隧道洞口淺埋段管棚超前支護開挖進尺優化

滿 帥，孔 超，王海彥

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點試驗室，西南交通大學土木工程學院，成都 610031;2.石家莊鐵路職業技術學院，石家莊 050041)

隧道洞口淺埋段管棚超前支護開挖進尺優化

滿 帥1，孔 超1，王海彥2

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點試驗室，西南交通大學土木工程學院，成都 610031;2.石家莊鐵路職業技術學院，石家莊 050041)

山嶺隧道礦山法施工循環作業的開挖進尺對該隧道工程局部乃至整體的施工安全性、經濟性有著重大影響。針對使用管棚超前支護的隧道洞口淺埋段，采用Winkler彈性地基梁計算模型，以管棚鋼管撓度為控制條件進行開挖進尺優化分析。以廈深高速鐵路某雙線隧道工程為依托，首先進行理論計算，同時考慮工程實際確定最優開挖進尺并指導施工，隨后將現場實測數據與理論解析值對比，兩者有較好的一致性。結果表明，Winkler彈性地基梁計算模型可以較真實地反映管棚在洞口淺埋段軟弱破碎圍巖中的力學行為。

鐵路隧道;管棚超前支護;Winkler彈性地基梁;開挖進尺優化

1 概述

管棚超前支護技術指在開挖前沿隧道外輪廓打設超前長鋼管并注漿，在拱頂范圍內形成殼狀受力結構。管棚體系在地層中發揮梁效應和加強效應［1］，從而可有效抑制隧道洞口崩塌、保證拱頂穩定，控制圍巖先行位移和地表下沉。由于其可靠性高，該技術已經在各種復雜、軟弱地質條件下的隧道工程中得到廣泛應用。

對于管棚的作用機理，近年來國內外學者對此進行了大量研究。現場試驗方面研究主要包括:黃土條件下淺埋段管棚受力監測研究［2］、連拱隧道雙層管棚監測研究［3］;在管棚受力機理方面也有解析及數值模擬分析［4-6］的研究，其中茍德明［7］等提出了淺埋暗挖隧道中管棚雙參數彈性地基梁受力模型的計算方法。但尚缺乏基于管棚超前支護條件下進行合理的開挖進尺優化分析。確定合理的開挖進尺可在工程的安全性和經濟性之間找到平衡點，對科學施工有重要的指導意義。

開挖進尺優化分析可歸結于對管棚鋼管力學行為的研究。由于山嶺隧道洞口段圍巖條件一般較差，埋深淺且地層破碎，地層共同作用不明顯，Winkler地基模型能夠較好地反映真實地層的力學性質。為了避免數值模擬中的人為隨意性(數值模擬一般采用提高土體參數的方法來間接考慮管棚作用，但參數的提高幅度只能依據人為經驗估計確定)和文獻［7］中數學模型的復雜性，本文利用經典Winkler彈性地基梁計算模型并考慮初期支護滯后效應，通過控制管棚鋼管豎向位移得出合理開挖進尺評價方法。

最后以廈深高速鐵路某隧道工程洞口段施工為實例，首先進行開挖進尺優化分析，進而指導實際施工。并將理論解與實測數據對比分析，兩者較為吻合。這說明此分析方法可適用于隧道洞口淺埋段開挖進尺優化分析。

2 力學模型的建立

在一個典型的施工循環中，根據力學行為的不同，沿縱向可以將管棚鋼管分為4個區段，如圖1所示:已支護區段AB、未支護區段BC(即開挖進尺區段，s為開挖進尺)、開挖面前方土體松動區段CD，以及未松動區段DE。因為洞口淺埋段圍巖自承能力差，管棚受力比較明確。因此分析中不考慮鋼管上部巖土體與鋼管的相互作用。在巖土體未受擾動的DE段之前，鋼管受到上覆巖土體重力q(x)作用;CE段尚未開挖的巖土體施加給鋼管彈性抗力p(x)。

圖1 管棚鋼管受力分析

2.1 基本假定

在建立管棚力學模型時，做如下假定。

(1)假定鋼管為作用在Winkler地基上的梁。根據這個假設，外荷載與位移之間的關系為

式中，k為地基土體彈性抗力系數;ω(x)為地基位移。

(2)管棚的彎曲變形不考慮橫向剪切變形的影響、薄膜效應等，忽略管棚與圍巖之間的摩擦力。

(3)在開挖面附近較短范圍，隧道埋深H及地質條件變化不大，可將管棚承受圍巖壓力q(x)看作均布荷載。

(4)鋼管上部的荷載q(x)可以根據泰沙基公式確定，即

式中，b1=b+htan(45°-φ/2)，b為隧道開挖寬度的一半;γ為圍巖重度;K0為側壓力系數;H為洞頂圍巖厚度;h為隧道開挖高度;c為黏聚力;φ為內摩擦角;q為地面荷載;δ為管棚環向間距。

