軟弱破碎圍巖隧道中管棚超前預(yù)支護(hù)力學(xué)特征研究

尹超 張志強(qiáng)

【摘要】我國西部地區(qū)以高原山地地貌為主、構(gòu)造應(yīng)力強(qiáng)烈且斷層發(fā)育，在這種自然條件下的隧道圍巖勢必是軟弱破碎的。為保證施工與運(yùn)營安全，超前預(yù)支護(hù)措施的合理采用就顯得尤為重要，而管棚作為一種工程中廣泛采用的超前預(yù)支護(hù)措施，對保證圍巖和掌子面的穩(wěn)定具有顯著的作用。基于此，文章采用大型通用有限元軟件ANSYS對軟弱破碎圍巖隧道下管棚的力學(xué)行為進(jìn)行研究，探明了管棚在軟弱破碎圍巖中的受力特征。

【關(guān)鍵詞】軟弱破碎圍巖隧道; 超前預(yù)支護(hù); 管棚; 力學(xué)特性

【中國分類號(hào)】U455.49【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

管棚作為一種在實(shí)際工程廣泛采用的超前預(yù)支護(hù)手段，可以有效保證隧道圍巖及掌子面的穩(wěn)定。但現(xiàn)階段對軟弱圍巖中管棚受力特征的研究還不夠充分，更多的是依靠工程經(jīng)驗(yàn)，因此有必要對其力學(xué)特性進(jìn)行系統(tǒng)的分析探究。

宋戰(zhàn)平等[1]基于Winkler彈性地基梁理論建立了考慮注漿加固的管棚受力分析模型，提出了管棚撓度和內(nèi)力的解析公式并進(jìn)行了工程驗(yàn)證;洪閏林[2]依托汶馬高速米亞羅3#隧道，采用有限元模擬計(jì)算軟件Midas /GTS 進(jìn)行數(shù)值模擬，詳細(xì)研究了隧道開挖過程中圍巖穩(wěn)定性、管棚內(nèi)力及地表沉降的變化規(guī)律;陽超等[3]依托成都地鐵9號(hào)線武青車輛段暗挖隧道工程，系統(tǒng)研究了管棚超前預(yù)支護(hù)技術(shù)在砂卵石地層中的應(yīng)用，分析了管棚預(yù)加固范圍和長度對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響;羅春[4]依托湖北恩施五峰山隧道，通過建立三維數(shù)值模型，對管棚超前預(yù)支護(hù)技術(shù)的作用原理、力學(xué)特點(diǎn)、管棚的變形特性以及預(yù)支護(hù)體系的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了分析研究;黃華等[5]依托成昆線任山隧道下穿既有鐵路工程，研究了管棚變形隨未支護(hù)段長度、荷載水平的變化規(guī)律，并提出了合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。

本文以某新建雙線鐵路隧道V級圍巖復(fù)合襯砌開挖斷面為例，通過建立管棚超前預(yù)支護(hù)的三維有限元模型，對該隧道在管棚超前支護(hù)條件下的開挖和施工過程進(jìn)行全真分析，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果對軟弱破碎圍巖中管棚力學(xué)行為特性進(jìn)行較為全面的分析，旨在為類似地質(zhì)條件下的相關(guān)工程應(yīng)用提供參考。

1 數(shù)值計(jì)算

1.1 數(shù)值模型建立

參考結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與地質(zhì)勘查資料，建立三維地層結(jié)構(gòu)模型。為準(zhǔn)確反映隧道開挖過程，本次數(shù)值模擬同時(shí)考慮錨桿、注漿加固區(qū)、噴混凝土初支、鋼拱架以及管棚的支護(hù)作用。根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的受力特性，對圍巖及注漿加固區(qū)采用8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元（Solid-Brick 8node 45）進(jìn)行模擬（注漿加固區(qū)通過改變材料參數(shù)實(shí)現(xiàn)）;錨桿采用桿單元（Link-spar8）模擬;管棚采用梁單元（Beam4）模擬;噴混凝土采用殼單元（Shell-Elastic 4node63）模擬。

為消除邊界效應(yīng)的影響，確定隧道橫向尺寸為5D（洞寬D=13 m），隧底尺寸取12 m，隧道埋深根據(jù)工程實(shí)際情況確定為50 m，模型沿隧道軸向取36 m。對模型左、右兩側(cè)施加水平約束，底面施加豎向約束，上表面自由。

建立三維模型如圖1所示，模型細(xì)部構(gòu)造如圖2所示。

1.2 計(jì)算參數(shù)選取

依據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》確定圍巖、注漿加固圈和噴混凝土材料的物理力學(xué)參數(shù);錨桿、管棚的計(jì)算參數(shù)按照剛度等效和重度等效的原則計(jì)算確定;鋼拱架則作為安全儲(chǔ)備，不在數(shù)值模擬中作具體分析。根據(jù)以上得到有限元分析中的計(jì)算參數(shù)見表1。

在本次數(shù)值模擬中，基于分析的重點(diǎn)的不同，對圍巖采用理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系，Drucke-Prager屈服準(zhǔn)則，對噴混凝土采用彈性本構(gòu)關(guān)系。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 隧道開挖前后管棚內(nèi)力分布

