隧道洞口段超前管棚預(yù)支護(hù)體系數(shù)值分析

辛潤(rùn)勤

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

0 引言

在不良地質(zhì)或軟弱地層條件下修建隧道時(shí)，為確保安全通過不良地層并保持隧道掌子面的穩(wěn)定性和地表沉降在可控范圍內(nèi)，特別是在隧道進(jìn)出口段，更需要對(duì)地層采取一些超前支護(hù)措施進(jìn)行預(yù)加固[1]。管棚注漿法能提高土層的承載能力，結(jié)合隧道施工工法和隧道地層情況選擇合理管棚施作參數(shù)進(jìn)行預(yù)支護(hù)，是當(dāng)前隧道洞口普遍采用的超前預(yù)支護(hù)技術(shù)[2]。

近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)超前管棚預(yù)支護(hù)機(jī)理進(jìn)行了一系列研究。展宏躍等[3]分析了淺埋偏壓黃土隧道洞口段開挖后隧道的變形破壞原因和整治措施，提出采用上斷面邊墻錨管注漿加固并配合馬口跳槽開挖，減小了施工對(duì)圍巖的擾動(dòng)。李健等[4]對(duì)淺埋大跨黃土隧道進(jìn)入下穿高速公路條件下管棚的縱向變形規(guī)律進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和分析，進(jìn)行了長(zhǎng)大管棚受力機(jī)制的研究。賈金青等[5]對(duì)管棚的Winkler彈性地基梁模型進(jìn)行了修正，推導(dǎo)了管棚的撓度和內(nèi)力方程。但是以上研究大多是針對(duì)單根管棚的受力分析，這與管棚實(shí)際的變形和受力規(guī)律存在一定的差異。

本文采用三維有限元數(shù)值分析手段，建立了鋼管和加固區(qū)分離的管棚預(yù)支護(hù)體系模型，對(duì)超前管棚預(yù)支護(hù)條件下洞口段圍巖的變形規(guī)律進(jìn)行了研究，對(duì)管棚施作角度進(jìn)行了優(yōu)化。得到了超前管棚預(yù)支護(hù)條件下隧道洞口段圍巖的變形規(guī)律和合理的管棚施作角度，為管棚預(yù)支護(hù)技術(shù)在隧道進(jìn)出口段的應(yīng)用提供了參考。

1 管棚加固效應(yīng)分析

1.1 模型建立

為研究管棚預(yù)支護(hù)體系在隧道開挖過程中的力學(xué)行為，本文將注漿體對(duì)圍巖的加固效應(yīng)和管棚自身的梁效應(yīng)相結(jié)合，區(qū)別于傳統(tǒng)模型所采用的單純提高注漿加固區(qū)參數(shù)來模擬管棚支護(hù)。數(shù)值模型中采用實(shí)體單元模擬注漿加固區(qū)，梁?jiǎn)卧M管棚。加固圍巖采用提高地層力學(xué)參數(shù)來模擬，超前管棚預(yù)支護(hù)體系數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 超前管棚預(yù)支護(hù)體系數(shù)值模型圖

模型中初期支護(hù)C25噴射混凝土為線彈性體，圍巖和加固區(qū)地層都采用摩爾-庫倫材料，各材料參數(shù)見表1[6]。

表1 材料參數(shù)匯總表

1.2 圍巖變形分析

為定性研究管棚預(yù)支護(hù)體系對(duì)洞口段圍巖的加固效果，針對(duì)臺(tái)階法，分別模擬了有、無采用管棚注漿加固措施兩種工況，圖2為兩種工況下隧道施工完畢后圍巖的豎向位移云圖。

