1）冻融条件下冻土和冻岩的力学参数取值

依托工程隧道冻土段围岩岩性主要有：含亚黏土的碎石土冻土，围岩级别为Ⅵ级；强风化凝灰岩、强风化页岩、强风化安山岩冻岩，围岩级别为Ⅴ级。其力学参数见表7—8。

表7—8　依托工程冻土和冻岩围岩力学参数

2）温度场分析模型概述

数值模拟以依托工程洞口段浅埋断面为研究对象，建立二维分析模型，如图7—17所示。

图7—17　温度场计算模型

根据现场超前支护设计方案，所用长管棚设计长度30 m，直径为φ108 mm，壁厚6 mm，环向间距为40 cm；双排超前小导管直径φ42 mm超前小导管预支护，壁厚4 mm，环向间距40 cm。管棚注浆范围厚度为0.50 m，注浆范围为拱顶130° ；双排超前小导管注浆范围厚度取外插角较大钢管（30°）中点以外0.25 m。

3）应力场分析模型概述

通过改变超前管棚和超前小导管加固区范围岩体的力学参数模拟超前支护的作用，通过减弱加固区以外热融范围岩体的力学参数模拟超前支护对围岩的热扰动。结合相关文献注浆岩体的经验取值，对注浆加固圈的岩体力学性质取值见表7—9、表7—10。

表7—9　衬砌计算参数

表7—10　荷载释放比例

4）冻土段超前小导管和管棚的加固效果研究

目前，超前导管支护技术由于具有操作简单、施工机器具运输及安装灵活方便、相对成本较低等优点，相比其他两类在寒区冻土隧道中应用较多。常见的超前导管注浆，又可细分为超前注浆小导管、超前注浆管棚。这两种加固方式会造成温度扰动，影响围岩的加固效果。

超前支护对多年冻土的支护作用与其对围岩的温度场扰动紧密相关，本节利用温度场分析模型研究超前注浆小导管和超前管棚对冻土围岩的温度场扰动情形。

（1）超前管棚

通过钢管上的孔向围岩注入水泥、水玻璃等材料，提高围岩弹模和强度以改善围岩自身状态，保证掌子面稳定，如图7—18所示。

①超前管棚对多年冻土隧道围岩的温度场扰动。图7—19为施做超前管棚后断面开挖前围岩融化圈深度的变化规律，冻土围岩中，施做管棚后4 d内融化圈增长较快达到约0.60 m，之后30 d内变化幅度很小，融化圈最大为0.65 m，比注浆范围厚约0.15 m；冻岩中，施做管棚后前4 d融化圈增长速度较冻土中更快，达到最高值约0.62 m，大于注浆范围厚度约0.12 m，之后开始缓慢减小，在10 d后减小速度加快，于14 d完全回冻。

图7—18　超前管棚加固示意图

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图7—19　围岩融深随时间变化（未开挖）

表7—11为超前管棚已施做不同天数后，断面开挖并立即施做喷射混凝土，30 d后的融化圈大小。

表7—11　开挖30 d 后围岩融化圈大小　（m）

管棚支护范围内，越迟开挖的断面越受超前管棚热扰动的影响，围岩融化圈越大。在冻土围岩中，相比不施做超前管棚只施做喷射混凝土的情形，开挖30 d后拱部围岩融化圈最大增大0.18 m；在冻岩围岩中，相比不施做超前管棚只施做喷射混凝土的情形，开挖30 d后拱部围岩融化圈最大增大0.20 m。

②超前管棚对多年冻土隧道围岩的加固效果。在未施做管棚超前支护时，由于洞室的开挖，隧道拱部及拱脚出现应力集中，最大横向应力出现在拱脚，最大值约为0.27 MPa，最大竖向应力也出现在拱脚，最大值约为0.58 MPa；施做管棚后，由于洞室开挖后减小了拱脚和拱部的应力集中，拱脚最大横向应力约为0.24 MPa，拱脚最大竖向应力约为0.56 MPa，可见围岩应力在数值上相差不大，但相对更分散平均，利于洞室稳定。

未施工管棚时，在施做喷射混凝土后，隧道结构发生应力重分布，围岩拱脚存在较长的高应力区，横向应力最大值约为0.28 MPa，最大竖向应力也出现在拱脚，最大值约为0.60 MPa；施做管棚时，拱脚的应力集中明显减小，数值上也有小幅度降低，拱脚横向应力最大值约为0.27 MPa，拱脚竖向应力最大值约为0.59 MPa。

在未施做管棚超前支护时，由于洞室的开挖，隧道拱部及拱脚出现应力集中，最大剪应力出现在拱脚，最大值约为0.14 MPa，拱部剪应力约为0.10 MPa；施做初支后，拱脚剪应力最大值约为0.12 MPa，拱部剪应力最大值约为0.09 MPa。施做管棚后，由于洞室开挖后减小了拱脚和拱部的应力集中，拱脚剪应力最大值约为0.11 MPa，拱部剪应力增大，说明管棚加固区分担了较大的拱部围岩压力；施做初支后，拱脚剪应力最大值约为0.11 MPa，拱部剪应力增大。

