深厚堆積體隧道洞口管棚加固的力學行為分析

楊忠峰

摘要：針對使用管棚支護加固高陡堆積體仰坡隧道時存在安全隱患的問題，建立超前大管棚的力學計算模型，對設(shè)計參數(shù)及施工力學行為等方面進行了綜合探討，分析洞口開挖引起的圍巖應(yīng)力與坡表位移分布規(guī)律，探究洞口開挖施工力學行為，驗證超前大管棚方案的可行性。結(jié)果表明：隧道洞口工程存在深厚堆積體時，采用管棚預(yù)加固措施，可起到有效的支護作用，確保隧道進洞安全。

關(guān)鍵詞：隧道洞口；深厚堆積體；管棚加固；力學行為

中圖分類號：U455.7文獻標志碼：B

Abstract： When tunnel entrance is built in deep accumulation body， especially in high and steep slope， pipe roof support is often applied to improve the formation stability and reduce security risks. A mechanical model was built to analyze the stress and displacement distribution of surrounding rocks caused by excavation， and explore the mechanical behavior of excavation construction， and also verify the feasibility of pipe roof support. The result shows that when deep accumulation is involved in the tunnel entrance project， reinforcing with pipe roof provides effective support and safety.

Key words： tunnel entrance； deep accumulation body； pipe roof； mechanical behavior

0引言

近年來，隨著高速公路建設(shè)的飛速發(fā)展，隧道工程日趨增多。當隧道穿越一些地質(zhì)復(fù)雜的地段，如軟弱破碎的圍巖地層、淺埋地段和高陡堆積體地段，如果處理不當，往往易發(fā)生洞體圍巖坍塌、冒頂?shù)葹?zāi)害。實踐表明，針對這類修建于不良地質(zhì)體中的隧道工程，合理施作超前支護是確保施工安全的有效方法[13]。

對于洞口建設(shè)區(qū)段的預(yù)加固，超前管棚注漿是較為常用的一類措施。國內(nèi)外許多學者對管棚超前預(yù)支護體系做了研究[46]，認為管棚注漿加固主要體現(xiàn)在梁效應(yīng)與圍巖受力特性增強兩方面，不少工程實踐也驗證了管棚加固的合理性[79]。

高陡堆積體區(qū)段因圍巖層間粘聚力相對較低，自身穩(wěn)定安全系數(shù)較低。隧道進出洞開挖施工時，卸荷效應(yīng)使得圍巖應(yīng)力發(fā)生顯著的重分布，甚至破壞其原有的平衡狀態(tài)，誘發(fā)仰坡滑動、坡面坍塌以及塌方等事故。管棚注漿加固措施是通過注漿形成加固圈，加之拱圈承載效果，可創(chuàng)造理想的開挖條件。

總體而言，當前管棚加固設(shè)計主要依賴于工程類比，計算方法仍處于定性研究的階段。其原因在于對管棚注漿法加固機理及效果的分析還不夠深入；另一方面，在不同的地質(zhì)條件和開挖工況下，管棚支護原理也不盡相同[1015]。本文擬考慮高陡堆積體仰坡隧道的管棚支護設(shè)計，對管棚的受力原理、計算模型、設(shè)計參數(shù)及施工力學行為等進行綜合探討。

1計算模型及參數(shù)的選取

高陡堆積體仰坡及管棚加固是數(shù)值模擬的關(guān)鍵。對于高陡堆積體，計算時模型左右邊界取10倍斷面開挖跨度，洞口埋深為3 m，最大埋深取30 m，如圖1所示。洞口為V級圍巖，依據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG D70/2—2004）及地勘資料，彈性模量取15 GPa，泊松比為033，重度為20 kN·m-3，黏聚力為04 MPa，內(nèi)摩擦角為24° 。

計算時，仰坡角度分別設(shè)置為40°、50°和60°，單次施工進尺為2 m。超前管棚長30 m，弧形注漿圈厚度取0.5 m（一般取03～06 m），如圖2所示?？紤]注漿加固作用，將注漿圈范圍內(nèi)圍巖力學參數(shù)提高20%～30%。

2計算結(jié)果分析

2.1無管棚支護時圍巖應(yīng)力分布特征與變形規(guī)律

以仰坡角度為40° 的工況為例，分析不同施工進度下圍巖應(yīng)力分布特征，圖4為自重應(yīng)力場下最大主應(yīng)力分布云圖，圖5為不同進尺下主應(yīng)力分布云圖。

分析圖4、5，得出以下結(jié)論。

（1）整體而言，當坡角為40° 時，隧道拱頂、拱腰及拱腳部位以受壓為主，且拱腰壓應(yīng)力最大；仰拱部位由壓應(yīng)力逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，至仰拱中心全部為拉應(yīng)力。由于拱腳處曲率過大，導致開挖后出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象；隨著掌子面推進，特別是掘進26 m后，拱腳應(yīng)力集中現(xiàn)象緩慢向拱腰部位延伸，應(yīng)力增速明顯降低，開挖至50 m時，洞口截面應(yīng)力基本不再變動。

