淺埋下穿公路隧道管棚預(yù)支護(hù)機(jī)理及監(jiān)測分析

武 松，湯 華，羅紅星，戴永浩，鄧 琴

(1.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北 武漢 430071；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100000；3.云南省交通投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650200；4.云南大永高速建設(shè)指揮部，云南 大理 671000)

1 概述

管棚法作為隧道開挖的重要輔助工法之一，目前主要用于一些不良地質(zhì)條件下的隧道施工，例如軟弱、砂礫地層或軟巖、巖堆、破碎帶地層等[1-3]。近年來，管棚法在新建隧道下穿既有構(gòu)筑物的地下工程施工中也得到廣泛應(yīng)用[4-6]。雖然管棚工法在隧道及地下工程建設(shè)中應(yīng)用廣泛，但工程設(shè)計(jì)仍主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)與工程類比，對不同規(guī)格管棚的支護(hù)效果的量化研究尚比較缺乏。

在實(shí)際工程中，大量學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法來模擬管棚預(yù)支護(hù)效果[7-8]，主要是通過提高土體參數(shù)來考慮管棚加固的作用，將管棚及注漿圍巖作為加固的巖體來做數(shù)值計(jì)算。在管棚預(yù)支護(hù)機(jī)理方面，通常采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法來計(jì)算其支護(hù)剛度，例如簡單的梁模型、簡單模式彈性地基梁模型[9]和剛性固定端Winkler彈性地基梁模型[10-11]。已有管棚預(yù)支護(hù)機(jī)理方面的研究主要是數(shù)值模擬和彈性地基梁理論，鮮見針對大斷面軟巖隧道超前支護(hù)施工中常用的2種(Φ76和Φ108)管棚支護(hù)效果方面的研究。

本文采用雙參數(shù)地基梁模型，對大斷面淺埋軟巖隧道管棚的受力機(jī)制進(jìn)行分析，對比Φ76和Φ108管棚受力變形特點(diǎn)。然后將研究成果應(yīng)用到云南大永高速公路大斷面軟巖隧道下穿既有公路工程中，為隧道超前支護(hù)方案變更提供了依據(jù)，以保障隧道成功下穿。

2 管棚預(yù)加固作用機(jī)理

在隧道開挖過程中，隧道開挖未支護(hù)時掌子面附近管棚受力最為不利，此時鋼管縱向變形最大，其內(nèi)力也最大。應(yīng)用雙參數(shù)彈性地基梁模型[11]分析管棚受力機(jī)制，選取單根鋼管為研究對象，模型原理如圖1所示。

圖1(a)可知，管棚全段主要分為4段，即由AB、BC、CD和DE。AB段已開挖支護(hù)，B端看作具有一彈性固定端，有初始轉(zhuǎn)角θ0和撓度ω0。BC段已開挖未支護(hù)，管棚僅受上覆圍巖壓力q(x)。CD段未開挖松弛，管棚既受圍巖壓力q(x)，又有彈性抗力p(x)。DE段未受擾動段，管棚僅受變形引起的p(x)作用。管棚受力模型如圖1(b)所示，坐標(biāo)原點(diǎn)為B端點(diǎn)，h為隧道開挖高度，AB、BC和CD段長度分別為a、s、d，其中d=htan(45°-φ/2)，φ為圍巖內(nèi)摩擦角。管棚撓曲微分方程[15]可由彈性地基梁理論推導(dǎo)如下：

(a)管棚全段組成

(1)

式中：ω(x)為管棚的撓度；E為管棚的彈性模量；I為管棚的慣性矩；k為基床系數(shù)；Gp為地基剪切模量；b為彈性地基梁寬度；b*為考慮雙參數(shù)地基連續(xù)性情況下梁的等效寬度，b*=b[1+(Gp/k)1/2/b]；q(x)為圍巖壓力，可視為均布荷載q0，根據(jù)公式(1)可得到管棚各段控制方程。

本文針對大斷面淺埋軟巖隧道管棚進(jìn)行受力分析，結(jié)合文獻(xiàn)[11]提出的雙參數(shù)彈性地基梁模型，采用其計(jì)算方法可得到管棚各段撓度方程，管棚的轉(zhuǎn)角、彎矩和剪力可由以下公式得到：

