(jìn)行加密。

(3)超前錨桿和小導(dǎo)管的外插角一般為10°～30°。在軟弱、破碎圍巖地段，錨桿或小導(dǎo)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(dān)巖塊自重的作用，又有抗剪的作用。為更好的發(fā)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(shù)規(guī)程》

①沿隧道拱部均勻布設(shè)，環(huán)向間距需符合設(shè)計(jì)要求，宜為30～50 cm，外插角宜為10°～15°；②小導(dǎo)管應(yīng)按設(shè)計(jì)長度施作，應(yīng)大于2倍循環(huán)進(jìn)尺，宜為3.5～5.0 m，搭接長度不應(yīng)小于1.0 m；③應(yīng)與鋼架構(gòu)成聯(lián)合支護(hù)。

由以上分析可知，現(xiàn)行規(guī)范對小導(dǎo)管長度的確定考慮了循環(huán)開挖進(jìn)尺及搭接長度等因素，未考慮工作面自行穩(wěn)定等因素的影響。

2 超前小導(dǎo)管長度的確定

超前小導(dǎo)管的設(shè)置如圖2所示。

圖2 超前小導(dǎo)管設(shè)置示意(單位：cm)

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

2.1 工作面穩(wěn)定角度

工作面穩(wěn)定角度是反映圍巖自穩(wěn)能力的一個(gè)重要指標(biāo)，根據(jù)相關(guān)資料，工作面穩(wěn)定角度β=45°+φ/2，其中φ為各級圍巖的計(jì)算摩擦角?？砂础惰F路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中表4.3.3取值(如表1)。

2.2 小導(dǎo)管的搭接長度

按照相關(guān)規(guī)范，小導(dǎo)管的搭接長度應(yīng)不小于1 m。

2.3 單次循環(huán)開挖長度

單次循環(huán)開挖長度D與圍巖分級、鋼架間距密切相關(guān)，《高速鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》有以下規(guī)定。

表1 規(guī)范規(guī)定各級圍巖物理力學(xué)指標(biāo)

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

(2)臺(tái)階法開挖循環(huán)進(jìn)尺應(yīng)根據(jù)圍巖地質(zhì)條件、自穩(wěn)能力和初期支護(hù)鋼架間距合理確定。Ⅲ級圍巖循環(huán)進(jìn)尺不宜超過3 m，Ⅳ級軟弱圍巖“上臺(tái)階”進(jìn)尺不宜超過2榀鋼架設(shè)計(jì)間距，Ⅴ級圍巖“上臺(tái)階”循環(huán)進(jìn)尺不宜超過1榀鋼架設(shè)計(jì)間距。

2.4 超前小導(dǎo)管長度分析

從圖2可以看出，超前小導(dǎo)管長度L可按公式(1)近似計(jì)算

L=D+B+H×tan(90-β)

(1)

式中D——單次循環(huán)開挖長度；

B——小導(dǎo)管伸入穩(wěn)定圍巖長度；

H——臺(tái)階高度；

β——工作面穩(wěn)定角度。

3 小導(dǎo)管長度分析

一般需要設(shè)置超前小導(dǎo)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(dǎo)管的長度設(shè)置。

3.1 Ⅳ級圍巖

(1)臺(tái)階法開挖

鋼架設(shè)計(jì)間距為1.0 m，“上臺(tái)階”高度為5.1 m，計(jì)算摩擦角取規(guī)范的中間值(55°)，開挖工作面穩(wěn)定角度β=45°+φ/2=72.5°，按規(guī)范規(guī)定，單循環(huán)開挖進(jìn)尺不得大于2 m。另外，超前小導(dǎo)管一端伸入穩(wěn)定基巖長度為1 m，超前小導(dǎo)管設(shè)置見圖3。

圖3 Ⅳ級圍巖臺(tái)階法開挖超前小導(dǎo)管設(shè)置(單位：cm)