管棚在軟弱圍巖中主要憑借其梁效應(yīng)承擔(dān)掌子面前方的松動(dòng)荷載，發(fā)揮穩(wěn)定圍巖和掌子面的作用，由于管棚主要承擔(dān)橫向荷載，所受軸力較小，所以本文主要針對管棚的彎矩進(jìn)行分析研究。

在隧道開挖前后，管棚受到的約束會(huì)發(fā)生變化，那么其內(nèi)力特征也會(huì)隨之改變，現(xiàn)以隧道拱部的鋼管作為主要對象進(jìn)行研究，提取隧道開挖前后該鋼管彎矩如圖3所示。

通過彎矩圖可以看出，管棚彎矩分布特征為中間大，端部小，說明其在發(fā)揮超前支護(hù)作用的過程中表現(xiàn)出顯著的梁效應(yīng);分析其彎矩方向，管棚上側(cè)受拉，說明其承擔(dān)了隧道拱部上方的部分圍巖壓力;管棚在開挖前后彎矩最大值分別為69.6 N·m和337.4 N·m，表明隧道開挖前鋼管所受縱向彎矩很小，但開挖后鋼管縱向彎矩值比開挖前大幅增加，說明隧道開挖后管棚承擔(dān)了較大的荷載，對保證圍巖穩(wěn)定發(fā)揮了積極作用。

2.2 隧道開挖過程中管棚內(nèi)力變化

管棚施作完成后，隨著開挖、支護(hù)過程的循環(huán)進(jìn)行，掌子面不斷向前推進(jìn)，管棚的受力情況也會(huì)隨之變化?，F(xiàn)主要針對這一空間效應(yīng)分析管棚彎矩隨開挖過程的變化規(guī)律。

根據(jù)本次數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，分別提取開挖過程中單根鋼管的彎矩分布及最大彎矩的變化情況如下圖4、圖5所示。

各步開挖及支護(hù)后鋼管彎矩最大值如圖5所示。

分析管棚彎矩分布及變化情況可以看出：

（1）隧道開挖過程中，隨著掌子面的推進(jìn)，單根鋼管彎矩的分布趨勢變化不大，施工各步下管棚彎矩分布特性幾乎一致，只是彎矩大小有所變化。

（2）通過對比隧道支護(hù)前后的彎矩最大值，可以看出除施工第二步外，第一步、第三步和第四步下鋼管彎矩均為減小，表明支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作往往會(huì)在一定程度上減小管棚內(nèi)力，即隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)可以對管棚起到一定的約束作用，增強(qiáng)管棚的支護(hù)效果。

（3）由于管棚鋼管位于圍巖內(nèi)部，通過注漿與圍巖形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，三者共同承擔(dān)圍巖荷載且協(xié)調(diào)變形，因而施工

過程中的空間效應(yīng)對管棚受力特性有著復(fù)雜多變的影響;就本次計(jì)算而言，管棚在受力特性上更類似于Winkler彈性地基梁。

（4）在整個(gè)開挖過程中，管棚的彎矩在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，但波動(dòng)幅度僅在5 %左右，對其結(jié)構(gòu)安全影響有限。

3 結(jié)論

本文通過ANSYS有限元軟件建立三維模型對軟弱破碎圍巖中管棚超前預(yù)支護(hù)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其受力特性，得到以下結(jié)論：

（1）管棚在軟弱圍巖中主要憑借其梁效應(yīng)承擔(dān)隧道拱部上方的部分圍巖壓力，發(fā)揮對圍巖和掌子面的加固作用。

（2）隧道支護(hù)體系可以對管棚結(jié)構(gòu)起到一定的約束作用，保證其支護(hù)效果。

（3）管棚位于圍巖內(nèi)部，通過注漿與周邊圍巖形成整體結(jié)構(gòu)，共同承擔(dān)荷載并協(xié)調(diào)變形，因而其受力特性十分復(fù)雜，在本次計(jì)算中更多地體現(xiàn)出彈性地基梁的特性。

（4）隧道開挖前管棚就承擔(dān)了部分荷載，起到了預(yù)支護(hù)的效果，隨掌子面推進(jìn)，管棚內(nèi)力分布趨勢幾乎不變，僅數(shù)值大小在約5 %的范圍內(nèi)小幅波動(dòng)對整體結(jié)構(gòu)的安全性影響不大。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋戰(zhàn)平，田小旭，周冠南，等.隧道洞內(nèi)管棚超前預(yù)支護(hù)力學(xué)行為的理論分析[J].中國公路學(xué)報(bào)，2020，33（4）：89-98.

[2] 洪閏林，張志強(qiáng).管棚超前支護(hù)下隧道開挖圍巖穩(wěn)定性分析[J].四川建筑，2020，40（3）：237-238+242.

[3] 陽超，王玉鎖，張雪松，等.砂卵石地層暗挖隧道超前管棚支護(hù)技術(shù)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2019，56（S2）：299-307.

[4] 羅春. 不良地質(zhì)條件下隧道管棚預(yù)支護(hù)技術(shù)研究[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2017.

[5] 黃華，鞏江峰，邸成，等.鐵路隧道超前管棚變形規(guī)律及參數(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2019，36（12）：65-70.