管棚超前支護(hù)下隧道開挖圍巖穩(wěn)定性分析

洪閏林，張志強(qiáng)

(西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031)

隧道開挖過程中，經(jīng)常會(huì)遇到破碎帶、松散帶、軟弱地層、涌水、涌沙等地段，在這類地質(zhì)條件下進(jìn)行開挖，如果不進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)，很容易出現(xiàn)坍塌情況，導(dǎo)致安全事故，不僅給相關(guān)企業(yè)造成經(jīng)濟(jì)損失，增加工程成本，而且極大地影響工程施工進(jìn)度和施工質(zhì)量。[1～3]

羅春[3]以湖北省恩施市五峰山隧道為依托,對(duì)管棚預(yù)支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究，對(duì)不良地質(zhì)地區(qū)管棚支護(hù)體系的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了分析。文玉軍等[4]結(jié)合數(shù)個(gè)公路隧道實(shí)例給出了管棚支護(hù)施工技術(shù)的實(shí)施要點(diǎn)。李志平等[5]采用FLAC3D數(shù)值分析軟件對(duì)超前管棚預(yù)支護(hù)對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了分析研究。李世琦[6]分析了管棚超前預(yù)支護(hù)體系對(duì)隧道洞口段開挖時(shí)，管棚受力變形的特性。武松等[7]對(duì)比了不同管棚支護(hù)的受力特點(diǎn)，總結(jié)了管棚結(jié)構(gòu)的內(nèi)力特征。

本文結(jié)合汶川至馬爾康高速公路米亞羅3#隧道工程，采用有限元模擬計(jì)算軟件Midas/GTS建立數(shù)值模型，通過對(duì)管棚超前預(yù)支護(hù)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，對(duì)隧道開挖過程的穩(wěn)定性進(jìn)行研究；模擬有無超前管棚超前預(yù)支護(hù)下隧道開挖的土體沉降規(guī)律，評(píng)估超前管棚支護(hù)提高隧道圍巖穩(wěn)定性的能力，預(yù)測超前管棚支護(hù)在隧道開挖過程中的內(nèi)力變化。

1 計(jì)算模型建立

1.1 模型

為了解和掌握隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況、管棚在軟弱圍巖隧道中所發(fā)揮的作用與效果以及對(duì)隧道周邊圍巖的加固作用，采用MIDAS/GTS有限元軟件分別建立隧道、初期支護(hù)、管棚加固區(qū)以及管棚鋼管模型(圖1)。

圖1 三維模型

1.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型的邊界為：橫向取80 m，豎直方向上從隧道拱頂至地表面20 m，豎直向下從隧道中心起向下取20 m，沿隧道軸向取50 m。模型的邊界條件為：上端為自由面，側(cè)面施加相應(yīng)的垂直約束，底部施加相應(yīng)的完全約束。隧道周圍圍巖按均質(zhì)、各向同性的彈塑性材料進(jìn)行模擬計(jì)算分析研究。破壞屈服準(zhǔn)則采用M-C屈服準(zhǔn)則。

初期支護(hù)采用：250 mm厚的C25噴射混凝土+鋼拱架，錨桿支護(hù)相應(yīng)的長度為：4 m。管棚超前支護(hù)中鋼管直徑為：108 mm，鋼管的相應(yīng)的壁厚為：6 mm，打入隧道周圍圍巖的長度為：20 m。

此次數(shù)值模擬采用米亞羅3#隧道穩(wěn)定性較差的Ⅴ級(jí)圍巖的圍巖參數(shù)，如表1所示。

表1 圍巖參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 有無管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

對(duì)比分析圖2、圖3可知：有管棚支護(hù)的隧道相對(duì)于無管棚支護(hù)的隧道，隧道周邊圍巖豎直向的沉降量要小，無管棚支護(hù)隧道沉降量集中在38 mm左右，而有管棚支護(hù)的隧道沉降量集中在17 mm左右，減小量達(dá)到了55.2 %，說明注漿管棚對(duì)加固周邊圍巖，改善圍巖的力學(xué)性能起到非常明顯的效果。

