超前小导管布设范围对其超前支护效果影响分析

超前小导管布设范围对其超前支护效果影响分析

作者：龚英杰 李会良

来源：《中国科技博览》2018年第34期

[摘 要]以哈尔滨地铁浅埋暗挖段隧道为工程背景，利用Flac3d软件建立不同超前小导管支护范围下隧道三维有限元计算模型，通过隧道开挖模拟计算分析超前小导管环向布置情况对隧道受力变形以及掌子面稳定性影响，确定出超前小导管合理布置范围。计算结果表明，超前小导管布设范围的增大不能很好的控制地表沉降；超前小导管布设范围增加对掌子面稳定性影响趋势由强而趋于平缓，故确定了最优小导管布设范围，可为类似隧道工程施工提高参考价值。 中图分类号：V840 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）34-0350-02 0 引言

在城市地铁建设过程中，因其施工环境的复杂性和敏感性，隧道施工变形控制一直都是富有挑战性的问题。经过近年来的不断发展研究和实践，隧道超前支护作为一项保证隧道开挖安全、保护地面建筑以及控制地表变形等的技术越来越受到重视，其应用也越来越广泛。随着隧道超前支护施工工艺的不断发展，新方法、新技术也不断涌现，极大的提高了隧道施工安全和效率[1]。

在众多隧道超前支护手段中，超前小导管支护方式具有施工便捷灵活、工艺简单、造价低，良好的防水止水效果，以及对于软弱岩土体的支护效果明显的优势。除此之外，超前小导管在隧道垮塌等事故的处理中发挥的作用也越来越突出。目前，对于小导管管径和长度方面[2，3]已有深入的研究，而对于小导管不同布设范围的讨论尚少。因此，针对超前小导管布设范围的研究具有重要的工程实践意义。

笔者以哈尔滨地铁浅埋暗挖隧道为工程背景，建立小导管不同布设范围下隧道三维有限元计算模型，进行隧道开挖模拟计算，以期研究小导管环向布置情况对隧道受力变形以及掌子面稳定性的影响。

1 超前小导管作用机理

超前小导管的支护作用大致可以分为自身加固以及利用自身刚度分散和荷载传递的“棚架作用”，具体作用机理如下

在没有打入超前小导管时，隧道开挖时掌子面上方的应力主要依靠隧道开挖自身所形成的塌落拱来承受。打入超前小导管后，在一定程度上，小导管之间也会形成拱效应来承受围岩上

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部荷载。小导管以靠近掌子面的钢支撑和前方未开挖的部分岩土体为支点，在纵向支撑起中间部分的岩土体，起纵向梁作用[4]。小导管长度比台阶高度长1m～2m，对洞壁一定范围内的围岩起到支托作用。多根小导管之间形成拱作用，组合起来具有拱群效应，能够有效的约束围岩，减小隧道在开挖过程中产生的位移[5，6]。然后小导管承载拱也存在负面效应，即在拱顶竖向荷载作用下，拱脚处会产生水平反力。 2 工程概述

哈尔滨地铁暗挖区间隧道以岗阜状平原地貌为主，地层主要为可塑状态的粉质黏土，中压缩性，工程位于地下水上方，局部存在管线渗漏形成的上层滞水。

所选研究区段围岩为Ⅵ类围岩，埋深为19.23m，地层以可塑状态粉质黏土为主，稳定地下水位在隧道下方10m～30m不等，不会对隧道施工产生影响，部分区域可能存在上层滞水，主要来自大气降水垂直入渗或管线渗漏，数值模拟中暂不考虑这一特殊情况。采用台阶法施工，上台阶预留核心土以增强掌子面稳定性，每循环进尺0.75m。 3 数值模拟分析 3.1 模型建立

采用岩土工程计算软件Flac3d进行隧道模型建立以及数值分析，研究小导管布设范围对其超前支护效果的影响程度。

为减小边界效应的影响，取隧道中心线起始点在地表的投影点为原点，模型的左、右及下边界距离取3～5倍洞径。计算模型的前、后、左、右边界均为法向约束，下边界为固定端约束，上边界为自由边界。围岩采用摩尔-库仑本构模型，根据《岩土工程勘察报告》和相关规范，依据现场地勘资料与室内试验获取参数，计算采用土样的物理力学计算参数见表1。 模拟计算研究中把二衬作为强度储备考虑，只模拟计算初期支护的作用。初期支护采用shell结构单元，小导管采用beam结构单元模拟，其与初支或围岩以节点铰接方式连接，计算模型见图1。取每次开挖稳定后掌子面上节点作为研究对象，对比分析不同超前小导管支护两种工况下，分别分析小导管对掌子面节点的位移大小影响规律，掌子面上监测点的布置见图2 3.2 计算工况

