考慮動(dòng)態(tài)施工超長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)力學(xué)特性及參數(shù)影響分析*

曹成威，石鈺鋒，詹 濤，范軍琳，陽(yáng)軍生，徐騰飛

(1.華東交通大學(xué) 江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013；2.南昌軌道交通集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330038；3.中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070；4.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

0 引言

管棚法作為淺埋暗挖隧道常用輔助方法，在防止隧道塌方和控制圍巖變形方面發(fā)揮重要作用，但在工程設(shè)計(jì)中主要以經(jīng)驗(yàn)和工程類比法為主[1-5]。尤其針對(duì)復(fù)雜地層隧道下穿既有建筑物情況，管棚預(yù)支護(hù)隨動(dòng)態(tài)施工其力學(xué)機(jī)制較為復(fù)雜，為控制變形和保障施工安全，參數(shù)合理化選擇顯得格外重要。

目前，管棚預(yù)支護(hù)研究方法主要有力學(xué)解析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算。在力學(xué)解析方面：鄭俊杰等[6]建立變基床系數(shù)下管棚的地基梁模型，發(fā)現(xiàn)管棚力學(xué)行為與開挖面位置、開挖進(jìn)尺及巖體泊松比等因素相關(guān)；王道遠(yuǎn)等[7]基于彈性地基梁理論，探討管棚幾何和力學(xué)參數(shù)對(duì)支護(hù)效果影響。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方面：Ibrahim[8]、Song等[9]分別通過(guò)室外、室內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，管棚能夠有效減小地表沉降；耿大新等[10]通過(guò)對(duì)管棚內(nèi)力進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)管棚受力為掌子面前方受拉、后方受壓、靠近洞口受拉，呈波形分布。在數(shù)值計(jì)算方法方面：陶祥令等[11]以地鐵淺埋暗挖隧道為背景，選用合適的數(shù)值模型對(duì)管棚結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析，研究其對(duì)地表沉降和拱頂沉降的影響；武松等[12]基于數(shù)值法研究超前管棚作用機(jī)制，同時(shí)開展室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，探究2種不同直徑管棚支護(hù)效果，并成功指導(dǎo)高速公路大斷面軟巖公路隧道下穿既有公路工程。目前，有關(guān)管棚力學(xué)機(jī)制的研究比較復(fù)雜，影響因素較多，尤其對(duì)超長(zhǎng)管棚動(dòng)態(tài)施工影響關(guān)注度較低，復(fù)雜地層中管棚合理化參數(shù)選擇缺乏依據(jù)。

鑒于此，本文依托某下穿高速公路淺埋暗挖隧道工程，建立三維動(dòng)態(tài)數(shù)值模型，通過(guò)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析超長(zhǎng)管棚隨動(dòng)態(tài)施工過(guò)程受力和變形行為特點(diǎn)，探究超長(zhǎng)管棚在不同直徑、間距、加固層厚度和開挖進(jìn)尺等多因素下對(duì)隧道穩(wěn)定性影響，研究結(jié)果可為類似工程施工和設(shè)計(jì)提供合理化參數(shù)。

1 工程概況

某鐵路隧道下穿既有高速公路，隧道與高速公路中線夾角約45°，隧道埋深6～8 m，土層由上至下依次為膨脹土和灰?guī)r，地下水位在隧道輪廓線以下，屬于典型上軟下硬復(fù)雜地層。為減小隧道開挖對(duì)高速公路影響，采用一次性跟管鉆進(jìn)85 m超長(zhǎng)直徑159 mm管棚進(jìn)行超前預(yù)支護(hù)。隧道斷面支護(hù)示意如圖1所示。

圖1 隧道斷面支護(hù)示意

沿隧道外輪廓進(jìn)行水平導(dǎo)向鉆孔施作管棚，通過(guò)鋼管梅花孔進(jìn)行注漿，注漿材料為M30水泥砂漿液，水灰比為1∶1，注漿壓力控制低于0.4 MPa，管棚外插角為0°，內(nèi)插3根?18鋼筋束，砂漿填充。隧道采用三臺(tái)階預(yù)留核心土開挖方式，上臺(tái)階開挖進(jìn)尺2 m，核心土預(yù)留長(zhǎng)度4～6 m，每開挖下一步之前施作好支護(hù)，初支采用雙層加強(qiáng)型鋼架，C25噴混厚0.55 m，二襯為C35噴混厚度0.30 m。

