隧道管棚超前支護(hù)技術(shù)及其數(shù)值模擬

摘 要：隧道管棚支護(hù)可以在較長(zhǎng)的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)開(kāi)挖地層的加固。基于FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)，利用殼單元模型模擬管棚的支護(hù)作用。通過(guò)對(duì)有、無(wú)管棚支護(hù)作用下，隧道在豎直和水平方向上位移和應(yīng)力的分析，發(fā)現(xiàn)管棚支護(hù)能夠抑制地表的沉降，減小拱腳位置的應(yīng)力，提高隧道開(kāi)挖的安全系數(shù)。研究結(jié)果為類(lèi)似地層隧道開(kāi)挖提供了指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：隧道工程 管棚支護(hù) 數(shù)值模擬 殼單元模型

中圖分類(lèi)號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）05（a）-0000-00

1、引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，在交通建設(shè)中需要在繁忙的公路、鐵路和既有建筑物下修建各種地下和隧道工程[1]。管棚支護(hù)作為一種長(zhǎng)距離加固技術(shù)，在隧道工程中有著廣泛的應(yīng)用[2-3]。管棚支護(hù)能有效控制圍巖的松弛，限制隧道的地表沉降、拱頂下沉和周邊收斂，使開(kāi)挖面前方一定范圍內(nèi)的圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。管棚施作后，開(kāi)挖前方巖體的強(qiáng)度得到提高，形成了一個(gè)穩(wěn)定承載環(huán)。此外，通過(guò)鋼管對(duì)圍巖注漿，使得漿液以填充、滲透、劈裂、擠壓等方式，趕走土顆粒間或巖石裂隙中的水分和空氣后并占據(jù)其位置，使得原來(lái)較為松散的土粒膠結(jié)成一個(gè)整體，提高圍巖本身的自穩(wěn)能力[4-5]。

在隧道工程中，通過(guò)對(duì)有無(wú)管棚支護(hù)隧道進(jìn)行變形和應(yīng)力監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)隧道管棚支護(hù)的作用效果，成本巨大。這里借用數(shù)值模擬的方法，對(duì)有無(wú)管棚支護(hù)隧道開(kāi)挖過(guò)程中變形和應(yīng)力的變化進(jìn)行分析，并對(duì)管棚支護(hù)作用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2、管棚支護(hù)的力學(xué)模型

對(duì)于管棚支護(hù)的作用效果，可以采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行分析。將大管棚注漿加固圍巖視為在隧道開(kāi)挖輪廓線(xiàn)外形成一定厚度厚的環(huán)狀加固圈，通過(guò)改善圍巖參數(shù)的方法用梁?jiǎn)卧驓卧M加固地層。如在某隧道施工中，采用大管棚超前支護(hù)輔以超前小導(dǎo)管注漿，假定在地層中形成堅(jiān)固的、連續(xù)的殼結(jié)構(gòu)，并基于管棚的力學(xué)效果，將管棚簡(jiǎn)化為0.5m厚的預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

3、隧道開(kāi)挖過(guò)程的數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型的建立

選取計(jì)算模型的水平方向（x向）長(zhǎng)度為18m，縱向（y向）長(zhǎng)度為72m，豎向高度（z向）為22m，高速公路的寬取為20m，整個(gè)模型的坐標(biāo)原點(diǎn)（0 0 0）為四部開(kāi)挖的交界點(diǎn)。隧道的圍巖采用六面體單元（brick element），初期支護(hù)采用殼體單元（shell element），管棚采用殼體單元（shell element），計(jì)算模型如圖2所示。

模型邊界條件為：水平方向的位移約束，fix x range x -18.1 -17.9，fix x range x 17.9 18.1；隧道軸向前后兩側(cè)邊界的約束：fix y range y -0.1 0.1，fix y range y 71.9 72.1；底部邊界的位移約束：fix z range z -8.1 -7.9，頂部為自由面不約束。

3.2 模型參數(shù)的選取

圍巖采用摩爾—庫(kù)侖（Mohr-Coulomb）模型。隧道下穿高速公路段圍巖主要為人工填土，根據(jù)實(shí)際情況，圍巖材料參數(shù)按表1選取。初期支護(hù)采用殼單元進(jìn)行模擬，其中鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮，即將鋼拱架彈性模量可按式（1）折算給噴射混凝土。

3.3 初始地應(yīng)力模擬

在此隧道地表附近，圍巖的初始應(yīng)力主要是由于重力作用引起的，應(yīng)力隨著深度的增加而增大。這里只考慮圍巖的自重應(yīng)力，圍巖的側(cè)壓力系數(shù) ，將圍巖材料參數(shù)賦值給計(jì)算模型后求解。可得到模型的初始應(yīng)力場(chǎng)分別如圖3所示。

