淺埋隧道下管棚支護參數(shù)優(yōu)化分析

(重慶交通大學 重慶 400000)

管棚法是在隧道開挖輪廓線以外，以一定間距、角度，打設一定長度的鋼管作為支撐，并通過鋼管注漿同時加固圍巖，確保隧道開挖安全的一種支護體系。它具有支護距離長、安全性高、施工速度快、工期短等優(yōu)點，因此，被廣泛運用于地鐵隧道、地下通道等工程中。雖然相關研究較多，但管棚支護的設計參數(shù)主要根據經驗得到。為此，借助前人研究成果，筆者針對回龍灣隧道工程暗挖段施工和復雜的地質、環(huán)境條件，采用數(shù)值計算軟件對管棚預支護設計參數(shù)中管棚的布置角度、鋼管直徑的變化、鋼管間距的變化、隧道開挖步距對管棚預支護效果的影響進行系統(tǒng)分析，總結規(guī)律，為復雜地質條件下淺埋暗挖隧道的管棚預支護設計提供參考。

一、工程概況

以重慶鐵路軌道東環(huán)線回龍灣隧道為例，該隧道位于南溫泉背斜東翼，單斜構造，產狀N20～43°E/35～45°NW，未見斷裂構造形跡。地下水以基巖裂隙水為主，地下水不發(fā)育，地下水無侵蝕性，預計該段最大涌水量為950T/d。洞身段以泥巖為主，質軟，易出現(xiàn)拱頂?shù)魤K、剝落、坍方，隧道進口左側挖方邊坡順層。隧道進口覆蓋0～2m粉質粘土，拱頂至地面約為5.2m，隧道洞身基巖為侏羅系中下統(tǒng)自流井組，珍珠沖組泥巖夾砂巖、砂巖，強風化層厚1～4m。隧道DK23+580～DK23+650段為下穿龍洲灣公路隧道段，拱頂離公路隧道底5～7m，施工易發(fā)生塌方，沉降。

二、管棚的參數(shù)選取

該隧道洞跨為10m,洞高為5m,根據上述洞室開挖對周圍巖體的影響范圍,有限元計算分析范圍取水平方向至少四倍的洞跨，這里取50m,洞室中心左右各25m，豎向從隧道底部向下取為簡化計算,縱向取15m,隧道底部到模型邊界為5m，上部為巖體。模型左、右、前、后和下部邊界均施加法向約束。圍巖以泥巖為主，部分泥巖夾砂巖，圍巖較破碎。泥巖屬于軟質巖，易風化軟化，節(jié)理裂隙發(fā)育，故采用隨機裂隙模擬節(jié)理發(fā)育情況。對所研究的下穿龍洲灣隧道段和洞口段由工程資料對隧道參數(shù)進行取值。圍巖密度取2.3g/cm3，內摩擦角取33°，彈性模量取1.5Gpa。節(jié)理法向剛度取2Gpa/m，節(jié)理剪切剛度取0.5Gpa/m，節(jié)理摩擦角取23°。管棚支護采用直徑108mm，長30m的大管棚，打入仰角為3°，管棚間距40cm，管棚等效剛度65Gpa，注漿區(qū)域圍巖等效彈性模量取7Gpa，注漿區(qū)域厚度由經驗值取0.4m。

三、與工程實例對比

建立模型對管棚沉降計算后結果如下：

可以看到，洞口段管棚的最大沉降值約為1.32cm，拱頂上方沉降值為1.2mm左右?，F(xiàn)場檢測沉降數(shù)據最大沉降值為12.8mm，表明洞口段數(shù)值模擬結果與現(xiàn)場監(jiān)測結果吻合度較好。

四、管棚參數(shù)優(yōu)化分析

(一)管棚直徑對支護效果的影響

在設定地層條件及管棚其它參數(shù)一致(環(huán)向間距0.4m的情況下，選擇鋼管直徑分別為50mm,100mm,150mm,200mm,250mm和300mm六種情況進行模擬分析。

