隧道超前支护效应试验研究.pdf

ISSN 1672-2841CN 44-1587/Z广东水利电力职业技术学院学报 2023 年 第 21 卷 第 3 期Journal of Guangdong Polytechnic of Water Resources and Electric Engineering，2023，Vol.21，No.3地铁隧道围岩整体性较差，埋深较小，极易发生拱顶坍塌、大面积沉降等问题，会对施工进程造成严重影响，因此施工方通常采取超前支护来确保施工的安全和顺利1。在地铁隧道工程中，常采用的一种较成熟的工艺就是小导管注浆，其非常符合浅埋暗挖法的工程特点2，因此应用广泛，也是技术人员研究重点3。来弘鹏等4通过对含水量较大的黄土地层进行二重导管注浆超前预加固，发现该法能明显减小土体含水率，提高围岩强度。许宏发等5根据浆液注射后岩体强度的提升理论，提出内黏聚力、内摩擦角因数、单轴抗拉压强度之间的增长关系方程。但当前在隧道施工中进行小导管注浆仍存在“浆难严注”、“管难超前”等问题，基于此，本研究以昆明轨道交通五号线为例，系统分析土体力学性质、支护结构承载力效应等受到小导管注浆的影响，以期为相关工程提供借鉴与指导。1 工程概况昆明轨道交通五号线共设置车站 22 座，其中圆通公园站翠湖站区间线路全长 1139.067m。线路出圆通公园站后下穿圆通山，继而下穿连云宾馆、7 8 层省政府宿舍，沿华山西路进入翠湖站。本段线路设置平面曲线 3 个，曲线半径分别为1500m、350m、1500m。线路纵坡呈“V”型，最大纵坡 25，最小纵坡 2。此区间采用矿山法隧道加盾构法施工，其中矿山法隧道长 131.113m，部分区段隧道埋深 10.1417.63m，穿越砾砂地层和泥质粉砂岩。土层物理参数如表 1 所示。2 土体力学性质与小导管注浆关系分析小导管注浆法是通过导管将浆液注入土体，使其在土层中不断扩散，以起到填充作用，浆液硬化后形成的浆脉骨架能穿插在土层中，较好地增强土体承载力及间接增强密实度，提高其黏聚力和内摩擦角并起到较好的防水作用。但注浆浆液在有些地层中难以扩散，起不到很好的支护效果。因此选取部分区间典型断面的重要部位，对其从右至左依次编号 JC12JC1，通过研究土体力学特征在注浆后的变化、小导管施打效果、浆液扩散范围等指标，来判断小导管注浆的加固效果。21浆液扩散参数分析为研究中小导管注浆浆液扩散规律，在原设计基础上开展稳压注浆，待浆液凝固后查探土体中浆液扩散状况（试验数据见表 2）。土体中稳压注浆 10 余秒后孔口有跑浆情况出现，此时停止注浆。待浆液初步凝结时观察附近土体，发现浆液未均匀扩散。管头部位扩散区域较广、效果较好，平均扩散范围达 0.21m；溢浆孔处浆液扩散范围较小，平均扩散范围为 0.059m。可见浆液扩散范围的离散率大是因为土体渗透性差削弱了浆液的填充效果，无法根本改善土体物理力学性质。由于小导管容积略小于实际注浆量，注浆量少减弱隧道超前支护效应试验研究贾 强(中铁十八局集团第四工程有限公司，天津 300350)摘 要：以昆明轨道交通五号线圆翠区间超前支护为例，通过浆液扩散分析试验，对比有无超前支护的钢格栅压应力数值、土体的沉降值及沉降速率，分别得出小导管注浆对土体力学性质、支护结构承载力效应的影响结论。该研究成果可为隧道超前支护施工作业提供有益参考。关键词：试验；小导管注浆；超前支护；承载力；隧道变形中图分类号：TU528 文献标志码：A 文章编号：1672-2841（2023）03-0037-04收稿日期：2022-07-18作者简介：贾强，男，工程师，研究方向为城市轨道交通。37-402023，21（3）38广东水利电力职业技术学院学报了土体因注浆而产生的劈裂作用，导致注浆后不能产生有效的浆脉骨架以增强土体承载力（注浆后土体中的附加应力小于土体最小主应力）。