面向软弱围岩大断面隧道开挖的超前支护技术研究

李晓军

摘要：随着社会经济的不断发展，隧道工程的数量的不断增加。支护技术是提升隧道施工安全性的主要手段之一。本文对软弱围岩大断面隧道开挖的超前支护技术进行了分析，从而保障工程能够安全、顺利的完成，提升工程的施工质量。

关键词：软弱围岩;隧道工程;超前支护技术;分析;研究

软弱围岩大断面隧道工程的开展，会受到多方面因素的影响，其中施工环境与施工技术的影响较大，可能会导致隧道稳定性不足、形状出现差异等状况。为了避免这种现象的发生，要对工程实施超前支护加固措施，从而使隧道的稳定性能够有所上升。目前国内普遍使用全断面开挖、超前支护封闭的方法，控制软弱围岩的大断面对到的变形状况;主要使用管棚支护、注浆等技术对隧道围岩进行加固，提升隧道的安全性。下文在对相关资料文献进行研究之后，又以国内某处实际隧道工程作为研究对象，对使用超前支护技术的使用对隧道的实际影响进行了研究。

1工程概况

该隧道的施工里程为K1+780-K2+290，其中经过了溶蚀峰丛地貌。西方地势较高，东方地势较低。地面标高为高173.02-1258.35米，最高点与地面的高度差为85.24米，坡度范围为21～75度。在进行施工的过程当中，限于施工地区的地质条件，工程的施工难度较高，工程中的道K2+050-K2+290部分地质有泥灰岩软弱层，这类物质如果长期暴露在外部，会导致泥灰岩的力学性能大幅降低，会损害到隧道的稳定性;整个隧道经过了一处岩层倾角是42度的区域，隧道出口區域的岩层为顺向结构，并且，整个施工区域的岩溶度较高，附近的溶洞都为全填充或者半填充的形式，如果工程的施工区域离的过进，非常可能导致出现裂缝，造成安全隐患。

根据上述内容的相关数据与地质特征，再以软弱破碎围岩大断面隧道的结构特点为辅助，对超前支护技术的相关应用进行了分析。

2具体研究

2.1模型的建立

在ANSYS软件中将整个研究工程的模型建立出来，使用三娃诶嵌入式桁架对隧道的锚杆结构进行虚拟构建，与此同时对工程的超前支护技术应用状况进行模拟，具体状况如图1所示。

2.2计算参数

该路段的最差围岩等级为V级，根据隧道建设相关法律法规，计算模拟参数。

2.3模拟工程概况

对使用超前支护工艺的工程的稳定性与没有使用支护工艺的稳定性相互比较。二者的施工步骤没有达到的区别，使用超前支护技术的区域在砂浆与管棚的作用之下，周围围岩的力学性能有显著的提升。

3模拟结果

3.1围岩的自重作用

围岩自重在Z轴上发生的初始位移的最大值为-26.58mm，在X轴与Y轴产生的初始位移值较小，X轴为-14.75mm，Y轴为-8.76mm。

3.2初步开挖工况

在进行隧道上半断面的开挖工作时，隧道拱顶的位置发生的竖向位移最大值为-2.193毫米;左拱肩位置的水平位移最大值为0.335毫米，右拱肩水井位移最大值是0.296毫米，掌子面位置产生的纵向最大位移值为-0.857毫米。之所以会产生这种现象，因为在开挖之后，掌子面会受到核心土层的挤压。所以，要对软弱围岩对到洞口施工时隧道不同方向位移值的变化，要找到有效的解决办法进行控制，保证隧道建设的质量。

在进行隧道上半断面的开挖工作时，隧道拱顶区域发生的纵向最大位移值为-1.333毫米，上台阶左拱肩区域产生的最大水平位移值是0.269毫米，右拱肩位置的最大水平位移值是0.202毫米，上台阶掌子面位置的纵向位移的最高值为-0.797毫米，产生原因同上。

经过对两次工程状况的进行比较之后我们可以发现。使用了超前支护技术的工程，其隧道围岩的扰动作用降低了很多。并且隧道胃炎的水平、竖直、纵向位移的数值都有非常显著的下降。因此可以说，超前支护施工技术可以对隧道工程的围岩唯一进行有效的控制，但是掌子面受到的挤压状况没有得到解决。

3.3锚杆内力具体分析

每个施工阶段，锚杆承受的应力的最值。锚杆应力的最值出现在11施工步骤，见图2。当工程处于CS2-CS8阶段时，锚杆的拉应力与压应力的数值都会明显上升，在CS8-CS9段的时候最大拉应力会保证，会在第二个上台阶拱腰的位置出现拉应力的最大值。这是由于此时台阶刚刚植入锚杆，还没有硬化，拱脚的位置一直是悬空的，并且下一个台阶还没有进行初期支护。需要特殊说明的是，当CS9段的锚杆的拉应力与压应力处于平稳状态。

隧道拱背位置的锚杆受到的力使不均匀的，在掌子面方向的锚杆的拉应力较大，最高值为89.3Pa，相反方向拉应力小。

通过对不同工况比较可知，见图3，使用超前支护可以提升锚杆受力的均匀性，使锚杆拉应力的数值可以有效降低。在整个施工过程当中，使用超前支护施工技术可以使锚杆的拉应力逐渐的处于一个较为稳定的状态，不会出现过大的波动。

3.4喷射混凝土层内部受力分析

在使用超前支护施工技术式，CS8段拱顶处的主应力最大可以达到1.74MPa，要远高于拱脚、拱腰出的主应力值，并且，拱背位置的第一主力值也很大，分布也不是非常平整，受力不均匀。整个结构中受力最均匀的部分为拱顶的位置，其次是拱脚出。随着工程的不断进行，最大应力会随着掌子面的方向移动。

没有使用超前支护施工技术的工程中，CS9段洞口位置的拱脚处是整个结构的主应力最小的位置，其数值为-5.21MPa。不同施工阶段的最小主应力值的而发生位置没有变化，所以拱脚处会比较容易形成应力集中，此处的应力不能够随着掌子面扩散。

经过对两种不同情况下的进行对比可以发现，工程在应用超前支护施工技术的情况下，能够将第一主应力的数值降幅至原来的60%左右，并且喷混层拱部的受力情况也非常均匀。可以说超前支护施工技术，可以改善工程共顶部的受力状况，但是对于拱脚位置的改变作用不是非常明显。

4结语

综上所述，我们可以得出以下结论：第一，隧道围岩在自重作用下，发生的纵向位移初始值是最大的，水平方向与竖直方向的数值较小;第二，经过超前支护施工技术的使用，可以使主应力有所下降，但是对于掌子面形状控制几乎起不到任何效果。并且，此项施工技术的使用可以让锚杆的受力均匀，使最拉应值有所下降。并且，有很长一段时间内，其处于长期稳定的状态;第三，这项施工技术可以很好地改善喷混层对拱脚应力集中的影响，使拱顶位置的受力更加均匀。但是由于自重作用的影响，使拱脚区域的受力值有所上升，因此对此处的应力控制效果不是非常理想。