(2)

根據(jù)大斷面淺埋軟巖隧道的實(shí)際條件，隧道參數(shù)：隧道埋深H=11 m，隧道上臺階開挖高度h=5 m，隧道單次進(jìn)尺s=1.2 m，彈性固定端B的初始撓度ω0=10 mm、初始轉(zhuǎn)角θ0=1°，計(jì)算零點(diǎn)選為圖1中B端點(diǎn)，計(jì)算范圍取x=0～L；管棚參數(shù)：管棚間距b=0.3 m，梁寬度b對Φ108管棚取b=108 mm，對Φ76管棚取b=76 mm，管棚彈性模量經(jīng)過等效計(jì)算為E=93 GPa；圍巖參數(shù)：圍巖基床系數(shù)k=1.8×104kN/m3，地基剪切模量Gp=0.5×104kN/m，容重γ=20 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=20°，管棚縱向撓度、基底反力和彎矩可由編制的Matlab語言程序進(jìn)行計(jì)算，三者結(jié)果分別如圖2所示。

從圖2(a)可以看出，隧道開挖過程中，管棚撓度總體分布形式為凹槽形，且管棚撓度最大值發(fā)生在開挖面附近，隨著掌子面不斷開挖，管棚撓度峰值會不斷增大并沿著掌子面開挖方向前移。Φ108和Φ76管棚最大撓度分別約為18、28 mm，前者比后者管棚撓度減小約36%，兩者隧道開挖縱向影響范圍約為4 m，接近1倍開挖高度。

從圖2(b)可以看出，在開挖面前方6 m以外地基反力基本為零，而開挖面附近0～3 m，圍巖壓力明顯小于地基反力，說明管棚起到梁支撐的作用，將上部荷載傳遞到已開挖隧道初支結(jié)構(gòu)及掌子面前方圍巖，較好地調(diào)節(jié)了圍巖應(yīng)力，從而提高掌子面圍巖的穩(wěn)定性。

從圖2(c)可以看出，管棚受力與其撓度呈對應(yīng)關(guān)系，管棚彎矩主要集中在開挖面4 m范圍內(nèi)，4 m外管棚彎矩趨近于零，其中掌子面開挖段主要以負(fù)彎矩為主，掌子面前方彎矩先正后負(fù)(管棚上部受拉為正彎矩)，Φ108和Φ76管棚彎矩分布規(guī)律基本一致，兩者最大彎矩分別為18.1、10.3 kN·m。

(a)管棚撓度計(jì)算曲線

綜上可知：

a.管棚的受力和變形主要集中在掌子面前4 m范圍內(nèi)，管棚的梁支撐作用效果明顯，采用Φ108管棚比采用Φ76管棚的最大撓度減小約36%。

b.超前管棚將上部荷載傳遞到已開挖隧道初支結(jié)構(gòu)及掌子面前方圍巖，起到梁支撐的作用，從而提高掌子面圍巖的穩(wěn)定性，而采用Φ108管棚能承擔(dān)更多的上部圍巖壓力，更好地控制圍巖位移。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

甸頭隧道位于大永高速公路的大理至賓川段，設(shè)計(jì)為分離式雙向六車道公路隧道，隧道總長1 434 m。隧道凈寬15.4 m，凈高5.0 m，左右幅隧道凈距離約為隧道凈寬2倍，屬于超大斷面小凈距隧道。該隧道與上覆二級公路有兩處交叉，左右幅隧道交叉埋深分別為10 m和14 m，具體概況見文獻(xiàn)[12]。

在隧道和上方既有公路交叉段進(jìn)口段(大里程)和出口(小里程)布置鉆孔(如圖3所示)，地層分布情況繪制如圖4所示。圖4中的橫坐標(biāo)代表鉆孔編號，縱坐標(biāo)代表埋深。隧道與公路交叉段上覆巖層自上至下主要為路基碎石、歷史填土和強(qiáng)風(fēng)化破碎玄武巖，圍巖處于V級，巖(土)層非常軟弱，加上該隧道開挖斷面較大，施工過程極易出現(xiàn)大變形、坍塌等災(zāi)害。