3.4 隧道開(kāi)挖與支護(hù)模擬

在FLAC3D中，零模型（1）通常用來(lái)表示被移除或開(kāi)挖掉的材料，且移除或開(kāi)挖區(qū)域的應(yīng)力自動(dòng)設(shè)置為零。在隧道開(kāi)挖之前，在開(kāi)挖輪廓線(xiàn)外先將大管棚區(qū)域設(shè)置為零模型（model 1），然后用殼單元模擬。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工工藝、施工進(jìn)度，可通過(guò)如下步驟模擬整個(gè)隧道的施工過(guò)程：

① 按6m步距開(kāi)挖一部（0～6m），求解平衡，然后用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；

② 按6m步距開(kāi)挖一部（6～12m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m步距開(kāi)挖二部（0～6m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；

③ 按6m步距開(kāi)挖一部（12～18m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m步距開(kāi)挖二部（6～12m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m步距開(kāi)挖三部（0～6m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；

④ 按6m步距開(kāi)挖一部（18～24m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m步距開(kāi)挖二部（12～18m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m步距開(kāi)挖三部（6～12m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m步距開(kāi)挖四部（0～6m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；

⑤ 按6m步距開(kāi)挖一部（24～30m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m步距開(kāi)挖二部（18～24m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m步距開(kāi)挖三部（12～18m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m步距開(kāi)挖四部（6～12m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m開(kāi)挖仰拱（0～6m），求解平衡，刪除臨時(shí)支護(hù)，恢復(fù)仰拱的材料參數(shù)模擬仰拱澆筑；

⑥ 按6m步距開(kāi)挖二部（24～30m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m步距開(kāi)挖三部（18～24m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m步距開(kāi)挖四部（12～18m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m開(kāi)挖仰拱（6～12m），求解平衡，刪除臨時(shí)支護(hù)，恢復(fù)仰拱的材料參數(shù)模擬仰拱澆筑；

⑦ 按6m步距開(kāi)挖三部（24～30m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m步距開(kāi)挖四部（18～24m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m開(kāi)挖仰拱（12～18m），求解平衡，刪除臨時(shí)支護(hù)，恢復(fù)仰拱的材料參數(shù)模擬仰拱澆筑；

⑧ 按6m步距開(kāi)挖四部（24～30m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m開(kāi)挖仰拱（18～24m），求解平衡，刪除臨時(shí)支護(hù)，恢復(fù)仰拱的材料參數(shù)模擬仰拱澆筑。

⑨ 按6m開(kāi)挖仰拱（24～30m），求解平衡，刪除臨時(shí)支護(hù)，恢復(fù)仰拱的材料參數(shù)模擬仰拱澆筑。

根據(jù)上述開(kāi)挖和支護(hù)模擬方法，可以模擬整個(gè)隧道施工過(guò)程，在模擬過(guò)程中分別對(duì)設(shè)置管棚和不設(shè)置管棚兩種情況進(jìn)行模擬計(jì)算，并對(duì)比兩種模擬結(jié)果分析評(píng)價(jià)管棚的支護(hù)效果。

4、數(shù)值模擬結(jié)果及對(duì)比

4.1 隧道圍巖的變形

圖4為不同工況下設(shè)置管棚隧道的豎向（z向）位移，圖5為不同工況下不設(shè)管棚隧道的豎向（z向）位移。其中正值表示位移與z軸方向相同，負(fù)值表示位移與z軸相反。

從圖4可看出：在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，由于隧道埋深較淺，隧道掌子面前方一定范圍內(nèi)的圍巖會(huì)發(fā)生變形，且變形范圍達(dá)到地表，表現(xiàn)為地表沉降；由于一部的開(kāi)挖，三部圍巖松弛，圍巖位移較大，二部的開(kāi)挖加劇了圍巖的變形，但影響有限。因此，在施工過(guò)程中，要保證在一部、三部一定范圍內(nèi)預(yù)留核心土，穩(wěn)定工作面；在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，對(duì)比各部開(kāi)挖引起的圍巖變形，一部、三部的開(kāi)挖對(duì)圍巖的變形較大，為防止圍巖的過(guò)大變形，在施工中應(yīng)及時(shí)施作臨時(shí)支護(hù)；隧道上方圍巖的變形與隧道開(kāi)挖斷面呈遞增關(guān)系，隨著各部的開(kāi)挖，圍巖的變形逐步增大。

從圖5可看出：由于一部的開(kāi)挖，隧道圍巖的最大變形出現(xiàn)在開(kāi)挖面的上方，此時(shí)沒(méi)有了管棚預(yù)支護(hù)，初期支護(hù)支承全部松弛的圍巖壓力，變形也比在管棚預(yù)支護(hù)下大20mm。因此在不設(shè)管棚情況下，隧道開(kāi)挖引起的圍巖變形較大，不利于隧道的安全開(kāi)挖。在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，一部、三部的開(kāi)挖對(duì)圍巖的變形影響較大，而且隨著開(kāi)挖斷面的增大，圍巖的變形也增大，同在管棚預(yù)支護(hù)下的規(guī)律相似。