（2）當仰坡角逐步增大到50°或60° 時，圍巖應(yīng)力分布特征及變化過程大致相同，但應(yīng)力強度相應(yīng)提高。以進尺26 m為例，40° 時洞口最大主應(yīng)力為-120 MPa，50° 時為-160 MPa，60°時為-190 MPa。

依據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，統(tǒng)計分析關(guān)鍵截面的地表沉降規(guī)律，繪制進尺與變形曲線，如圖6所示。

總體而言，隧道開挖擾動下，洞口及邊坡前緣部分變形量大于邊坡后緣及坡頂部分，洞口最大沉降值為9 mm；距離開挖面越遠，施工擾動引起的結(jié)構(gòu)沉降或圍巖變形數(shù)值越小。以坡角為40° 工況下洞口變形及坡頂斷面變形為例，進尺2 m時，洞口斷面變形增加、速率最大；進尺14 m時，洞口斷面變形基本不再變化。坡頂斷面變形數(shù)據(jù)發(fā)展規(guī)律相反，進尺不足20 m時，坡頂變形量基本未增加，超過20 m時，沉降速率明顯增加，開挖至該斷面時速率最大。

隨邊坡角度的增大，洞口變形量出現(xiàn)一定程度的增加，坡角由40° 提升為50°或60° 時，洞口最終沉降量由58 mm分別增加至73 mm、90 mm；而施工擾動區(qū)域基本不變，開挖進尺超過14 m后，施工對洞口沉降的影響基本很小。

需注意，由于計算模型軸向取60 m，與實際存在一定差異，導致開挖貫通后應(yīng)力突然釋放，模型計算區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)整體下沉，以致上述曲線末端出現(xiàn)一定幅度的抬升。考慮本文研究重點是洞口段的變形與圍巖應(yīng)力分布情況，該部分變形量較小，可忽略不計。

2.2超前管棚支護后圍巖應(yīng)力分布特征與變形規(guī)律

施作超前管棚支護后，注漿圈有效改善了洞周圍巖力學特性，結(jié)構(gòu)受力體系得到明顯改善。由于剛度較大，管棚支護圈承擔了相當一部分頂部的松動壓力，仰拱部位應(yīng)力強度減小，最大壓應(yīng)力由拱腳向拱腰轉(zhuǎn)移，拱腳應(yīng)力集中現(xiàn)象消除[1618]。盡管拱腰最大壓應(yīng)力增加為-4.8 MPa，但因管棚剛度極大，應(yīng)力數(shù)值遠小于其容許承載強度。圖7為進尺分別為60、50 m時的圍巖最大主應(yīng)力云圖。

對計算范圍內(nèi)邊坡前緣關(guān)鍵截面變形數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見圖8。由圖8可知以下幾點。

（1）施作超前管噴支護前后，隨開挖面推進，各斷面變形分布及發(fā)展規(guī)律基本相同；但因管棚極大提高了圍巖的力學特性參數(shù)，坡體豎向位移值出現(xiàn)明顯降低。以坡度為

50° 的工況為例，進尺4 m時，坡體底部邊緣沉降由1.59 mm降為1.04 mm，減小比例達36%。

（2）盡管坡角不同，但超前管棚支護對抑制圍巖變形的作用效果基本一樣。以坡底邊緣沉降為例，與無支護開挖工況相比，施作超前支護后，坡角為40° 的工況下地表沉降減小比例為136%，坡角變?yōu)?0°、60° 時，沉降減小比例分別為132%和131%，差異很小。

3結(jié)語

研究表明，隧道洞口工程存在深厚堆積體時，采用管棚預(yù)加固措施，可起到有效的支護作用，確保隧道進洞安全。主要結(jié)論如下。

（1）針對修建于高度堆積體區(qū)域的隧道工程，未采取超前支護措施時，開挖擾動導致拱頂、拱腰處以受壓為主，仰拱處以受拉為主，拱腳部位存在明顯的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，容易碎裂，隱患較大。

（2）高陡堆積體仰坡隧道施工時，距離開挖面越遠，施工擾動對圍巖變形的影響越??；不同邊坡角度下，施工擾動區(qū)域基本相同，局限于距離洞口20 m范圍內(nèi)，超出20 m后，仰坡基本不受影響。

（3）施作超前管棚后，相當一部分頂部松動荷載由注漿圈承擔，支護結(jié)構(gòu)受力體系得到較大改善，應(yīng)力集中現(xiàn)象消除；此外，圍巖與結(jié)構(gòu)沉降出現(xiàn)10%以上的減小。

雖然本文對管棚預(yù)支護體系的力學行為及其機理進行了分析研究，但管棚超前支護作用機理是很復(fù)雜的，仍需進一步完善；同時，對于復(fù)雜的地質(zhì)情況，數(shù)值計算的應(yīng)用還需要實踐檢驗。

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