22注浆土力学性质探究为探究注浆浆液对土体力学参数及扩散范围的影响，以某些观测点处小导管为对象，把原点设置在管头溢浆孔处，对小导管不同距离处土体进行取样（0、0.2、0.4、0.6m），并开展室内试验，根据结果绘制不同浆液扩散距离下注浆土体力学曲线（见图 1）。图中小导管编号 1 至 6 依次代表：JC-1、JC-3、JC-5、JC-7、JC-9、JC-11。由图可知，在小导管溢浆孔位置，注浆能有效改善土体力学性质；远离溢浆孔位置，注浆对土体力学性质的改善作用快速降低。相较于注浆范围外土体，在距溢浆孔 0.2m 位置，注浆浆液对周边土体力学参数的提升仅为百分之十几；在距溢浆孔 0.4m 位置，注浆浆液对周边土体几乎无改善作用。进一步研究可知，注浆改善效果最好的是 7号小导管，内摩擦角、黏聚力和压缩模量分别提升了 11.4%、25.8%和 82.6%；改善效果最差为11 号小导管，内摩擦角、黏聚力和压缩模量仅分别提升 2.9%、4.7%和 37.4%。可见，在扩散范围内注浆未能与周边土体充分均匀混合，对周边土体的改善效果差，未能从根本上提升土体力学性质，从而产生有效加固区。23小导管施打对超前支护的作用为分析小导管施打的影响，在隧道区间任选 5个断面统计小导管最终施打长度及时间（见图 2）。由图可知，统计范围内最终施打长度均小于 2.2m。从隧道设计方案可知每隔两榀钢架施工一环小导管，且相邻小导管搭接长度水平方向要求超过 1m，因此其有效施打长度不得低于 2.6m。然而从试验结果看，小导管有约 1/3 设计长度最终未打入土层。此外，由表 2 可知土层中浆液扩散范围仅为 0.20.4m，这就造成相邻小导管在纵向上有效搭接长度不够及在横向上有效贯通厚度不够，因此易导致在搭接区域围岩荷载产生压力释放点，进而导致塑性区逐渐增大，影响隧道稳定性。综上所述，在隧道进行小导管注浆时，会出现注浆扩散不充分不均匀且扩散范围小、注浆加固土体力学性质难有质的提升、施打效果差等问题。但因为超前支护结构伸进围岩的距离较大，并且与初支结构形成刚性连接，因此构成“初期支护超前支护围岩”为整体的支护联合承载体系。因此在评价超前支护效果时仅参考支护对土体力学性能影响是不够的，说服力不强，须考虑超前支护、围岩和初期支护的耦合作用。3 支护结构承载力学效应分析为分析超前支护的力学承载行为，对典型区段隧道有、无超前支护工况进行对比，在隧道拱腰、拱肩、拱顶处布置观测点，对比隧道施工过程中围岩压力和格栅钢架应力。31围岩压力特征分析图 3 为不同断面有、无超前支护的围岩压力，可见，围岩压力呈现“拱顶拱腰小、拱肩大”的规律，局部位置存在问题是因仪器损坏所致。除 SK14+017 断面外，其余断面拱顶位置压力在0.160.2MPa 范围内；拱肩位置围岩压力存在显著区别，压力峰值为 0.42MPa，位于 SK14+029 断面左拱肩部位，而在右拱肩部位为 0.15MPa；围岩压力最低值为 0.14MPa，位于 SK14+011 断面左拱肩部位，围岩压力在其余各断面部位的范围值为0.27-0.32MPa。围岩压力在各断面拱腰部位均匀分布，较为正常，大小范围为 0.120.16MPa。由以上可知，在纵向上，各个断面的围岩压力分布规律相同，说明围岩释放荷载程度基本一致，在纵向上超前支护无法产生一定强度的连续梁支护（a）浆液扩散距离和注浆后土体摩擦角间的关系（b）注浆后土体黏聚力与浆液扩散距离间的关系图 1 浆液扩散距离和注浆土力学性质的关系（c）注浆后土体压缩模量与浆液扩散距离间的关系泥质粉砂岩砾砂密度/（g/cm3）2.262.02黏聚力/kPa590内摩擦角/4039泊松比0.290.35孔隙比/0.66渗透系数/（cm/s）0.0060.127表 1 土层物理参数39贾 强：隧道超前支护效应试验研究编号注浆时长/s浆液最大扩散范围/m出浆量/(10-3m3)管头处 溢浆孔处JC1200.170.0536.7JC2140.090.0417.8JC3220.220.0631.2JC4130.150.0523.9JC5290.260.0737.5JC6160.240.0627.6JC7280.250.0734.4JC8140.190.0528.2JC9260.310.0946.7JC10100.180.0424.8JC11130.220.0816.6JC12190.240.0523.8平均值 18.670.210.05929.85离散率/29.0131.91/表 2 试验数据统计效应。