管棚注漿技術(shù)在黃土隧道洞口段加固中的研究

吉東風(fēng) 姚哨峰 郝伯瑾* 張占鋒

(1.焦作市城市建設(shè)項(xiàng)目管理有限公司，河南焦作 454150;2.上海交大船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240;3.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003;4.河南同晟置業(yè)有限公司，河南鄭州 450008)

0 引言

黃土是一種特殊的土質(zhì)，從結(jié)構(gòu)上說(shuō)黃土具有明顯的大孔性，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙度大。黃土特殊的工程特性給黃土隧道施工帶來(lái)了很多研究課題，特別是黃土的壓縮性、濕陷性。與巖體以及一般土體相比，黃土工程性質(zhì)差，遇水之后結(jié)構(gòu)迅速破壞，強(qiáng)度明顯降低，產(chǎn)生急驟顯著附加變形，從而引發(fā)了很多隧道的塌方事故［1］。目前在黃土地區(qū)的隧道施工多采用管棚技術(shù)，但都遇到了不同程度的工程難題。

管棚技術(shù)是從原始的鉆探技術(shù)衍生并逐漸發(fā)展起來(lái)的一種新興技術(shù)，是在不破壞地表的情況下支護(hù)巖土的技術(shù)。沿著隧洞開(kāi)挖輪廓周線，用特定的機(jī)械(如水平定向鉆機(jī)和夯管錘)把一系列鋼管順著隧道軸線方向按一定次序打入開(kāi)挖前方的地層內(nèi)，然后向管內(nèi)注漿固結(jié)周圍的圍巖，最終形成一個(gè)棚架支護(hù)體系，以支撐來(lái)自外側(cè)的圍巖壓力，從而保證其隧洞開(kāi)挖、襯砌的連續(xù)性和安全性。管棚注漿法中鋼管是沿隧道開(kāi)挖輪廓周邊，間隔一定的間距，沿洞軸以一定外插角呈外插狀分布，同時(shí)起到超前管棚和注漿管的作用。這樣通過(guò)注漿加固，拱頂以上被加固密實(shí)，形成結(jié)實(shí)體，整體穩(wěn)定性增大，加之管棚的臨時(shí)支護(hù)作用，可達(dá)到理想的開(kāi)挖條件。伍振志研究了管棚注漿法在淺埋松軟地層開(kāi)挖中的加固機(jī)理［2］，朱彥鵬探討了管棚注漿法在黃土公路隧道淺埋段中的支護(hù)機(jī)理和實(shí)際應(yīng)用效果［3］，高懷鵬結(jié)合工程實(shí)例探討了長(zhǎng)管棚預(yù)注漿超前支護(hù)技術(shù)在淺埋偏壓大跨隧道洞口施工中的應(yīng)用［4］。梁瑞利介紹了扇形支撐及徑向?qū)Ч茏{在黃土隧道偏壓沉陷中的應(yīng)急使用和圍巖加固效果［5］。這些都為管棚注漿加固技術(shù)的施工和研究積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。

本文通過(guò)對(duì)黃土隧道施工洞口段的過(guò)管棚注漿加固技術(shù)的三維有限元仿真分析，對(duì)注漿加固管棚隧道施工技術(shù)的效果進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)價(jià)，有效地指導(dǎo)了隧道施工，為保證隧道施工安全和工程質(zhì)量起到了重要的作用，也可以為類似的工程模擬以及施工提供借鑒。