將各管棚直徑帶入模型計算后最大撓度的結果如下表所示：

直徑/mm撓度/mm5025100131508.62006.92506.13005.9

隨著管棚鋼管直徑的增大，管棚撓度和受力有非線性減小的趨勢，這說明相對較大直徑的管棚可以有效地控制周圍巖體的松動破壞，加強管棚的超前預支護作用;另外，隨管徑的增大其抗彎能力加強。因此，為保證周圍巖體及工作面巖體的穩(wěn)定以及控制地層變位至某一限定值，就應增加超前支護鋼管的直徑。但單純依靠增大管徑并不能帶來預期的作用效果，鋼管直徑存在著最佳直徑的概念。在上述實例中，管棚直徑在大于150mm后沉降值減小趨于平緩，故管棚最佳直徑選擇為150mm。

(二)管棚環(huán)向間距對支護效果的影響

對于管棚超前支護的間距，無疑減少間距意味著土體力學性能的改善，對管棚與土體成拱有促穩(wěn)效應。因此若地層條件差，則管棚應加密布置。根據回龍灣隧道的地質條件，在設定地層條件及管棚其它參數(shù)一致的情況下，選擇鋼管環(huán)向間距分別為0.3m，0.4m，0.5m，0.6m四種情況進行模擬分析。

計算結果如下:

環(huán)向間距管棚沉降0.3m1.32cm0.4m1.49cm0.5m1.73cm0.6m2.52cm

從以上結果來看，管棚間距的減小，有利于管棚支護發(fā)揮作用，在間距大于0.5m時，管棚支護效果明顯減弱，排布間距從0.6m減小到0.5m使最大沉降值減小了9.1mm。而在間距小于0.5m時，減小管棚排布間距對拱頂沉降的影響就逐漸減弱，0.5m減小到0.4m間距僅僅使沉降值減小了2.4mm。而0.4m減小到0.3m沉降值減小了1.3mm。

從管棚撓度來看，對于前述條件下本計算模型來講，隨著管棚環(huán)向間距的增加，撓度有著減小幅度逐漸減緩的趨勢，所以并不是單純減小間距就能明顯改善支護效果。對于特定的條件下，在滿足預支護作用的同時，存在相對較優(yōu)的管棚環(huán)向間距，對于本計算模型，在管徑為150mm情況下以0.3m為較優(yōu)。

(三)管棚的注漿加固區(qū)厚度對支護效果的影響

在此以回龍灣隧道工程實例為計算依據，分別模擬注漿厚度為0cm，10cm，20cm，30cm，40cm，50cm的工況下對管棚支護效果的影響。

這里計算時設定鋼管直徑150mm，壁厚6mm，排布間距30cm，彈性模量E=65.6Gpa，泊松比μ=0.262。分別帶入上述五六種工況進行模擬，計算結果如下：

注漿厚度cm管棚最大沉降值mm050.11028.62020.63013.244010.78508.32

通過計算結果可以看到，注漿厚度在小于30cm 時，從0cm增大到30cm明顯降低了管棚沉降，證明增大管棚注漿厚度可以有效提高土體參數(shù)，增強支護效果。但是在從30cm增大到40cm時，管棚沉降值僅僅減少了3mm，從40cm增大到50cm時，僅僅減少了2.4mm。所以在注漿厚度超過30cm后，僅增大注漿厚度對支護效果的影響已經不大了，而增大注漿厚度對施工難度的增加就越發(fā)明顯。所以注漿厚度采用40cm最為經濟且滿足支護效果。

四、結論

1.鋼管直徑的增大對增強管棚支護效果存在限值，要依據實際工程的情況選取，在本工程中選擇150mm直徑為最優(yōu)選擇。

2.管棚支護效果隨之管棚間距減小而增強，一般布置間距為30～60cm之間，本工程選擇30cm可以最大程度發(fā)揮超前支護效果。

3.注漿厚度對支護效果影響明顯，而單純的增大注漿厚度對優(yōu)化支護效果幫助不大，本工程中取40cm為最優(yōu)選擇。