不同断面在横向上压力分布存在显著差别，说明超前支护并未改良横向围岩压力，即在横向上超前支护无法产生一定强度的连续拱支护效应。由于超前支护布置在隧道拱部位置，因而通过隧道拱顶位置围岩压力随时间变化曲线来分析超前支护加固围岩的时空效应（见图 4），图中断面里程编号 15 依次代表 SK13+999、SK14+005、SK14+011、SK14+017 和 SK14+029。由 图 可 知，随着时间增加，围岩压力迅速增大，随后趋于平缓。具体地，围岩压力在前 5 天增速最大，提升值占总压力值的60%，提升速度在第12天有显著降低，从 0.026MPa/d 降至 0.009MPa/d，能看出已初步释放围岩变形荷载；围岩压力在第 615 天提升速度再次减小，压力趋于稳定，可见围岩松动区域内围岩变形荷载释放完毕。第 15 天后，围岩压力基本处于稳定状态，超前支护已无改善效果。可见，超前支护形式对围岩压力的变化规律几乎无影响，也体现不出围岩压力被超前支护改善后的效果；且当时间不断增长时，围岩在各种超前支护类型下的压力和变化趋势大致相同，不能很好地将围岩压力所受的调控效果展现出来。32格栅钢架应力特征分析图 5 为有、无超前支护的格栅钢架应力在不同断面处的值。可知，格栅钢架应力上半部分大、下半部分小，不同断面钢架均主要呈压力状态。SK13+999 断面的隧道拱顶位置和 SK14+023断面拱肩位置的压应力分别为最大（114MPa）和最小（21MPa），约等于 HRB400 钢筋屈服强度的28.5%和 5.3%。全部断面中最大钢架应力值只有上述钢筋屈服强度的 33%，钢架具备较大的安全系数和强度。拱顶位置格栅钢架应力随时间变化曲线如图 6 所示，图中断面里程编号 15 依次为SK13+999、SK14+005、SK14+011、SK14+017 和（a）超前支护保留（b）超前支护取消图 2 小导管施打时间及其长度统计图 3 围岩压力分布SK14+023。由图可知，钢架应力在前5天增速较快，和四周围岩压力增速基本相同，峰值高达18MPa/d，表明钢架在初期发挥了很好的支护作用；第 615天，钢架应力慢慢增大最终趋于稳定，增速减至 0，表示围岩压力和初期支护结构处于动态平衡状态；钢架应力在 15 天后基本不再变化，和围岩压力实测变化趋势大致相同。对各超前支护形式格栅钢架应力变化趋势进行对比可发现，钢架应力不受超前支护形式影响，两者未构成效果较好的联合承载支护结构。4 隧道结构稳定性分析岩土体的物理力学性质对地表沉降有显著影响，沉降速率和沉降量最终值能很好地反映围岩变形规律，所以分析时间历程时采用地表沉降数据较为准确。地表沉降结果见图 7，图中断面里 程 编 号 16 依 次 表 示 SK13+999、SK14+005、SK14+011、SK14+017、SK14+023 和 SK14+029。由图可知，地表沉降变化规律表现为“阶梯式”，具体为先增加再平缓，再增加再平缓的规律。在前 3 天，地表沉降速度较快，第 45 天，速度放缓，增量占总量的 1/4，表明已很好地控制住围岩内部变形，防止松动范围进一步扩大，支护结构初步发挥作用；第 515 天，地表沉降增速最快，约占总沉降量的 70%，表明支护结构和地层间相互作用力在不断变化，并逐渐进入新的平衡状态，也从侧面证实了土层有较好的稳定性，有一定能力抵抗开挖隧道等施工活动造成的变形；地表沉降在 15 天后基本不再变大，隧道结构快速达到平衡状态。