(5)假設破裂面始于開挖面且與水平面夾角(45°+φ/2)，則開挖面前方管棚受力段長度 d=htan(45°-φ/2)。

2.2 建立力學模型

根據以上假定，鑒于鋼管通常打設長度15～30 m，隧道開挖面距大管棚前端較遠，開挖影響范圍未達到管棚前端，此時可將管棚鋼管視為Winkler半無限長彈性地基梁。

綜上，鋼管受力的力學模型如圖2所示。

圖2 鋼管力學模型

3 解析方法

3.1 建立微分方程

根據力學模型，由Winkler彈性地基梁理論可得管棚的撓曲微分方程為

式中，b為每根管棚鋼管作用范圍，可取0.3 m。

由(4)式得各區段撓曲微分方程

3.2 解微分方程

上述微分方程的通解為

并且整理后有下面的方程組成立

解方程組可得待定系數 B1、B2、B7、B8，從而可計算出鋼管各段的撓曲方程。

4 開挖進尺優化評價方法

合理的開挖進尺即為在第一步開挖完成且還未施做支護時，能夠依靠鋼管的承載能力保證圍巖的穩定性，不致使拱頂等處發生過大位移。故以下通過控制管棚鋼管最大豎向位移來得到合理的開挖進尺。

由圖2可見，沿鋼管縱向最大豎向位移必出現在BD段，同時考慮初期支護的滯后效應(初期支護施作后不能立即產生力學效應)會進一步加劇鋼管變形，結合鐵路隧道設計規范［8］中關于拱頂下沉限值的規定，可確定某鐵路山嶺隧道洞口淺埋段管棚超前支護鋼管豎向位移的限值［ω］。當在某個開挖進尺下計算出的鋼管豎向位移小于［ω］時，認為該開挖進尺下施工是安全可行的。

在安全的前提下盡量增大一次施工循環的開挖進尺，將很大程度上提高施工的經濟合理性。

5 工程實例

5.1 工程概況

廈深高速鐵路某雙線隧道開挖面積達156.4 m2，隧道洞口段平均埋深僅為20 m，圍巖破碎，屬于Ⅴ級圍巖，進洞施工難度大。為了確保施工過程中的安全，經過專家論證和方案的反復比選，決定采用管棚超前預加固聯合鋼格柵拱架并噴混凝土施工方法。管棚采用φ89 mm×6 mm無縫鋼管，長度為30 m，環向間距40 cm。鋼管內灌注水泥漿，水泥漿水灰比為1∶0.5，注漿壓力為0.5～1.0 MPa。格柵拱架間距0.8 m。

5.2 理論計算

在實際進洞施工前，通過Winkler彈性地基梁模型計算得到最優開挖進尺，以便隨后指導施工從而優化工程的安全性與經濟性。

5.2.1 計算參數選擇

根據該工程實際情況和現場實測數據，以上計算式中參數選擇見表1。

表1 隧道計算參數

5.2.2 理論計算

根據上述開挖進尺的優化方法，確定該工程中管棚鋼管豎向位移限值［ω］取20 mm。假設掌子面開挖至距離洞口5 m時，計算不同開挖進尺情況下管棚鋼管BD段的豎向位移。開挖進尺s分別取0.5、1.0、1.5、2.0 m 4種計算工況。計算結果見圖3。

圖3 不同開挖進尺鋼管撓度理論曲線

由圖3可見，鋼管的最大豎向位移隨開挖進尺的增加而急劇增長，峰值出現在開挖進尺段。在4種計算工況中，開挖進尺s=1.5 m時最經濟合理，此時鋼管的豎向最大位移約為12 mm，小于［ω］。考慮到實際施工時鋼格柵拱架施作間距為0.8 m，故建議施工時開挖進尺取1.6 m，以便于施工。

5.3 現場測試值與理論值對比

5.3.1 現場監測

為了掌握管棚在隧道開挖過程中的真實變形，施作管棚前在拱頂部位鋼管布置應變片測量鋼管縱向應變，測試鋼管編號為M，見圖4。

圖4 測試鋼管位置示意(單位:cm)

為測試鋼管縱向應變，在鋼管內壁沿環向對稱布設2個應變片，布置范圍自洞口端沿鋼管縱向5～15 m區間，間隔1 m。因為鋼管最大豎向位移出現在開挖進尺段，故應變片的布置自洞口端沿鋼管縱向5～7 m區間內加密，布置間距為0.4 m，見圖5。

圖5 鋼管應變片布置示意(單位:m)

當管棚超前支護施工完畢后，測讀埋設元件的應變值，由于前期管棚打設影響，應變片已有一定讀數，將此時的讀數作為基準值。

當初期支護施作至離隧道進口5 m時，以1.6 m為進尺進行開挖，待讀數基本穩定后記錄應變值并減去基準值，以消除管棚施工中的影響。通過式(11)可計算出應變片布置處鋼管實測豎向位移。

