浅埋隧道超前支护措施对比分析

王玉瑞，刘锦涛，韩长乐，陈生坤

(1.中国水电建设集团十五工程局有限公司 西安市 710000；2.西安工业大学 建筑工程学院 西安市 710021)

0 引言

浅埋隧道埋深较浅，围岩风化严重且较为破碎，整体稳定性差，在工程施工中易出现掌子面失稳、拱部掉块、局部坍塌甚至地表塌陷等工程事故，故需在隧道施工中施作超前支护以避免此类事故的发生。

超前支护属于辅助工法，主要用于稳定开挖面、预防地表地面下沉。目前隧道施工中常采用的超前支护方法包括超前锚杆支护、超前管棚支护、超前小导管注浆支护、超前预注浆、冻结法以及地表注浆等。已有众多学者对超前支护类型以及效果做了大量研究，黄旭[1]采用现场监测与数值模拟相结合的方法验证了超前小导管注浆在浅埋暗挖隧道施工中的可行性。宋政文[2]对武广客运专线隧道洞口段软弱围岩的超前管棚支护效果进行了研究，认为管棚支护效果明显好于超前小导管支护。谭兵等[3]以铜锣山浅埋段隧道为工程依托，采用了地表注浆加固岩体，有效地防止了洞内涌水及坍塌。张明[4]通过马鞍梁隧道进行地表注浆加固处理，有效地提高了洞身地层的整体性、稳定性和均一性。奚家米等[5]对地铁联络通道冻结法的施工现状进行了研究，得出可以通过改变冻结管的布置方式、增大管径的方式来优化冻结法。

这些研究成果有效地解决了具体工程问题，但缺乏对超前支护措施的系统总结。结合众多学者对超前支护措施的研究成果，对超前小导管法、超前管棚支护、冻结法以及地表注浆进行对比，分析其优缺点以及适用范围，为施工中合理选择超前支护措施提供依据。

1 超前支护措施概述

超前支护措施的差异性体现在施工工艺及作用机理方面，针对不同的隧道围岩条件以及施工环境，选用合适的支护措施，往往能取得事半功倍的效果。

1.1 超前小导管

(1)施工工艺：首先在工作面周围布置注浆孔，进行钻孔，再将小导管按一定的角度通过钻孔打入地层，最后进行注浆作业，使工作面上部形成承载壳，以保证施工安全，见图1、图2。

图1 小导管施作

图2 小导管布置形式

(2)作用机理：通过注浆泵将浆液泵入围岩中，并利用小导管进行渗透，在完成渗透后，浆液会及时地扩散到围岩的孔隙或者裂隙中，从而改变岩层土体的物理力学性质；并且小导管还能在一定程度上充当超前锚杆的作用，将围岩的自稳时间延长，同样可以限制工作面在开挖施工后的变形；除此之外，超前小导管可以将围岩上部压力传递至钢拱架及前部未开挖围岩，从而减少加固区域承受的压力，以保证施工安全[6-7]。

1.2 超前管棚

(1)施工工艺：在工作面周边钻设水平孔，压入钢管后封口后进行注浆固结，在工作面上形成一层伞状保护环，并以此进行支护，保证开挖施工的正常进行，见图3、图4。

图3 管棚施作

图4 管棚布置形式

(2)作用机理：根据现有理论研究，管棚超前支护的作用机理主要体现在以下几方面[8]：

①形成梁拱效应，纵向上，管棚前端嵌入围岩，末端与钢拱架焊接，形成梁效应；环向上，在间距合适，注浆饱满情况下，形成拱效应，事实证明梁拱效应能有效减小围岩松弛。

②形成拉杆效应，根据普氏理论，隧道在开挖后，由于竖向荷载的作用，在拱脚处产生水平的推力，但是在软岩环境下开挖，拱脚的土体抗拉强度极低，无法承载这部分推力，但在施作管棚后，可利用其环向拱效应，吸收拱脚推力，即拉杆效应，可以确保拱脚的土体稳定。

③隔离效应，此效应主要体现在浅埋隧道，利用管棚形成加固圈，隔离上覆土体与拱圈内开挖岩体，从而减小浅埋隧道中的地表沉降变形。

④环槽效应，在使用钻爆法施工时，往往会形成一定厚度的松动圈，而在管棚支护下，能够有效地减小爆破震动冲击对围岩的影响。

1.3 冻结法

(1)施工工艺：首先进行冻结管钻孔定位，钻孔结束后，在冻结孔内布置冻结器，安装冻结管，使冻结管与冻结系统相互连接，最后进行冻结，见图5、图6。

图5 冻结法施作

图6 联络通道冻结断面

(2)作用机理：利用冻结管在土中的循环冷量，将土中的水凝结为冰，使岩土变为冻土，从而达到增强土体稳定性及强度的目的，使之形成完整性更好，防水性能更佳的临时加固体[5,9]。

1.4 地表注浆

(1)施工工艺：先进行钻孔定位，钻孔结束后进行注浆作业，注浆顺序自线路两侧向中间进行，注浆压力采用埋深较浅时取小值，埋深较深时取大值，见图7。

图7 地表注浆示意图

(2)作用机理：通过地表注浆，使隧道开挖面上部土体的物理力学性能发生改变，隧道围岩的稳定性显著上升。

2 超前支护措施对比

浅埋隧道施作超前支护措施的目的，在于改变隧道围岩条件与物理力学性能，使之强度与稳定性显著增强，但不同的超前支护措施有不同的施工工艺及作用机理，在实际工程应用时应对各超前支护措施的优缺点及适用条件进行比选，如表1所示。

表1 各超前支护措施对比

3 小结

系统阐述了超前小导管法、超前管棚法、冻结法与地表注浆法四种超前支护措施的施工工艺和作用机理，对它们在浅埋隧道中的施工特点进行了对比总结，并从施工操作、工期、对周边环境的影响、工程造价等方面分析了它们的优缺点，为不同浅埋地层合理选择超前支护提供了依据。