圖2 無管棚支護(hù)隧道豎直方向沉降云圖

圖3 有管棚支護(hù)隧道豎直方向沉降云圖

通過對(duì)各開挖步下隧道拱頂?shù)某两禂?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，得到隧道拱頂沉降隨開挖步變化的變化曲線。分析圖4可知：管棚對(duì)于加固周邊圍巖，抑制拱頂下沉起到重要作用；從具體數(shù)據(jù)來看，隧道在有管棚預(yù)支護(hù)時(shí)，隧道拱頂沉降值最大為31 mm，無管棚預(yù)支護(hù)時(shí)，拱頂最大沉降值達(dá)到52 mm，拱頂沉降量減小了40.3 %，說明在隧道開挖的過程中，管棚起到了抑制拱頂沉降的作用。

圖4 隧道拱頂沉降值變化

2.2 管棚支護(hù)內(nèi)力分析

在采用管棚超前預(yù)支護(hù)的條件下，進(jìn)行隧道開挖模擬，管棚內(nèi)力模擬計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 隧道開挖管棚軸力

圖6 隧道開挖管棚彎矩

通過分析每步開挖管棚的軸力變化圖(圖5)可知：隧道未開挖時(shí)，管棚處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)隧道開挖時(shí)，圍巖卸載產(chǎn)生的荷載首先作用在管棚上，在掌子面附近內(nèi)力發(fā)生突變，急劇增加，然后隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)施加和閉合，圍巖慢慢穩(wěn)定，管棚內(nèi)力也隨之逐漸減小，直至平穩(wěn)。

通過分析每步開挖管棚的彎矩變化圖(圖6)可知：管棚的最大彎矩值出現(xiàn)在掌子面附近，隨著掌子面向前推進(jìn)，管棚最終彎矩值很小。在掌子面附近，管棚發(fā)揮了較好的梁效應(yīng)，但這種梁效應(yīng)并不是長期行為，而是作為臨時(shí)承載構(gòu)件，隨著掌子面向前推進(jìn)一定距離后，管棚梁效應(yīng)消失。

可將20 m長的管棚管段分為10段，每段長2 m，各段從洞口開始處向隧道內(nèi)進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)為1～10。

通過對(duì)管棚5、6號(hào)段彎矩圖(圖7)的分析可知：在進(jìn)行第5步開挖時(shí)(此時(shí)5號(hào)段處的圍巖還未進(jìn)行支護(hù))，管棚5號(hào)段彎矩最大，最大正彎矩值為14.61 kN·m，負(fù)彎矩最大值-15.24 kN·m，說明最大彎矩出現(xiàn)在開挖未支護(hù)段。掌子面通過后一定距離，管棚彎矩不斷減小，最終彎矩值很小。在進(jìn)行第6步開挖時(shí)(此時(shí)6號(hào)段處的圍巖還未進(jìn)行支護(hù))，管棚6號(hào)段彎矩最大，最大正彎矩值為8.94 kN·m，負(fù)彎矩最大值-18.91 kN·m，說明最大彎矩出現(xiàn)在開挖未支護(hù)段。掌子面通過后一定距離，管棚彎矩不斷減小，最終彎矩值很小。

3 結(jié)論

采用有限元軟件Midas/GTS建立數(shù)值模型，對(duì)超前管棚預(yù)支護(hù)體系進(jìn)行模擬計(jì)算。得到結(jié)論如下：

(1)在米亞羅3#軟弱圍巖隧道開挖時(shí)，采用管棚預(yù)支護(hù)措施對(duì)于隧道開挖時(shí)掌子面穩(wěn)定具有很好的控制作用。管棚能承擔(dān)很大一部分的圍巖應(yīng)力釋放，從而有效加固圍巖、限制圍巖變形，防止圍巖坍塌、冒頂，控制地表沉降，確保隧洞開挖施工的順利進(jìn)行。

圖7 管棚5、6號(hào)段彎矩

(2)當(dāng)掌子面通過后一定距離，管棚彎矩不斷減小，最終彎矩值很小。因此在掌子面附近，管棚一端與初期支護(hù)相連接，另一端嵌入前方圍巖，承受圍巖釋放荷載，發(fā)揮了較好的梁效應(yīng)；同時(shí)，管棚承受荷載的梁效應(yīng)并不是長期行為，而是隨著掌子面向前推進(jìn)一定距離后，管棚梁效應(yīng)消失，管棚不再發(fā)揮承載構(gòu)件的作用，其超前支護(hù)作用已完成。