管棚支護(hù)體系與施工工法配合效果研究

薛根平

（山西省公路局 呂梁分局，山西 呂梁 033000）

0 引言

超前管棚是一種超前預(yù)支護(hù)方式，是隧道施工中穿越破碎、軟弱圍巖的常用加固方法[1]。該支護(hù)方法首先將一組鋼管沿套拱打入軟弱破碎地層，將鋼管與鋼拱架焊接形成棚架預(yù)支護(hù)體系，然后通過鋼管上布置的注漿孔向地層進(jìn)行加壓注漿，加固軟弱破碎地層，提高地層的自穩(wěn)能力。

近年來，國內(nèi)學(xué)者對(duì)管棚預(yù)支護(hù)機(jī)理進(jìn)行了大量的研究。王海濤等基于Pasternak彈性地基梁對(duì)管棚支護(hù)體系的力學(xué)行為進(jìn)行研究，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證；同時(shí)，對(duì)管棚長度、鋼管直徑及搭接長度進(jìn)行了優(yōu)化分析。賈金青等推導(dǎo)了管棚的內(nèi)力和撓度方程計(jì)算公式，對(duì)管棚的Winkler彈性地基梁模型進(jìn)行了改進(jìn)。李健等開展了淺埋大跨黃土隧道長大管棚受力機(jī)制的研究，對(duì)隧道進(jìn)入下穿高速公路前的管棚縱向變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。以上研究中僅針對(duì)管棚在某一施工工法條件下的受力分析，對(duì)不同施工工法下管棚支護(hù)體系對(duì)圍巖的支護(hù)效果研究較少。孫志杰等采用將注漿體對(duì)圍巖的加固效應(yīng)和管棚的梁效應(yīng)相結(jié)合，采用管棚注漿加固區(qū)與鋼管分離的模型，成功解決了單純提高加固區(qū)參數(shù)模型無法揭示管棚自身的受力和變形的難題。同時(shí)對(duì)管棚打設(shè)角度和間距進(jìn)行了優(yōu)化。申俊敏等采用有限差分程序?qū)λ淼蓝纯诙尾煌瑖鷰r剛度下管棚支護(hù)體系對(duì)地層穩(wěn)定的控制效果進(jìn)行分析。得出管棚對(duì)地層沉降的控制程度與管棚與土體之間的剛度比相關(guān)，土體剛度越大，剛度比越小，管棚的骨架作用隨之逐漸減弱，相應(yīng)地對(duì)地層沉降的控制就逐漸降低。

本文依托某高速公路隧道，采用有限差分軟件FLAC3D，以軟弱破碎段圍巖為研究對(duì)象，對(duì)各施工工法下（有無超前管棚支護(hù)）圍巖變形進(jìn)行分析。為管棚預(yù)支護(hù)法在隧道中的應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

隧道所處地層主要由太古界涑水群表殼巖組合解州片麻巖（Hgn）組成，該段地層巖性復(fù)雜，圍巖軟弱破碎，組合無規(guī)律，故采用SVc型加強(qiáng)型復(fù)合式襯砌。超前管棚采用熱軋無縫鋼管，φ108，壁厚6 mm，長22 m，搭接長度為2 m，環(huán)向間距0.35 m；超前導(dǎo)管采用4.5 m超前小導(dǎo)管，壁厚4 mm，環(huán)向間距0.35 m。鎖腳錨桿采用φ22螺紋鋼，長3.5 m，中臺(tái)階拱腳、下臺(tái)階邊墻腳各打設(shè)2根。鋼拱架為I20a型鋼拱架，縱向間距0.75 m，環(huán)形間距1.0 m；初支為C25噴射混凝土，厚度26 cm；二次襯砌和仰拱為C30鋼筋混凝土，厚度50 cm。

2 數(shù)值模型

數(shù)值模型采用有限差分軟件FLAC3D進(jìn)行建模分析。為簡便計(jì)算，模型的邊界尺寸為x=110 m，y=42 m，z=70 m。數(shù)值分析采用環(huán)形開挖留核心土法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法和單側(cè)壁導(dǎo)坑法3種施工工法，模型如圖1。

圖1 環(huán)形開挖預(yù)留核心土

圖1 中管棚注漿加固區(qū)采用提高加固區(qū)圍巖參數(shù)來模擬注漿效果。

環(huán)形開挖留核心土法上臺(tái)階環(huán)形開挖先于上臺(tái)階核心土開挖4 m，對(duì)拱部進(jìn)行錨噴支護(hù)；上臺(tái)階核心土開挖先于下臺(tái)階周圍土6 m，對(duì)邊墻進(jìn)行錨噴支護(hù)；下臺(tái)階周圍土開挖先于下臺(tái)階核心土4 m，然后對(duì)仰拱進(jìn)行錨噴支護(hù)。

三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法上臺(tái)階先行中臺(tái)階4 m進(jìn)行開挖，中臺(tái)階先行下臺(tái)階6 m進(jìn)行開挖。

