大斷面淺埋隧道管棚支護(hù)參數(shù)優(yōu)化研究

董 捷 李成獻(xiàn) 楊 博

(1.河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 張家口 075000)

1 引 言

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，鐵路、公路等線網(wǎng)越來越密集，不可避免的出現(xiàn)線路交叉的情況.為解決這一嚴(yán)峻問題，隧道下穿已成為一種常用的方式.在下穿過程中常采用管棚法作為超前支護(hù).

管棚法作為一種重要的暗挖施工工法在日本、美國(guó)及歐洲各國(guó)被廣泛采用.國(guó)外學(xué)者采用數(shù)值模擬的手段對(duì)實(shí)際工程中采用管棚支護(hù)隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行了一些研究.Mohammad等[1]采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)伊朗輸水隧道開挖過程中穿越拉勒扎爾斷層隧道穩(wěn)定性進(jìn)行了研究.發(fā)現(xiàn)管棚法具有優(yōu)異的加固效果.Forrest等[2]對(duì)弱砂巖材料進(jìn)行了室內(nèi)巖土試驗(yàn)得到了相關(guān)參數(shù)，得出了預(yù)埋梁的彎矩隨管間距和直徑的變化規(guī)律，并且采用安全系數(shù)法設(shè)計(jì)了一種管棚系統(tǒng).Mete等[3]對(duì)淺埋地鐵隧道周圍脆弱、斷裂巖石的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了調(diào)查，得出了使用支撐體系可以有效的保障地表建筑的結(jié)論.Shi等[4]針對(duì)魚龍水庫(kù)溢洪道下穿梁門隧道軟弱地基工程，提出了亞水平噴射灌漿柱與管棚組合加固的方案.并用數(shù)值模擬的方法對(duì)其進(jìn)行模擬，結(jié)果表明：設(shè)置管棚后地表沉降、收斂和主襯砌應(yīng)力均得到了降低，開挖面的穩(wěn)定性得到了大幅度提高.

雖然管棚法具有優(yōu)異的加固效果，但在實(shí)際工程中，管棚參數(shù)往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，沒有形成一套完整、系統(tǒng)的理論體系.鑒于此，結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行建模，開展了多工況數(shù)值仿真模擬，研究了管棚參數(shù)對(duì)地表沉降控制效果的影響，以期為軟弱圍巖條件下大斷面淺埋隧道管棚支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考.

2 模型建立

2.1 隧道模型

本文采用文獻(xiàn)[5]中的重慶東環(huán)線白楊灣下穿高速公路隧道進(jìn)行建模，隧道寬度為13.96 m，高度為12.77 m，拱頂距地表3 m，屬于大斷面淺埋隧道.

采用有限差分法軟件Flac3D按照實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，為方便建模將隧道形狀簡(jiǎn)化成上斷面半徑為7 m的半圓，下斷面為半個(gè)橢圓.隧道兩側(cè)各取3倍洞徑，總長(zhǎng)為72 m，向下取26 m，沿隧道縱深取50 m.模型尺寸為72 m×43 m×50 m，計(jì)算模型如圖1所示.計(jì)算分析時(shí)，根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[6]將上部汽車荷載和建筑物荷載簡(jiǎn)化成20 kN/m2的均布荷載.隧道模型由圍巖、管棚、加固區(qū)和初期支護(hù)組成，其中管棚采用結(jié)構(gòu)單元中的beam單元進(jìn)行模擬，通過fish函數(shù)沿隧道開挖線外0.3 m水平插入.然后在y=0平面內(nèi)外限制beam單元各個(gè)方向的位移及轉(zhuǎn)角.采用實(shí)體單元模擬注漿加固區(qū)和初期支護(hù)，其中注漿加固區(qū)的厚度為0.3 m.

圖1 隧道模型

(1)地層參數(shù).

本工程中的圍巖以泥質(zhì)砂巖為主，圍巖等級(jí)為五級(jí).查閱相關(guān)資料[7]可知砂質(zhì)泥巖中的注漿加固區(qū)強(qiáng)度處于圍巖和砂漿之間，通常為被加固圍巖中的2-3倍，本文中注漿加固區(qū)的參數(shù)取為圍巖參數(shù)的2倍.參考《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]得到隧道相關(guān)構(gòu)件參數(shù).具體參數(shù)如表1所示：

表1 模型參數(shù)

(2)管棚參數(shù).

在實(shí)際工程中通常會(huì)在鋼管內(nèi)注漿，一方面可以增加鋼管的剛度，另一方面可以對(duì)拱頂上方的土層進(jìn)行加固，增加上方土體的承載能力.直接采用鋼管或水泥砂漿的彈性模量會(huì)造成比實(shí)際的彈性模量偏小，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不符合實(shí)際.因此采用式(1)對(duì)管棚的彈性模量進(jìn)行換算[7].同理，采用式(2)對(duì)管棚的重度進(jìn)行換算.不同直徑管棚折算后的彈性模量和重度如表2所示：

表2 折算后的管棚參數(shù)

(1)

式中：E0為管棚等效彈性模量；E1為鋼管彈性模量；E2管棚注漿彈性模量；I1管棚慣性矩；I2管棚注漿慣性矩.

(2)

式中：γ為管棚等效重度；γ1為注漿重度；γ2鋼管重度；A1注漿面積；A2管棚面積.