對(duì)比圖4和圖5可得出如下結(jié)論：在管棚預(yù)支護(hù)下進(jìn)行隧道開(kāi)挖，可有效的減少?lài)鷰r的變形，抑制地表沉降；在不設(shè)管棚的情況下，圍巖的變形比設(shè)置管棚情況下大很多，說(shuō)明管棚對(duì)圍巖的影響很大，管棚能有效的抑制圍巖的變形。

4.2 隧道圍巖應(yīng)力分布

圖6為不同工況下設(shè)置管棚隧道的豎向（z向）應(yīng)力 ，圖7不同工況下設(shè)置管棚隧道的水平向（x向）應(yīng)力 。圖8為不同工況下不設(shè)管棚隧道的豎向（z向）應(yīng)力 ，圖9為不同工況下不設(shè)管棚隧道的水平向（x向）應(yīng)力 。其中負(fù)值表示壓應(yīng)力，正值表示拉應(yīng)力，單位Pa。

從圖6和圖7可看出：在大斷面隧道開(kāi)挖中，洞周?chē)鷰r應(yīng)力隨著隧道的開(kāi)挖逐步釋放，釋放的荷載作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上，支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力大于洞周?chē)鷰r的應(yīng)力，并且拱腳和仰拱的豎向應(yīng)力比其他部位要大，而仰拱的水平應(yīng)力也比其他部位的要大。仰拱施作以后，仰拱應(yīng)力增幅較快，說(shuō)明仰拱在軟弱圍巖中的支護(hù)效果比較明顯。因此，在隧道施工中應(yīng)及時(shí)施作仰拱。

從圖8和圖9并對(duì)比圖6和圖7可看出：在不設(shè)管棚的情況下，得到的應(yīng)力變化規(guī)律與在設(shè)置管棚情況下的相似，在拱腳及仰拱位置表現(xiàn)出較大的應(yīng)力。在設(shè)置管棚的情況下，洞周?chē)鷰r應(yīng)力相對(duì)在不設(shè)管棚情況下要小，說(shuō)明管棚支護(hù)對(duì)洞周?chē)鷰r的應(yīng)力分布產(chǎn)生了很大影響。

5結(jié)論

利用FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)隧道工程中的管棚支護(hù)作用效果進(jìn)行了數(shù)值模擬?；诠芘锛庸虈鷰r的作用原理，管棚支護(hù)采用殼單元模型進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)對(duì)圍巖變形和應(yīng)力的分析，得到如下主要結(jié)論：

（1）在采用CRD工法開(kāi)挖隧道時(shí)，對(duì)比有無(wú)管棚支護(hù)的隧道開(kāi)挖，發(fā)現(xiàn)管棚支護(hù)隧道可有效的減少?lài)鷰r的變形、抑制地表沉降。同時(shí)，一部和三部的開(kāi)挖引起圍巖位移較大，二部的開(kāi)挖加劇了圍巖的變形，但影響有限。為防止圍巖的過(guò)大變形，在一部和三部施工中應(yīng)及時(shí)施作臨時(shí)支護(hù)。

（2）在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，無(wú)管棚支護(hù)時(shí)，隧道拱腳及仰拱位置表現(xiàn)出較大的應(yīng)力；而在設(shè)置管棚支護(hù)后，隧道圍巖應(yīng)力明顯減小，這表明管棚支護(hù)對(duì)隧道圍巖的應(yīng)力分布產(chǎn)生了影響，減小了隧道拱腳及仰拱位置的應(yīng)力集中。

（3）基于管棚加固地層的作用原理，采用殼單元模擬管棚支護(hù)是合理的。它為類(lèi)似地層的管棚支護(hù)數(shù)值計(jì)算提供了依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 李留璽. 隧道下穿高速公路時(shí)超長(zhǎng)大管棚支護(hù)技術(shù)及其變形規(guī)律研究[D].焦作：河南理工大學(xué)， 2011

[2] 茍德明. 既有公路下連拱隧道管棚變形測(cè)試與作用機(jī)理研究[D]. 長(zhǎng)沙：長(zhǎng)沙理工大學(xué)， 2007.

[3] 趙建平.淺埋暗挖隧道管棚預(yù)支護(hù)機(jī)理及其效用研究[D]. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2005.

[4] 陳浩， 姜景山， 姚海波. 崇文門(mén)車(chē)站過(guò)既有線(xiàn)管棚施工及變形分析[J]. 隧道建設(shè)，2006，26（1）：78–80.

[5] 茍德明，陽(yáng)軍生，張戈.淺埋暗挖隧道管棚變形監(jiān)測(cè)及受力機(jī)制分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2007， 26（6）： 1258-1264.