從圖3中可以看出，按單次循環(huán)開挖2 m，由于工作面傾斜，在開挖進(jìn)尺滿足要求時(shí)，超前小導(dǎo)管長度為4.90 m，且每循環(huán)開挖均需安裝超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管搭接長度為2.86 m(遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)規(guī)定的不小于1 m)。如果兩次循環(huán)安裝一次超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管的長度接近7 m，采用普通鑿巖機(jī)械施工難以滿足要求。

面對日益嚴(yán)峻的大數(shù)據(jù)安全形勢，目前主流的安全解決方法包括：經(jīng)典的文件訪問控制技術(shù)、設(shè)備加密技術(shù)、匿名保護(hù)技術(shù)、加密保護(hù)技術(shù)、數(shù)據(jù)水印技術(shù)等。同時(shí)提出利用大數(shù)據(jù)技術(shù)本身用作大數(shù)據(jù)安全防護(hù)的實(shí)現(xiàn)方法，增強(qiáng)大數(shù)據(jù)時(shí)代的信息安全防護(hù)性能。

(2)全斷面法開挖

如果采用鑿巖臺(tái)車等大型機(jī)械化配套作業(yè)，按相關(guān)規(guī)范規(guī)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(tái)階法施工，其超前支護(hù)的長度會(huì)大大增加(見圖4)。

圖4 Ⅳ級圍巖超前支護(hù)設(shè)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(wěn)定性要求，每循環(huán)均需要打設(shè)超前小導(dǎo)管，小導(dǎo)管長度為6.6 m(搭接長4.6 m)；如果兩個(gè)循環(huán)安裝一次，在小導(dǎo)管長度不變的情況下，無法滿足工作面及拱部圍巖穩(wěn)定要求(見圖5)，如果每4個(gè)循環(huán)安裝一次超前小導(dǎo)管，則小導(dǎo)管的長度應(yīng)為12.6 m(見圖6)。

圖5 Ⅳ級圍巖超前支護(hù)設(shè)置(二)(單位：cm)

圖6 Ⅳ級圍巖全斷面開挖超前支護(hù)設(shè)置(單位：cm)

3.2 Ⅴ級圍巖

鋼架設(shè)計(jì)間距為0.6 m(按Ⅴ級加強(qiáng))，“上臺(tái)階”高度為3.6 m，計(jì)算摩擦角取規(guī)范的中間值(45°)，β=67.5°，按規(guī)范規(guī)定，臺(tái)階法開挖單循環(huán)進(jìn)尺不得大于1 m，全斷面法開挖單循環(huán)進(jìn)尺不得大于2 m(超前小導(dǎo)管一端架設(shè)在鋼架上，一端伸入穩(wěn)定基巖1 m)。

(1)三臺(tái)階法隧道超前支護(hù)

超前小導(dǎo)管設(shè)置見圖7。

圖7 Ⅴ級三臺(tái)階法開挖超前支護(hù)設(shè)置(單位：cm)

雖然臺(tái)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(yīng)，需要的最短小導(dǎo)管長度為3.28 m，搭接長度為2.65 m，利用率較低。

(2)臺(tái)階法隧道超前支護(hù)

超前小導(dǎo)管設(shè)置見圖8。

圖8 Ⅴ級臺(tái)階法開挖超前支護(hù)設(shè)置(單位：cm)

臺(tái)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(yīng)，需要的最短小導(dǎo)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(dǎo)管設(shè)置需要的長度及搭接長度統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 Ⅳ、Ⅴ級圍巖超前小導(dǎo)管設(shè)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(dǎo)管利用率也就越低。

4 結(jié)論

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

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

(3)本次探討分析是基于理論分析的基礎(chǔ)之上，實(shí)際隧道施工過程中，工作面的穩(wěn)定情況千差萬別，與圍巖巖性、巖層和結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀、節(jié)理裂隙發(fā)育情況、地下水發(fā)育情況等因素均有關(guān)系，不能一概而論。