5.3.2 結果比較

通過實測應變計算出的鋼管豎向位移與開挖進尺為1.6 m時的理論計算值比較如圖6所示。

圖6 理論值與實測值比較(開挖進尺s=1.6 m)

由圖6可見，鋼管最大實測撓度約為16 mm。理論值與實測計算值存在一定偏差，數值上后者偏大，最大相對差值約8 mm，出現在開挖進尺起始端。

但兩者的大致趨勢較為吻合。在開挖進尺前半段，理論值與實測值均逐漸增大且前者變化更劇烈;最大豎向位移均出現在開挖進尺中間段;隨后兩者數值均逐漸減小且實測計算值變化相對更平緩。

6 討論

(1)實測計算值整體大于理論值的原因是多方面的。第一，巖土體是非線性介質，而理論計算中將其理想化為線彈性;第二，理論計算中未考慮初期支護的延滯效應，導致位移值偏小，此現象在x=5 m處表現最明顯，這與實際施工相符;第三，由于實際施工時分部開挖多次擾動圍巖，加劇了圍巖松弛，使鋼管所受的約束作用減小，最終導致鋼管撓度增加。

(2)除x=5、7 m處外，實測計算值與理論值相差不大且峰值較為接近，這說明Winkler彈性地基梁計算模型可較好地模擬隧道洞口淺埋段的管棚鋼管變形，因為破碎的巖體作為地基其共同作用效應較弱。

7 結語

利用荷載-結構模式同時忽略圍巖與鋼管間的相互作用，采用Winkler彈性地基梁計算模型計算管棚鋼管的變形并與現場實測值對比，結果的一致性說明該模型可以較好地適用于隧道洞口淺埋段管棚在松散軟弱巖土體中的變形分析。施工前用此方法進行開挖進尺優化分析，可由此科學地指導施工，平衡工程的安全性與經濟性。此分析方法在廈深高速鐵路隧道工程中得到了成功應用。

［1］ 關寶樹.隧道工程施工要點集［M］.北京:人民交通出版社，2010:74-76.

［2］ 李健，等.淺埋下穿高速公路黃土隧道管棚變形監測及受力機制分析［J］.巖石力學與工程學報，2011，30(S1):3002-3007.

［3］ 鐘放平.下穿既有公路的土江沖隧道雙層管棚設計及監測分析［J］.現代隧道技術，2007，44(4):36-40.

［4］ PEILA D.A theoretical study of reinforcement influence on the stability of a tunnel face［J］.Geotechnical and Geological Engineering，1994，12(3):145-168.

［5］ 常艄東.管棚法超前預支護作用機理的研究［D］.成都:西南交通大學，1999:36-43.

［6］ 武建偉，宋衛東.淺埋暗挖管棚超前預支護的受力分析［J］.巖土工程技術，2007，21(3):116-121.

［7］ 茍德明，陽軍生，張戈，等.淺埋暗挖隧道管棚變形監測及受力機制分析［J］.巖石力學與工程學報，2007，26(6):258-264.

［8］ 鐵道第二勘察設計院.TB10003—2005 鐵路隧道設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

［9］ 孫訓芳，方孝淑，關來泰.材料力學［M］.北京:高等教育出版社，2008:114-115.

［10］杜彬，李俊喜.隧道大管棚支護施工技術［J］.鐵道標準設計，1999(7):25-28.

Optimization of Excavation Footage of Shallowly-buried Section of Tunnel Portal Supported by Advance Pipe Roof

MAN Shuai1，KONG Chao1，WANG Hai-yan2
(1.MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Southwest Jiaotong University;School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China;2.Shijiazhuang Institute of Railway Technology，Shijiazhuang 050041，China)

For mountain tunnels constructed by mining method，the excavation footage of one operation cycle has significant influence on local and even overall construction safety and economic efficiency.Aiming at the shallow-buried section of tunnel portal supported by advance pipe roof，using Winkler elastic foundation beam model，and taking the deflection of steel pipe of the pipe roof as the controlling condition，the excavation footage was optimized and analyzed.Meanwhile，citing a double track tunnel on Xiamen-Shenzhen High-speed Railway as an example，the theoretical optimal excavation footage was calculated，and at the same time the actual situation of the tunnel project was taken into account to determine the optimal excavation footage so as to guide the construction.Subsequently，by comparing the field test value with the theoretical analysis value，it can be seen that there is a good conformity between the two values，which proves that the Winkler elastic foundation beam model can truly reflect the mechanical behavior of the pipe roof in the weak and fractured surrounding rocks at the shallow-buried section of tunnel portal.

railway tunnel;advance support by pipe roof;Winkler elastic foundation beam;optimization of excavation footage

U456

A

1004-2954(2013)10-0108-04

2013-03-22

國家自然科學基金資助項目(51178399)

滿 帥(1988—)，男，碩士研究生，E-mail:shuaiman07@gmail.com。