單側(cè)壁導(dǎo)坑法左側(cè)導(dǎo)坑上部先行左側(cè)導(dǎo)坑下部土體6 m開挖，進(jìn)行左幅錨噴支護(hù)；左側(cè)導(dǎo)坑下部土體先行右側(cè)導(dǎo)坑上部土體16 m，右上部土體先行右下部土體6 m，然后進(jìn)行右幅錨噴支護(hù)。

初襯厚度0.26 m，采用彈性模型；二襯和仰拱均采用shell結(jié)構(gòu)單元，厚度為0.5 m；土體參數(shù)結(jié)合實(shí)際選取，隧道軸線以上土體模量為一定值，隧道軸線以下土體的模量按照卸荷模量考慮，取為正常情況下模量的3倍，并沿深度線性分布，至模型最下方可以取為8倍的正常模量，土體采用摩爾庫倫模型。各參數(shù)見表1。

表1 材料力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析及方案比選

為定量研究管棚注漿法的加固效果，針對(duì)不同施工工法，分別對(duì)不采用和采用管棚注漿加固措施的三維模型進(jìn)行了模擬。

3.1 管棚支護(hù)效果分析

拱頂沉降則是評(píng)判隧道開挖的拱頂穩(wěn)定性的重要因素。圖2為環(huán)形開挖預(yù)留核心土工法下不采取和采取管棚注漿法超前預(yù)加固措施時(shí)，隧道施工至1/2截面時(shí)，圍巖的豎向位移云圖，由于其他工法位移云圖類似，在此不在贅述。

圖2 環(huán)形開挖預(yù)留核心土圍巖的豎向位移云圖

圖2a豎向位移云圖中，豎向位移最大值發(fā)生在Y=0 m處斷面，且位移較大值向掌子面方向延伸趨勢(shì)較明顯，Y=0 m處拱頂最大位移為4.52 cm，Y=0 m仰拱最大位移為1.69 cm。而采用管棚支護(hù)后，豎向位移最大值發(fā)生在掌子面處斷面，位移較大值向豎向延伸趨勢(shì)明顯。掌子面拱頂最大位移為1.91 cm，Y=0 m仰拱最大位移為2.17 cm。隧道開挖過程中，掌子面前方1.5～2.0倍開挖跨度范圍內(nèi)的圍巖產(chǎn)生了變形，采用超前管棚可以有效抑制隧道開挖過程中圍巖破壞范圍向地表的發(fā)展，可見管棚注漿支護(hù)體系改變了圍巖的位移場(chǎng)分布，很好地約束了圍巖拱部的豎向變形，但不能控制圍巖仰拱部位的變形。

3.2 不同施工工法管棚支護(hù)效果分析

為消除圖2中隧道開挖過程中邊界效應(yīng)的影響，選擇Y=20 m斷面作為數(shù)值模擬的目標(biāo)斷面。

圖3為Y=20 m斷面拱頂施工過程沉降曲線。

圖3 拱頂沉降曲線

從圖3可以看出，不管采用何種施工工法，隧道拱頂沉降具有大致相同的變化趨勢(shì)，即隧道地表的縱向變形始于掌子面前方一定距離，并隨著開挖的推進(jìn)急劇增大，當(dāng)掌子面通過監(jiān)測(cè)斷面2～3倍洞后，掌子面效應(yīng)消失，地表沉降達(dá)到峰值后趨于穩(wěn)定。

在選取的3個(gè)目標(biāo)斷面中，環(huán)形開挖留核心土法施工引起的拱頂沉降量都是最小的，三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法引起的拱頂沉降量是最大的。

4 結(jié)論

通過對(duì)超前預(yù)支護(hù)系統(tǒng)作用效果與施工工法配合方案的研究，得出以下結(jié)論：

a）隧道開挖過程中，掌子面前方1.5～2.0倍開挖跨度范圍內(nèi)的圍巖產(chǎn)生了變形，采用超前管棚可以有效抑制隧道開挖過程中圍巖破壞范圍向地表的發(fā)展，并對(duì)隧道頂部圍巖起到很好的促穩(wěn)作用；淺埋隧道施工時(shí)，隧道的開挖高度會(huì)影響圍巖松弛區(qū)域的高度。一般情況下，圍巖松弛區(qū)域的高度約為隧道開挖高度（9.5 m）的2倍。

b）不管采用何種施工工法，隧道地表的縱向變形始于掌子面前方一定距離，并隨著開挖的推進(jìn)急劇增大，當(dāng)掌子面通過監(jiān)測(cè)斷面2～3倍洞后，掌子面效應(yīng)消失，地表沉降達(dá)到峰值后趨于穩(wěn)定。

c）管棚支護(hù)條件下，環(huán)形開挖留核心土法的拱頂沉降最小，在軟弱圍巖地段，應(yīng)優(yōu)先采用環(huán)形開挖留核心土法進(jìn)行施工，減小開挖跨度，從而減少隧道開挖影響范圍，保證開挖面的穩(wěn)定。