不良地質(zhì)條件下隧道管棚預(yù)支護(hù)技術(shù)研究

李 野

（中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司，遼寧遼陽(yáng) 111000）

0 引言

在開(kāi)挖隧道之前，將一排水平孔鉆入隧道掌子面以上位置處，再以一定角度將帶有注漿孔的鋼管打入孔洞中，并往里面壓漿以對(duì)圍巖進(jìn)行加固，使隧道頂部在開(kāi)挖前既先形成能承受一定壓力的保護(hù)環(huán)，該種施工技術(shù)即隧道管棚支護(hù)技術(shù)，在該種環(huán)境下開(kāi)挖隧道能使施工更加安全高效。

1 工程概況

某隧道結(jié)構(gòu)形式為分離式隧道，內(nèi)部?jī)舾邽? m。在開(kāi)挖隧道前先進(jìn)行管棚的施工，打入20 m 管棚并進(jìn)行注漿加固未開(kāi)挖圍巖。為對(duì)隧道在施加管棚預(yù)支護(hù)時(shí)的加固效果進(jìn)行分析，采用大型有限元分析軟件Midas/Gts 對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬分析。計(jì)算模型如圖1 所示。

2 隧道有無(wú)管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析

對(duì)比無(wú)管棚支護(hù)和有管棚支護(hù)時(shí)隧道圍巖豎直方向沉降有限元分析可發(fā)現(xiàn)：在無(wú)管棚支護(hù)時(shí)，隧道圍巖有5.7 mm 的最大豎向沉降量，在有管棚支護(hù)的條件下，有1.3 mm 的最大豎向沉降量，兩種情況下均在隧道拱頂處出現(xiàn)最大沉降，且其差異達(dá)到77%，表明對(duì)于圍巖的力學(xué)性能而言管棚預(yù)支護(hù)有較好的改善效果。并且，在無(wú)管棚支護(hù)時(shí)，隧道底部有9.3 mm 的最大拱起值，而在有管棚支護(hù)的條件下，隧道底部?jī)H有7.3 mm 的最大拱起值，兩者差值幅度因?yàn)?2%，表明管棚預(yù)支護(hù)對(duì)隧道圍巖的變形能起到較好的控制作用，能較有效的提高隧道整體的穩(wěn)定性。

圖1 隧道初期支護(hù)

從圖2 可知，對(duì)于周邊圍巖而言，管棚的加固作用較為明顯，能有效抑制拱頂?shù)南鲁?。在有管棚預(yù)支護(hù)的情況下，隧道拱頂僅有1 mm的下沉量，而在無(wú)管棚支護(hù)時(shí)，其有5 mm 的下沉量，表明隧道在管棚預(yù)支護(hù)時(shí)較為穩(wěn)定，在開(kāi)挖時(shí)，管棚抑制了拱頂?shù)南鲁粒粡淖兓?guī)律看，在有管棚支護(hù)時(shí)，隧道拱頂在達(dá)到最大的下沉值時(shí)，隨著施工的不斷進(jìn)行，下沉值逐漸趨于穩(wěn)定，但當(dāng)無(wú)管棚預(yù)支護(hù)時(shí)，隨著隧道施工的不斷進(jìn)行，下沉量不斷上升并且無(wú)穩(wěn)定趨勢(shì)，表明隧道在無(wú)管棚支護(hù)時(shí)較不穩(wěn)定。

圖2 目標(biāo)斷面隧道拱頂沉降值變化

3 管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特征

3.1 實(shí)際工程管棚力學(xué)行為分析

通過(guò)彈性地基梁模型對(duì)管棚的力學(xué)行為進(jìn)行分析，并對(duì)比模擬結(jié)果。為避開(kāi)開(kāi)挖洞口所產(chǎn)生的邊界效應(yīng)，所取研究對(duì)象為掌子面距離洞口6 m 位置，所得分析結(jié)果如圖3 所示。

從圖3 可知：與數(shù)值模擬分析結(jié)果相比，理論計(jì)算值具有一定的差異，主要原因在于管棚的受力在現(xiàn)場(chǎng)屬于三維狀態(tài)，而模擬無(wú)法完全模擬真實(shí)的受力狀態(tài)。但不管是理論計(jì)算值還是模擬分析數(shù)據(jù)均表明，在開(kāi)挖掌子面位置，管棚有最大的彎矩值，并且隨著不斷增加的與掌子面的距離，管棚彎矩不斷降低，在離洞口12 m 位置，在理論計(jì)算中，管棚彎矩變化開(kāi)始趨近于0，但模擬數(shù)據(jù)顯示在離洞口10 m 位置時(shí)，管棚的彎矩就已經(jīng)沒(méi)有變化。因此，當(dāng)隧道處于不良地段時(shí)，為使掌子面穩(wěn)定應(yīng)采取保留核心土類型的施工方法。