圖3 地質(zhì)鉆孔示意圖

(a)進(jìn)口斷面(大里程)

3.2 施工方案

甸頭隧道下穿大西二級公路段采用三臺階法進(jìn)行施工。隧道采用復(fù)合式襯砌支護(hù)，具體的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 復(fù)合式襯砌支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)Table1 Designparametersofcompositeliningsupport支護(hù)名稱設(shè)計(jì)參數(shù)超前管棚φ108mm×6,L=15m@=30cm,α=12°超前小導(dǎo)管φ42mm×4,L=5.0m@=40cm,α=5°^15°初支噴射混凝土C30,厚度29cm、徑向錨桿L=4.5m,@=1.0m×0.6m、鋼筋網(wǎng)8@150mm×150mm及工字鋼@=50cm二襯C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),厚度70cm

超前管棚將鋼管沿隧道的開挖輪廓線外側(cè)固定位置鉆孔打入巖土體內(nèi)，與鋼拱架組合形成預(yù)支護(hù)加固體系，用來承擔(dān)上覆圍巖荷載，最后通過注漿加固圍巖，掌子面前方松散圍巖加固密實(shí)，從而提高圍巖的自穩(wěn)能力。超前管棚和超前小導(dǎo)管均設(shè)置于襯砌拱部約120°范圍，鋼架之間用縱向鋼筋連接，徑向錨桿與鋼筋網(wǎng)焊為一體，與圍巖密貼，形成承載結(jié)構(gòu)，以確保隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。支護(hù)措施見圖5和圖6。

圖5 穿越段襯砌斷面示意圖(單位:cm)

圖6 超前支護(hù)措施縱斷面示意圖

由于隧道穿越段地質(zhì)條件較差，施工方?jīng)Q定采用三臺階法施工。因此，開挖進(jìn)尺為0.6～1.2 m每循環(huán)，采用機(jī)械開挖，以確?，F(xiàn)場施工安全。

3.2 監(jiān)測方案

根據(jù)隧道上方的公路通車情況、埋設(shè)條件和周邊情況等，制定隧道右幅地表沉降監(jiān)測總體布置圖(詳見圖7)。在隧道右線K7+045斷面、K7+028斷面和K7+025～K7+001范圍布設(shè)了地表沉降監(jiān)測點(diǎn)。本文主要選取D24、D25測點(diǎn)和K7+045斷面的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中，D24和D25分別位于Φ108和Φ76管棚有效支護(hù)范圍內(nèi)。

圖7 右幅地表沉降監(jiān)測布置示意圖

3.3 監(jiān)測結(jié)果分析

為保證隧道順利貫通，2017年11月1日，結(jié)合理論計(jì)算和現(xiàn)場情況，由原設(shè)計(jì)方案Φ76管棚超前支護(hù)改為Φ108管棚超前預(yù)支護(hù)。支護(hù)方案調(diào)整后，地表變形和變形速率均得到了有效控制。2017年12月8日至12月9日期間，由于隧道交叉段已過，施工方在右幅K7+020位置按照Φ76管棚進(jìn)行超前加固。隧道開挖過程右幅交叉段設(shè)有多個監(jiān)測斷面，具體分析如下。

a.K7+045斷面地表監(jiān)測結(jié)果及分析。

從圖8地表沉降的變形速率來看，10月17日掌子面通過監(jiān)測斷面K7+045后地表沉降才開始緩慢增長。由于右幅隧道施工過程中在K7+050樁號進(jìn)行Φ76管棚超前支護(hù)，進(jìn)尺控制在1.2 m/d，掌子面開挖經(jīng)過該斷面后7 d內(nèi)單日下沉量最大值為3.22 mm/d，對應(yīng)第Ⅰ階段上升段。針對該情況調(diào)整超前支護(hù)方案，將Φ76管棚更改為Φ108管棚，施工方在右洞K7+041.2樁號掌子面進(jìn)行Φ108管棚預(yù)加固，隧道單日開挖進(jìn)尺控制在1.2 m，每天的下沉變形量在1.0 mm左右，變形速率呈明顯減小趨勢，表現(xiàn)為第Ⅱ階段即水平段。隧道超前支護(hù)方案由Φ76管棚改為Φ108管棚后，地表最大沉降速率由3.22 mm/d降為1 mm/d，針對大斷面淺埋軟巖公路隧道，Φ108管棚超前支護(hù)更為合理有效。圖8中第Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段分別為中臺階開挖、下臺階開挖和仰拱支護(hù)封閉成環(huán)階段。