為掌握管棚預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力和變形實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)情況，采用應(yīng)變計(jì)對(duì)隧道中線頂部管棚進(jìn)行監(jiān)測(cè)，水泥砂漿和管棚視為緊密填充，認(rèn)為鋼管和水泥砂漿符合應(yīng)變協(xié)調(diào)方程。管棚監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。同時(shí)，為對(duì)既有高速公路進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)于道路與隧道投影交點(diǎn)斷面，監(jiān)測(cè)點(diǎn)向兩側(cè)每間隔3 m布設(shè)測(cè)點(diǎn)，共布設(shè)9個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖2 管棚測(cè)點(diǎn)布置

2 數(shù)值計(jì)算模型

2.1 模型建立

采用Midas/GTS有限元軟件進(jìn)行建模，為減小邊界效應(yīng)影響，模型寬度取大于5倍洞徑，縱向長(zhǎng)度取管棚相當(dāng)長(zhǎng)度，隧道網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圍巖采用三維實(shí)體單元模擬，本構(gòu)按照Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則考慮，注漿加固區(qū)用實(shí)體單元，管棚采用梁?jiǎn)卧踔Ш投r采用板單元模型，開挖完1個(gè)進(jìn)尺隨即施加支護(hù)。四周約束法向位移，底部為固定約束，為模擬洞口處套拱對(duì)管棚影響，約束管棚進(jìn)洞端位移和轉(zhuǎn)角形成固定端。由于隧道在施工期間上方高速公路車輛交通采取繞行措施，高速公路路面暫不考慮汽車荷載作用影響。

2.2 材料參數(shù)確定

鋼管、鋼筋束、砂漿參數(shù)可通過(guò)標(biāo)號(hào)參數(shù)直接獲取，最終管棚剛度和重度可根據(jù)等效剛度和重度計(jì)算，如式(1)～(2)所示：

E(I1+I2+I3)=E1I1+E2I2+E3I3

(1)

γ(A1+A2+A3)=γA1+γA2+γA3

(2)

式中：E為管棚等效剛度，GPa；γ為管棚重度，kN/m3；E1，E2，E3分別為鋼管、砂漿和鋼筋的彈性模量，GPa；

I1，I2，I3分別為鋼管、砂漿和鋼筋的慣性矩，m4；γ1，γ2，γ3分別為鋼管、砂漿和鋼筋的重度，kN/m3；A1，A2，A3分別為鋼管、砂漿和鋼筋斷面面積，m2。

圍巖土層參數(shù)通過(guò)地質(zhì)報(bào)告可直接獲取，注漿加固區(qū)強(qiáng)度參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所取注漿后巖體參數(shù)測(cè)得。其中，最終參數(shù)把管棚按照面積等效法折算到加固區(qū)土層，加固厚度值依據(jù)漿液擴(kuò)散半徑和注漿孔半徑得到[13-14]，如式(3)所示：

D=2[R2-(S/2)2]0.5

(3)

式中：D為加固層厚度，m；S為相鄰注漿孔間距，m；R為漿液擴(kuò)散半徑，R=(0.6～0.7)S，m。

初期支護(hù)通過(guò)等效方法把型鋼鋼架折算給噴混結(jié)構(gòu)[15]，如式(4)所示：

(4)

式中：E為復(fù)合彈性模量，GPa；E0為原噴混彈模，GPa；Ag為鋼架截面積，m2；Es為鋼架彈模，GPa；Ac為噴混截面積，GPa。最終數(shù)值模型計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模型計(jì)算參數(shù)

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和計(jì)算結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模型結(jié)果驗(yàn)證

現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)和數(shù)值結(jié)果對(duì)比如圖4所示(隧道中線與公路投影交點(diǎn)所在斷面)。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)和數(shù)值結(jié)果對(duì)比

由圖4可知，實(shí)測(cè)沉降槽范圍略大于模擬結(jié)果，但2者數(shù)值相差較小，且當(dāng)隧道掌子面到達(dá)所在測(cè)點(diǎn)時(shí)，地表沉降值達(dá)到最大。模擬結(jié)果顯示該數(shù)值模型具有較好的適用性。

管棚中性軸應(yīng)變結(jié)果對(duì)比如圖5所示。由圖5可知，管棚應(yīng)變整體呈波浪形分布，實(shí)測(cè)值總體趨勢(shì)與數(shù)值模擬結(jié)果一致，最大應(yīng)變發(fā)生在掌子面附近，以掌子面為界大體可分為前方受拉區(qū)、后方受壓區(qū)、靠近洞口受拉區(qū)3個(gè)區(qū)段，與前人研究結(jié)果一致，驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性。