從圖4 可知：不管是理論值還是模擬值均表明管棚的最大變形出現(xiàn)在掌子面周圍，并且該處有最大的撓度值，分別為5 mm 和1 mm，并且隨著不斷遠(yuǎn)離掌子面，管棚的撓度值不斷降低，最終等于0，表明在隧道掌子面周圍管棚所受力最大，因?yàn)殚_(kāi)挖隧道導(dǎo)致管棚受到松動(dòng)圍巖的壓力。在開(kāi)挖隧道時(shí)，管棚起到傳力作用，既將掌子面所受松動(dòng)圍巖壓力傳遞到未松動(dòng)圍巖，有效的確保了開(kāi)挖的安全性。從理論值可看出，管棚的撓度變化在離洞口12 m 處已趨于0，但在數(shù)值模擬值中，管棚的撓度變化在距洞口10 m 處已趨于0，因此，當(dāng)隧道處于不良地質(zhì)條件下時(shí)，為保證隧道能安全高效的施工，應(yīng)采取家里拱架的方式在掌子面周圍支撐管棚，或噴射混凝土以對(duì)松動(dòng)圍巖進(jìn)行加固，使掌子面穩(wěn)定。

圖3 管棚彎矩對(duì)比分析

3.2 不同截面不同位置隧道拱頂管棚撓度變化特征

圖4 管棚撓度對(duì)比分析

所選取的管棚撓度變化研究截面如圖5 所示，可看出：①管棚撓度的變化呈現(xiàn)凹槽形，表明隨著不斷推進(jìn)的隧道掌子面，管棚撓度變化規(guī)律為向上升后下降，并在最后變得穩(wěn)定；②管棚的撓度值與掌子面跟研究截面的距離成反比。在管棚達(dá)到最大的撓度值之后，其撓度不斷降低并逐漸穩(wěn)定下來(lái)，表明在隧道施工時(shí)，管棚起到傳力作用，將掌子面附加所受的力傳遞到其前方以及后方，使拱頂下沉得到有效的控制；③開(kāi)挖隧道時(shí)在0 m截面即洞口處有最大撓度出現(xiàn)。表明開(kāi)挖隧道進(jìn)洞對(duì)圍巖有較大的擾動(dòng)，使隧道所處環(huán)境較差，因此在施工時(shí)應(yīng)特別注意該階段的施工；④管棚的撓度在不同研究截面處均不相同，表明隨著隧道的不斷開(kāi)挖，管棚所受荷載不斷變化，最大值發(fā)生在研究截面與掌子面重合的地方。取10 m 作為研究截面，分析不同位置處的管棚撓度變化，所取位置分別為：拱頂、拱腰及拱底；⑤拱頂、拱底以及拱腰的撓度均隨著隧道的不斷開(kāi)挖而不斷增加，并當(dāng)研究截面與掌子面重合時(shí)達(dá)到最大，之后管棚的撓度值隨著掌子面的不斷推進(jìn)而不斷下降直至趨于穩(wěn)定；⑥管棚在拱頂處有最大撓度，并且相比于拱腰及拱底而言，撓度變化速率較大，表明最大荷載出現(xiàn)在管棚拱頂處，因此，在開(kāi)挖隧道時(shí)，應(yīng)注意管棚拱頂?shù)募庸?，以降低拱頂?shù)南鲁亮俊?/p>

3.3 管棚支護(hù)長(zhǎng)度對(duì)隧道的影響

從圖6 可知，相比于12 m 管棚支護(hù)時(shí)的拱頂最大下沉量，20 m 管棚支護(hù)時(shí)的最大下沉量降低了18%；而相比于20 m 管棚支護(hù)時(shí)的拱頂最大下沉量，28 m 管棚支護(hù)時(shí)的下沉量增大了1.4%；38 m 管棚又比28 m管棚下降了7%。可知，管棚的最佳支護(hù)長(zhǎng)度為20 m。當(dāng)管棚長(zhǎng)度變化區(qū)間在12～20 m 時(shí)，其對(duì)拱頂沉降的控制效果最大顯著，而當(dāng)其長(zhǎng)度超過(guò)20 m 時(shí)，最大管棚長(zhǎng)度所起到的控制效果不明顯，表明管棚支護(hù)長(zhǎng)度的選取應(yīng)結(jié)合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)。

圖5 不同截面處拱頂管棚的撓度變化示意

4 結(jié)語(yǔ)

圖6 不同管棚支護(hù)長(zhǎng)度對(duì)目標(biāo)截面拱頂沉降值的影響

通過(guò)上述分析研究，得出以下結(jié)論：①隧道在開(kāi)挖時(shí)若有管棚支護(hù)，將能較為有效對(duì)拱頂?shù)某两颠M(jìn)行控制。比起無(wú)管棚支護(hù)，有管棚支護(hù)的隧道拱頂沉降降低了77%，并且有管棚支護(hù)時(shí)隧道拱頂?shù)某两涤惺諗口厔?shì)；相比于無(wú)管棚支護(hù)，有管棚支護(hù)時(shí)拱底的隆起值有較大的降低，為22%，表明管棚支護(hù)對(duì)圍巖的變形能起到有效的控制作用；②通過(guò)對(duì)比理論計(jì)算結(jié)果以及數(shù)值模擬結(jié)果，得出在掌子面周圍有最大撓度以及彎矩的結(jié)論，并當(dāng)隧道處于不良地質(zhì)段時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)掌子面的加固；③當(dāng)管棚支護(hù)長(zhǎng)度在20 m 以內(nèi)時(shí)，對(duì)于控制拱頂?shù)南鲁量赏ㄟ^(guò)增加管棚長(zhǎng)度的方式，但在管棚長(zhǎng)度超過(guò)20 m 時(shí)，最大管棚長(zhǎng)度對(duì)控制拱頂沉降并無(wú)太大效果，表明管棚支護(hù)長(zhǎng)度有一最佳值。