圖8 右幅K7+045斷面拱頂?shù)乇沓两蹬c時間開挖關(guān)系

b.K7+025～K7+017斷面地表監(jiān)測結(jié)果及分析。

圖9繪制了D25和D24測點(diǎn)地表沉降與時間、開挖的關(guān)系曲線。可以看出：①在Φ76和Φ108管棚支護(hù)下，隧道開挖過程中，掌子面的推進(jìn)呈臺階形，相應(yīng)的拱頂?shù)乇沓两登€形態(tài)也呈現(xiàn)臺階形。②Φ76和Φ108管棚支護(hù)下的拱頂?shù)乇碜罱K沉降值分別為170.4、105.7 mm。③從沉降速率來看，Φ76和Φ108管棚支護(hù)下拱頂?shù)乇碜畲蟪两邓俾史謩e為16.2、13.9 mm/d。結(jié)合現(xiàn)場圍巖地質(zhì)條件可知，主要是因?yàn)樗淼勒谱用鎳鷰r巖性較差，多為回填土，導(dǎo)致兩種管棚超前支護(hù)的拱頂?shù)乇碜畲蟪两邓俾识计蟆?/p>

(a)D25(Φ76管棚)

圖10繪制了Φ76和Φ108管棚預(yù)支護(hù)下拱頂?shù)乇沓两蹬c測點(diǎn)離掌子面距離的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，右幅隧道掌子面開挖經(jīng)過地表測點(diǎn)過程，Φ76管棚預(yù)支護(hù)下地表變形較為敏感，而Φ108管棚預(yù)支護(hù)下地表變形很小。當(dāng)掌子面分別開挖經(jīng)過D24和D25兩測點(diǎn)時，Φ108和Φ76管棚預(yù)支護(hù)下拱頂?shù)乇沓两捣謩e為2.9、12.5 mm，分別占其最終沉降量的2.7%和7.3%。綜上，Φ108管棚相比Φ76管棚最大拱頂?shù)乇沓两抵禍p少38%左右，Φ108管棚預(yù)支護(hù)可以有效控制地表沉降量和沉降速率，保證圍巖穩(wěn)定。監(jiān)測結(jié)果表明針對大斷面淺埋軟弱隧道，相比Φ76管棚施工方案，采取Φ108管棚施工方案更為合理有效，與理論計(jì)算結(jié)果較為一致。

圖10 拱頂?shù)乇沓两蹬c測點(diǎn)離掌子面距離的關(guān)系

4 結(jié)論

a.應(yīng)用雙參數(shù)彈性地基梁模型分析大斷面淺埋軟弱隧道管棚支護(hù)效果是可行的，管棚的受力和變形主要集中在掌子面前4 m范圍，管棚的梁支撐作用明顯，Φ108比Φ76管棚撓度減小約36%。

b.超前管棚將上部荷載傳遞到已開挖隧道初支結(jié)構(gòu)及掌子面前方巖土體，起到梁支撐的作用，有效控制上方圍巖的松弛變形和應(yīng)力釋放，從而提高掌子面圍巖的穩(wěn)定性，采用Φ108管棚比采用Φ76管棚可以更好地控制圍巖位移，降低掌子面初支難度，其預(yù)支護(hù)效果要明顯優(yōu)于Φ76管棚。

c.理論分析和現(xiàn)場監(jiān)測分析的結(jié)果較為一致，工程應(yīng)用表明，將Φ76管棚更換為Φ108管棚后，拱頂?shù)乇碜畲蟪两抵禍p少了38%，理論計(jì)算得管棚撓度減少值為36%，兩者結(jié)果較為吻合，采用變更方案后，地表變形得到了較好控制，保障了施工安全。