因此，从围岩应力角度看，施做管棚改善了围岩受力状态，起到了支护和稳定隧道结构的作用。

无超前管棚下，开挖后拱顶最大竖向位移为9.71 mm，拱腰最大竖向位移7.5 mm，仰拱隆起11.1 mm。而施做超前管棚时，开挖后隧道竖向位移明显减小，拱顶、拱腰、仰拱竖向位移分别减小了3.78 mm、3.09 mm、3.36 mm；初支后，拱顶、拱腰、仰拱竖向位移分别减小了3.93 mm、3.39 mm、4.27 mm。以上分析说明，施做管棚后有效抑制了开挖后的围岩变形，维护隧道的稳定性。假设施做超前管棚不会对围岩造成热扰动，开挖后拱顶最大竖向位移为5.70 mm，稍小于有热扰动情形的拱顶位移，拱腰最大竖向位移5.01 mm，稍大于有热扰动情形的拱腰位移，仰拱竖向位移基本相同；施做初支后，两种工况下的隧道竖向位移也十分接近。以上分析说明，在冻土围岩中超前管棚引起的热扰动基本不会影响管棚对围岩的支护，是一种可靠的超前支护方式。

（2）超前小导管

超前小导管加固如图7—20所示。

①超前小导管对多年冻土隧道围岩的温度场扰动。图7—21为施工超前小导管后，断面未开挖前围岩融化圈深度的变化规律，围岩融化圈在施做超前小导管后2 d内增长速度较快，在冻土围岩中，融化圈第一天为1.30 m，第二天为1.44 m；在冻岩围岩中，融化圈第一天为1.2 m，第二天为1.40 m。在之后的一定时间内，冻土围岩中的融化圈呈缓慢扩大的趋势，冻岩围岩中的融化圈先缓慢增大，约在施做后第十三天到峰值，之后逐渐减小。以上分析说明，无论在冻土围岩还是冻岩围岩中，超前小导管引起的围岩融化圈总体上是随着时间推移逐步增大的，因此施做超前小导管后应尽早开挖下一个循环的掌子面。

图7—20　超前小导管加固示意图

图7—21　围岩融深随时间变化（未开挖）

表7—12　开挖30 d 后围岩融化圈大小　（m）

表7—12为两个断面在开挖30 d后的最终融化圈大小，可知施做超前小导管后，越迟开挖的断面越受超前小导管热扰动的影响，围岩融化圈越大，规律同超前管棚一致，但不同的是在数值上相差很小。在冻土围岩中，相比不施做超前小导管只施做喷射混凝土的情形，开挖30 d后拱部围岩融化圈最大增大0.94 m；在冻岩围岩中，相比不施做超前小导管只施做喷射混凝土的情形，开挖30 d后拱部围岩融化圈最大增大0.63 m。因此，超前小导管对围岩的热扰动要远大于超前管棚，尤其是在冻土围岩中，会引起较大幅度的拱部围岩融化圈增长。

②超前小导管对多年冻土隧道围岩的加固效果。施做小导管后，由于洞室开挖后减小了拱脚和拱部的应力集中，拱脚最大横向应力约为0.24 MPa，拱脚最大竖向应力约为0.56 MPa，可见围岩应力在数值上相差不大，但相对更分散平均，利于洞室稳定。施做初支后隧道结构发生应力重分布，施做小导管时，拱脚的应力集中明显减小，拱脚横向应力最大值约为0.27 MPa，拱脚竖向应力最大值约为0.56 MPa。施做小导管后，由于洞室开挖后拱部超前加固区承受了较大的剪力，其他部位如拱脚应力集中明显减小，拱脚剪应力最大值约为0.12 MPa；施做初支后，拱脚剪应力最大值约为0.12 MPa，拱部剪应力增大。

因此，从围岩应力角度看，施做小导管改善了围岩受力状态，起到了支护和稳定隧道结构的作用。

施做超前小导管时，开挖后隧道竖向位移明显减小，拱顶、拱腰、仰拱竖向位移分别减小了3.63 mm、2.76 mm、2.65 mm；初支后，拱顶、拱腰、仰拱竖向位移分别减小了2.80 mm、1.65 mm、3.44 mm。可见施做小导管后有效抑制了开挖后的围岩变形，但隧道竖向位移比超前管棚条件下要大，尤其在初支后。假设施做超前小导管不会对围岩造成热扰动时，开挖后隧道竖向位移基本与有热扰动情形相同；施做初支后，两种情形下竖向位移相差增大。说明在冻土围岩中，施做超前小导管且尽早开挖条件下，超前小导管的热扰动对其加固作用影响很小，但随着施做初支后时间推移，超前小导管对围岩热扰动程度加大，其对围岩加固作用不断下降。