为揭示超前小导管布设范围对其超前支护作用的影响，在所建立模型基础上分别以环向的圆心角150°、120°、90°、60°、30°、0°时，对模型模拟计算，通过分析不同布设范围时的模拟计算结果，讨论在有超前小导管预支护情况下不同的小导管布置范围对隧道受力变形和掌子面稳定性的影响。 3.3 结果分析

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通过开展不同布设范围超前小导管的数值计算，分别得到了不同布设范围超前小导管影响下地表沉降变化曲线图，掌子面位移及荷载变化曲线图。

分析图3可知，不同布设范围超前小导管影响下地表沉降变化趋势基本一致。地表最大沉降累计值出现在超前小导管布设范围为0°的模型中，约为24.mm，地表最小沉降累计值出现在超前小导管布设范围为150°的模型中，约为23.52mm，两者相差4.16%。

分析图4可知，不同布设范围超前小导管影响下掌子面上部土体各节点竖向位移变化趋势基本一致。掌子面上部土体最大及最小竖向位移分别出现在超前小导管布设范围为0°及120°的模型中，两者最大相差14.11%。

分析图5可知，不同布设范围超前小导管影响下掌子面中部土体各节点竖向位移变化趋势基本一致。掌子面中部土体最大及最小竖向位移分别出现在超前小导管布设范围为0°及150°的模型中，两者最大相差19.61%；同时小导管布设范围为90°及150°结果接近，两者最大相差不超过6.77%。

分析图6可知，不同布设范围超前小导管影响下掌子面下部土体各节点竖向位移变化趋势基本一致。掌子面下部土体最大及最小竖向位移分别出现在超前小导管布设范围为0°及150°的模型中，两者最大相差72.42%。同时小导管布设范围为90°及150°结果接近，两者最大相差不超过12.56%。

综合分析图4～图6可知，当改变超前小导管布设范围时，掌子面竖向位移随布设范围增加而减小，其中当超前小导管布设范围为90°时，掌子面土体竖向位移与150°效果相近，为最优工况。

分析图7可知，不同布设范围超前小导管影响下掌子面上部土体各节点轴向位移变化趋势基本一致。掌子面上部土体最大及最小轴向位移分别出现在超前小导管布设范围为0°及120°的模型中，两者最大相差25.67%。

分析图8可知，不同布设范围超前小导管影响下掌子面中部土体各节点轴向位移变化趋势基本一致。掌子面中部土体最大及最小轴向位移分别出现在超前小导管布设范围为0°及150°的模型中，两者最大相差12.85%。同时小导管布设范围为120°及150°结果接近，两者最大相差不超过3.62%。

分析图9可知，不同布设范围超前小导管影响下掌子面下部土体各节点轴向位移变化趋势基本一致。掌子面下部土体最大及最小轴向位移分别出现在超前小导管布设范围为0°及150°的模型中，两者最大相差16.00%。同时小导管布设范围为120°及150°结果接近，两者最大相差不超过7.36%。

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综合分析图7～图9可知，当改变超前小导管布设范围时，掌子面轴向位移随布设范围增加而减小，其中当超前小导管布设范围为120°时，掌子面土体竖向位移与150°效果相近，为最优工况。

综上，当改变超前小导管布设范围时，不会对地表沉降产生显著影响。但随着布设范围的增加，掌子面各个部位土体位移均有减小趋势，但变化程度由剧减而趋于平缓。综合考虑地表沉降以及掌子面位移，得出超前小导管选用90°～120°为最优方案。 4 结论

通过对浅埋暗挖隧道超前小导管支护进行数值模拟分析，得到如下结论 （1）超前小导管布设范围的增加对于地表沉降控制作用不大。

（2）超前小导管布设范围决定了其“棚架”作用的范围，随着布设范围的增加，掌子面各个部位土体位移均有减小趋势，但变化程度由剧减而趋于平缓。

（3）在哈尔滨地区特有的粉质黏土地层中，对于地铁单线、单洞标准隧道断面形式，从以上分析得出超前小导管布设范围在90°～120°时，是施工最优超前支护范围，实际施工中可以取120°作为施工指导。 参考文献

[1] 王珏.软弱围岩隧道超前小导管支护参数分析及应用研究[D].重庆交通大学，2016. [2] 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，2013，26（1）：97-99.

[3] 刘运生.超前小导管管径和管长对其超前支护“棚架”效应的影响分析[J].铁道标准设计，2012（s1）：30-32

[4] 赵菁菁.超前小导管注浆等效模拟及参数设计研究[D].华南理工大学， 2015.

[5] 张蓓，王建鹏，王复明，等.隧道超前小导管对掌子面稳定性影响分析[J]. 郑州大学学报（工学版）， 2009，30（4）：33-37.

[6] 王铁男，郝哲，杨青潮.超前小导管注浆布置范围对地铁隧道开挖的影响分析[J].公路，2011（5）：222-227.