圖5 管棚應(yīng)變監(jiān)測(cè)和數(shù)值結(jié)果對(duì)比

3.2 管棚變形與受力分析

1)管棚撓度分析

拱頂部管棚和拱腰部管棚撓度對(duì)比曲線如圖6所示。由圖6可知，撓度曲線整體呈魚腹形分布，隨開挖進(jìn)尺增加，撓度曲線凹槽不斷向前和向下推移，當(dāng)開挖進(jìn)尺相同時(shí)，拱腰部管棚撓度峰值和曲線范圍均小于拱頂部管棚，最大值發(fā)生在掌子面附近。其中，隨后方初支和二襯結(jié)構(gòu)施作，拱頂部管棚撓度峰值穩(wěn)定于10.7 mm，拱腰部管棚撓度峰值穩(wěn)定于2.9 mm，且在掌子面后方區(qū)域管棚撓度值略有減小，即管棚出現(xiàn)小范圍回彈，說(shuō)明隧道后期支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)上部圍巖壓力，管棚起到良好的預(yù)支護(hù)效果。

圖6 管棚撓度曲線

2)管棚軸力分析

為分析管棚隨隧道開挖受力變化情況，同時(shí)考慮管棚所處位置不同的響應(yīng)差異，在模型中選取代表性測(cè)點(diǎn)進(jìn)行受力分析，測(cè)點(diǎn)提取示意如圖7所示。

管棚各測(cè)點(diǎn)軸力隨施工過(guò)程中隧道開挖進(jìn)尺量如圖8所示。由圖8可知，對(duì)于拱頂部管棚，當(dāng)隧道開挖進(jìn)尺較小時(shí)，管棚所受軸力較小，開挖面未達(dá)測(cè)點(diǎn)時(shí)，隨進(jìn)尺增加，管棚受拉力數(shù)值逐漸增大；達(dá)到一定峰值時(shí)，管棚軸力由受拉轉(zhuǎn)向受壓，當(dāng)開挖面通過(guò)各測(cè)點(diǎn)時(shí)，受壓區(qū)軸力值逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定趨勢(shì)。對(duì)于拱腰部管棚，軸力隨施工變化曲線規(guī)律與拱頂部管棚大體一致，但受拉和受壓峰值相對(duì)較平緩，總體表現(xiàn)為開挖面距離測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)管棚受拉力，當(dāng)靠近測(cè)點(diǎn)時(shí)軸力轉(zhuǎn)向受壓。隨動(dòng)態(tài)施工進(jìn)行，管棚各測(cè)點(diǎn)經(jīng)歷由受拉到受壓的變化過(guò)程，且拱頂部管棚受力更大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更為明顯。

3)管棚彎矩分析

管棚彎矩隨隧道開挖曲線如圖9所示。由圖9可知，隨隧道開挖掌子面推進(jìn)，彎矩作用范圍逐漸向前擴(kuò)張，管棚長(zhǎng)度方向受力范圍逐級(jí)推進(jìn)。在掌子面處，管棚彎矩為負(fù)值，向下發(fā)生撓曲變形，原因是管棚承受隧道開挖臨空面上方豎向荷載，使其向前后兩端傳遞荷載，以保障開挖面圍巖穩(wěn)定性；在橫向上，掌子面拱頂處管棚彎矩值在-18～16 kN·m范圍內(nèi)浮動(dòng)，拱腰處管棚彎矩值在-8～7 kN·m范圍浮動(dòng)，拱腰部管棚彎矩整體小于拱頂部管棚，隨開挖進(jìn)尺增大2者彎矩規(guī)律相似；管棚最大彎矩發(fā)生在洞口套拱處，最大值超過(guò)35 kN·m。因此，在施工過(guò)程應(yīng)嚴(yán)格把控套拱質(zhì)量，必要時(shí)對(duì)套拱做加強(qiáng)處理，以保證管棚預(yù)支護(hù)效果。

圖9 管棚彎矩曲線

4 參數(shù)影響分析

由于地下巖土體復(fù)雜多變，為尋求科學(xué)合理化參數(shù)以實(shí)現(xiàn)安全和效益共贏，針對(duì)管棚自身參數(shù)對(duì)支護(hù)效果的影響展開研究。