3 計(jì)算結(jié)果分析

文獻(xiàn)[5]中采用直徑為108 mm、間距為0.4 m的管棚支護(hù)，計(jì)算得到的最終地表沉降為15.22 mm.本文中數(shù)值模擬的地表沉降為16.17 mm.對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩者在數(shù)值上有一定的差別，這是因?yàn)楸疚闹泄芘镏睆讲捎玫臑?00 mm，同時(shí)在數(shù)值模擬中對(duì)一些工況進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，造成了地表沉降的增加.總體來說相差不大，在7%以內(nèi).可以認(rèn)為本文中數(shù)值模型具有一定可靠性，能夠?qū)芘锏某休d特性進(jìn)行反應(yīng).

影響管棚支護(hù)效果的因素主要有管棚直徑、間距和布置范圍.雖然提高這些參數(shù)可以增加支護(hù)體系的可靠性，但是盲目的提高會(huì)導(dǎo)致成本增加.為了探究管棚參數(shù)的最優(yōu)設(shè)計(jì)，采用控制變量法對(duì)管棚的直徑、間距和布置范圍進(jìn)行了多工況數(shù)值模擬，以y=10 m處的地表沉降大小來評(píng)估管棚參數(shù)的影響.

3.1 管棚直徑

目前工程中常用的管棚直徑為80-180 mm，因此本文選取直徑為50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm的管棚進(jìn)行分析，在其他條件保持一致的情況下，研究管棚直徑對(duì)地表沉降的影響.地表沉降隨管棚直徑變化的曲線如圖2所示.

圖2 地表沉降隨管棚直徑變化關(guān)系

從圖中可以看出，隨著管棚直徑的增加，地表的最大沉降逐漸減小.當(dāng)管棚直徑為50-250mm時(shí)，地表沉降呈現(xiàn)出非線性減小的趨勢(shì)且直線的斜率逐漸減小，這是因?yàn)殡S著管棚直徑的增加，土體之間可以形成更加穩(wěn)定的土拱，減少了土體和管棚之間的相對(duì)位移；與此同時(shí)管棚自身的重度也隨之增大，所以當(dāng)管棚直徑超過200mm時(shí)，繼續(xù)增大直徑對(duì)地表沉降的控制效果較小.因此，從工程造價(jià)和支護(hù)效果方面考慮，管棚的最佳直徑宜為150～200mm.

3.2 管棚間距

在其他參數(shù)相同的情況下，選取工程中常用的間距0.3m、0.4m、0.5m、0.6m、0.7m分別進(jìn)行模擬，研究管棚間距對(duì)隧道地表沉降的影響.

地表沉降隨管棚間距的關(guān)系如圖3所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著管棚間距的增加，地表最大沉降逐漸增大.當(dāng)管棚間距大于0.4m時(shí)，地表沉降迅速增加且直線斜率逐漸增加.這是由于管棚的加固機(jī)理主要是梁拱效應(yīng)，當(dāng)管棚間距增大時(shí)，土體之間由于間距的增大無法形成較穩(wěn)定的土拱，導(dǎo)致圍巖的松動(dòng)掉落，進(jìn)而造成管棚支護(hù)效果減弱.因此，當(dāng)管棚間距在0.3m-0.4m時(shí)，對(duì)地表沉降有較好的控制效果.

圖3 地表沉降隨管棚間距變化關(guān)系

3.3 布置范圍

為研究管棚布置角度對(duì)拱頂沉降的影響，選取布置角度為90°、100°、110°、120°、130°、140°、150°分別進(jìn)行數(shù)值模擬.不同布置角度下地表最大沉降如圖4所示.

圖4 地表沉降隨布置角度變化關(guān)系

從圖4中可以看出，隨著管棚布置角度的增加，地表最大沉降逐漸減小，并且減小速率有變緩的趨勢(shì).當(dāng)管棚布置角度小于120°時(shí)，隨著布置角度的增加地表最大沉降迅速減??；當(dāng)布置角度大于120°時(shí)，地表沉降隨布置角度的增加變化幅度不大.這是因?yàn)殡S著管棚數(shù)量的增加，每根管棚承受的上部土體重力逐漸減小，因此管棚的撓度也相應(yīng)減小.圖5為布置范圍為90°、120°、150°的每根管棚沉降極坐標(biāo)圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，管棚最大沉降發(fā)生在隧道拱頂位置，從拱頂向拱腰沉降逐漸減小.對(duì)比不同布置范圍的管棚沉降可以看出，布置范圍為90°的每根管棚的沉降均大于布置范圍為120°的管棚，說明了管棚布置角度的增加可以減小管棚的沉降，進(jìn)而使地表沉降減小.同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)布置范圍為120°和150°管棚沉降曲線幾乎重合，說明了繼續(xù)增加管棚布置范圍并不能使管棚沉降減小，因此管棚的最佳布置范圍為120°.

圖5 管棚沉降隨角度變化關(guān)系

4 結(jié) 論

本文通過數(shù)值仿真模擬的方法建立了大斷面淺埋隧道管棚支護(hù)模型，研究了管棚直徑、管棚間距和布置范圍對(duì)管棚支護(hù)效果的影響，得到以下結(jié)論：

(1)增加管棚直徑可以顯著減小地表沉降，但考慮工程造價(jià)的影響，管棚直徑在150 mm～200 mm內(nèi)可以在造價(jià)成本與支護(hù)效果之間取得平衡.

(2)管棚間距的增大會(huì)導(dǎo)致地表沉降的增加，過小的間距會(huì)增加施工難度，當(dāng)管棚間距在0.3 m～0.4 m時(shí)可以達(dá)到較好的控制效果.

(3)管棚最大沉降發(fā)生在隧道拱頂位置，從拱頂向拱腰沉降逐漸減小，當(dāng)管棚布置范圍大于120°時(shí)，繼續(xù)增加管棚布置范圍對(duì)地表沉降控制效果影響不大.