与此同时，前述的地表沉降变化规律也能体现出工况的不同不会对其造成太大影响，且沉降速度在时间历程上也不会被超前支护所影响。5 结论2023，21（3）40广东水利电力职业技术学院学报（a）围岩总压力随时间变化规律（a）钢架总应力随时间变化规律（a）地表总沉降量变化趋势（b）地表沉降速度变化趋势（b）围岩压力增长速度随时间变化规律（b）格栅钢架应力增长速度随时间变化规律图 4 拱顶位置围岩压力实测结果图 6 拱顶位置格栅钢架实测结果图 7 地表沉降实测结果针对小导管注浆超前支护在隧道施工中存在“浆难严注”、“管难超前”的问题，本研究以昆明轨道交通五号线为例，系统分析了小导管注浆对土体力学性质、支护结构承载力效应等造成的影响，主要结论如下：浆液扩散不均匀，离散率大，管头处浆液扩散范围较大，平均范围为 0.21m；溢浆孔处浆液扩散范围较小，平均范围为 0.059m；在小导管溢浆孔位置，注浆能有效改善土体力学性质；远离溢浆孔位置，注浆对土体力学性质的改善作用快速降低，说明其无法根本改善土体物理力学性质。钢架应力在 15 天后基本不再变化，和围岩压力实测变化趋势大致相同。格栅钢架应力未受超前支护形式影响，两者未构成效果较好的联合承载支护结构。地表沉降 15 天后基本不再变化，且不同工况对其变化规律不会造成太大影响，沉降速度在时间历程上也不会被超前支护所影响。参考文献：1 张顶立.隧道及地下工程的基本问题及其研究进展 J.力学学报，2017,49(1):3-21.2 王梦恕.北京地铁浅埋暗挖施工法 J.岩石力学与工程学报，1989,8(1):52-62.3 朱正国，孙星亮.干燥粉细砂隧道超前预加固与施工研究 J.岩石力学与工程学报，2013,32(9):1909-1916.4 来弘鹏，康佐，谢永利，等.地铁区间隧道黄土地层注浆预加固技术研究 J.中国铁道科学，2014,35(1):47-54.5 许宏发，耿汉生，刘伟东，等.基于 BQ 的破碎岩体注浆加固强度增长理论 J.岩土工程学报，2014,36(6):1147-1151.（a）超前支护保留（b）超前支护取消图 5 格栅钢架分布Experimental Research on the Effect of Tunnel Advance SupportJIAQiang(The4thEngineeringCo.,Ltd.,ofChinaRailway18thBureauGroup,Tianjin300350,China)Abstract:WiththeadvancesupportintheYuancuisectionofKunmingRailTransitLine5asanexample,andthroughtheslurrydiffusionanalysistest,theauthorcomparesthecompressivestressvalueofthesteelgridwithorwithoutadvancesupport,andthesettlementvalueandsettlementrateofthesoilmass.Theinfluenceofsmallductgroutingonthemechanicalpropertiesofthesoilandthebearingcapacityeffectofthesupportingstructureareconcluded.Theresearchresultscanprovidesomereferencefortunneladvancesupportconstructionoperations.Key words:test;smallductgrouting;advancesupport;bearingcapacity;tunneldeformation围岩压力/MPa格栅钢架应力/MPa变化速率/（kPad-1）变化速率/（kPad-1）沉降速率/（mmd-1）位移/mm时间/d时间/d时间/d时间/d时间/d时间/d