4.1 管棚直徑影響

假定管棚各參數(shù)不變，只分析管棚直徑對(duì)其支護(hù)效果影響，為契合實(shí)際工程，選用工程常用直徑參數(shù)89，108，129，159，219，300 mm進(jìn)行分析，同時(shí)考慮不同開挖進(jìn)尺影響，分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 管棚直徑影響分析結(jié)果

由圖10可知，隨管棚直徑增加，最大地表沉降和管棚撓度有效減小。當(dāng)管棚直徑超過(guò)159 mm時(shí)，單獨(dú)增大直徑，支護(hù)效果提高不明顯；且隨1次開挖進(jìn)尺增加，最大沉降和最大撓度值均增大，即管棚支護(hù)效果降低，尤其開挖進(jìn)尺大于2 m后，影響程度更為顯著；考慮施工進(jìn)度、鉆孔難度和造價(jià)因素，當(dāng)管棚直徑在129～159 mm、開挖進(jìn)尺在1～2 m時(shí)，其預(yù)支護(hù)效果較為合理。

4.2 管棚間距影響

管棚間距對(duì)其支護(hù)效果影響如圖11所示，隨管棚間距增大，最大地表沉降和管棚撓度增大，當(dāng)管棚間距大于0.5 m時(shí)，增大間距對(duì)隧道影響較大，當(dāng)間距小于0.4 m時(shí)，減小管棚間距對(duì)支護(hù)效果不明顯，綜合考慮間距在0.4～0.5 m比較合適。相同間距條件下，隨1次開挖進(jìn)尺增加，其沉降和撓度隨之增大，這是由于管棚間距較大，預(yù)支護(hù)形成上部拱效應(yīng)降低支撐效果，相較于地表沉降影響，間距對(duì)管棚撓度敏感性更高。

圖11 管棚間距影響分析結(jié)果

4.3 注漿區(qū)厚度影響

管棚注漿加固厚度對(duì)隧道穩(wěn)定影響如圖12所示，當(dāng)加固區(qū)厚度小于0.4 m時(shí)，注漿區(qū)厚度變化對(duì)地層沉降和管棚撓度影響較大，當(dāng)管棚不注漿時(shí)，最大地表沉降和管棚最大撓度分別超過(guò)15 mm和38 mm。當(dāng)注漿區(qū)厚度大于0.5 m時(shí)，開挖進(jìn)尺對(duì)支護(hù)能力影響較小。綜上，管棚注漿區(qū)厚度和開挖進(jìn)尺存在1個(gè)最優(yōu)值，可使控制地層變形和施工效益達(dá)到某種平衡。分析結(jié)果表明，1次開挖進(jìn)尺為1～2 m、注漿區(qū)厚度為0.4～0.5 m為最佳取值參數(shù)范圍。

圖12 注漿區(qū)厚度影響分析結(jié)果

5 結(jié)論

1)通過(guò)三維有限元建模分析，地表沉降、管棚應(yīng)變數(shù)值結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合程度較好，并與前人研究成果相互印證，證明數(shù)值模型的適用性和可靠性。

2)管棚撓度曲線整體呈魚腹形分布，隨進(jìn)尺增加呈向前發(fā)展趨勢(shì)，拱頂部管棚撓度穩(wěn)定在10.7 mm，拱腰部管棚撓度穩(wěn)定在2.9 mm，且在掌子面后方區(qū)域出現(xiàn)小范圍回彈，說(shuō)明管棚起到良好的預(yù)支護(hù)效果。

3)動(dòng)態(tài)施工過(guò)程中，隨開挖面距離管棚測(cè)點(diǎn)距離由遠(yuǎn)即近，各測(cè)點(diǎn)受力變化為由受拉力變?yōu)槭軌毫ψ饔?，拱頂部?dòng)態(tài)響應(yīng)更明顯；管棚彎矩主要集中于開挖面前后區(qū)域，隨開挖面推進(jìn)作用范圍逐級(jí)擴(kuò)張，最大彎矩發(fā)生在洞口套拱處，施工應(yīng)嚴(yán)格把控套拱質(zhì)量，以保證發(fā)揮管棚預(yù)支護(hù)承載能力。

4)管棚直徑、間距、注漿加固區(qū)厚度、開挖進(jìn)尺均會(huì)影響隧道穩(wěn)定性，當(dāng)隧道采用短進(jìn)尺開挖時(shí)，管棚直徑取129～159 mm、管棚間距0.4～0.5 m、注漿加固區(qū)厚度0.4～0.5 m時(shí)圍巖變形和管棚撓度值控制在科學(xué)合理范圍，可保證上方高速公路安全。