圖2土體的豎向位移云圖

圖2a豎向位移沿隧道縱向均勻分布，而圖2b豎向位移沿隧道縱向分布不均勻，洞口段豎向位移分布規(guī)律類似于無管棚注漿工況，隨著距開挖洞口距離的增加，發(fā)生較大豎向變形的土體分布范圍逐漸減小。一方面是由于洞口端的約束作用，另一方面是由于管棚注漿加固區(qū)對(duì)土體的加固作用，抑制了土體的豎向變形。對(duì)比圖2b和圖2a，在管棚預(yù)支護(hù)條件下，圍巖拱頂沉降極值由不采用管棚工況的55 mm減小為采用管棚注漿加固后的50 mm。而仰拱隆起由18.6 mm減小到18.4 mm，變化較小，說明超前管棚預(yù)支護(hù)體系對(duì)土體拱部的控制效果較仰拱的控制效果顯著。

2 管棚施作角度優(yōu)化

為分析管棚施作角度對(duì)管棚預(yù)支護(hù)作用效能的影響，分別對(duì)兩個(gè)管棚施作角度（1°、10°）進(jìn)行了模擬計(jì)算，同時(shí)與不采用管棚加固方案進(jìn)行對(duì)比。

圖3中水平坐標(biāo)軸正方向?yàn)樗淼篱_挖方向，取隧道1/2截面處為典型斷面，該斷面處在各工況下的拱頂下沉值、仰拱隆起值、水平位移值隨掌子面距目標(biāo)斷面的變化規(guī)律分別如圖3所示。

圖3 不同管棚角度目標(biāo)斷面處圍巖位移變化曲線

從圖3中可以看出，不同工況下目標(biāo)斷面處圍巖變形隨掌子面變化情況，豎向位移變形規(guī)律相似，都是先緩慢增大，待掌子面通過目標(biāo)段面時(shí)，急劇增大。當(dāng)掌子面距開挖斷面超過一定距離時(shí)，變形區(qū)域穩(wěn)定。水平位移變形規(guī)律同豎向位移不同，在掌子面到達(dá)目標(biāo)斷面之前，水平方向有向洞外擴(kuò)張的趨勢(shì)，但數(shù)值很小。當(dāng)掌子面到達(dá)并通過目標(biāo)斷面之后，水平方向變形開始向洞內(nèi)收斂，且收斂值速度較大，直至最后穩(wěn)定。

不同的管棚打設(shè)角度對(duì)圍巖變形的影響不同。就拱頂沉降而言，當(dāng)管棚角度為1°時(shí)，拱頂沉降減小為未施作管棚時(shí)的60%；當(dāng)管棚角度為10°時(shí)，拱頂沉降減小為未施作管棚時(shí)的55%。就仰拱隆起而言，當(dāng)管棚角度為1°時(shí)，仰拱隆起減小為未施作管棚時(shí)的87%；當(dāng)管棚角度為10°時(shí)，仰拱隆起增大為未施作管棚時(shí)的104%。就水平變形而言，當(dāng)管棚角度為1°時(shí)，水平變形減小為未施作管棚時(shí)的72%；當(dāng)管棚角度為10°時(shí)，水平變形減小為未施作管棚時(shí)的77%。可見洞周不同部位不同方向?qū)?yīng)管棚最優(yōu)打設(shè)角度不同。總體而言，該隧道管棚施作角度為10°時(shí)管棚預(yù)支護(hù)體系對(duì)圍巖變形的控制作用較明顯。

3 結(jié)論

通過對(duì)超前管棚預(yù)支護(hù)條件下隧道洞口段圍巖變形研究以及管棚施作角度的分析，得出下列結(jié)論：

a）隧道洞口段采用超前管棚預(yù)支護(hù)體系能顯著改善管棚施作范圍內(nèi)圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，提高軟弱地層的整體性，有效地抑制了圍巖的不利變形。

b）管棚注漿措施對(duì)拱頂沉降的控制效果大于仰拱隆起。

c）管棚打設(shè)角度對(duì)管棚預(yù)支護(hù)體系作用效果的發(fā)揮影響較大，施作角度為10°時(shí)，其對(duì)圍巖變形的控制作用較明顯。