1 工程概況

函谷關(guān)隧道所在地位于靈寶市大王鎮(zhèn)函谷關(guān)村。隧道總體走向呈南北向曲線展布，采用小凈距隧道(測(cè)設(shè)線間距:進(jìn)口9.7 m，出口13.4 m)，隧道最大埋深約32 m，洞軸線走向方位角約135°。屬短隧道。隧址底層單一，屬第四系上更新統(tǒng)(Q3)新黃土(馬蘭黃土)，風(fēng)積成因(eol)。黃褐色，中密，稍濕，主要以粉土為主，具大孔隙，含少量鈣質(zhì)結(jié)核，表層見(jiàn)大量蟲(chóng)孔及植物根孔。厚度巨大，其上部為濕陷性黃土。縱坡速度VP=857 m/s～1 023 m/s。隧址多為Y形和直線形沖溝，沖溝狹窄，溝壁陡峭，為黃土沖溝，溝內(nèi)為降雨及融雪暫時(shí)性流水。隧道進(jìn)出口位于斜坡，坡度約25°～45°。進(jìn)出口自然黃土邊坡現(xiàn)處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，植被不發(fā)育，地表植物主要是農(nóng)作物和喬木樹(shù)。該黃土隧道圍巖等級(jí)屬于Ⅴ級(jí)，屬于軟弱圍巖，入口段土層松軟，屬于淺埋段黃土隧道。隧道暗洞均采用新奧法施工，隧道對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖段采用多臺(tái)階分步法開(kāi)挖施工。本隧道洞身段初期支護(hù)主要形式有:C20號(hào)噴射混凝土厚度28 cm，Φ8鋼筋網(wǎng)(間距20×20雙層)、鎖腳錨桿、鋼拱架縱向間距0.5 m等。本工程的進(jìn)口段擬采用管棚超前支護(hù)方式進(jìn)行加固處理。為了優(yōu)化設(shè)計(jì)，我們建立了隧道洞口在不同長(zhǎng)度的管棚超前支護(hù)下開(kāi)挖的三維有限元ABAQUS計(jì)算模型，分析隧道在不同參數(shù)管棚注漿超前預(yù)支護(hù)作用下，隧道開(kāi)挖拱部和邊墻的變形、地表下沉、地層內(nèi)應(yīng)力，進(jìn)而分析管棚對(duì)支護(hù)區(qū)穩(wěn)定性的影響機(jī)理，說(shuō)明管棚注漿的強(qiáng)預(yù)支護(hù)效果，并初步選定一個(gè)優(yōu)化的長(zhǎng)度進(jìn)行施工。

2 三維有限元計(jì)算與結(jié)果分析

2.1 有限元計(jì)算

數(shù)值模擬方法分為有限單元，有限差分和離散元等。在實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)用最為廣泛的為有限單元法，ABAQUS強(qiáng)大的實(shí)體建模能力可以快速精確的模擬復(fù)雜的隧道結(jié)構(gòu)，通過(guò)完善的網(wǎng)格劃分工具即可生成理想的三維有限元網(wǎng)格，并且計(jì)算精度和速度也很高［9］。

本文用ABAQUS軟件對(duì)經(jīng)過(guò)管棚加固的隧道進(jìn)行模擬計(jì)算，采用管棚的梁式計(jì)算模型，對(duì)于注漿封口后的鋼管的作用，可采用等效方法予以考慮，即將鋼管對(duì)應(yīng)于內(nèi)部填充物的彈性模量折算。圍巖采用摩爾—庫(kù)侖本構(gòu)關(guān)系，初期支護(hù)，二次襯砌，鋼材及混凝土按線彈性材料計(jì)算。模型管單元通過(guò)與初支共節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建，圍巖全部以六面體剖分。

部分計(jì)算結(jié)果如圖1，圖2所示。

表1列出了不同管棚長(zhǎng)度L下拱頂最大位移ug(cm)、圍巖的最大主應(yīng)力值σmax(MPa)、水平收斂最大值ux(cm)、地表最大下沉值ue(cm)及其位置。

2.2 分析結(jié)果

1)管棚有效的減小了拱頂最大位移值。

a.沒(méi)有管棚超前預(yù)支護(hù)時(shí)，拱頂各開(kāi)挖步最大節(jié)點(diǎn)豎向位移在16.95 cm。

圖1 12 m管棚加固最大地表沉降分析

圖2 18 m管棚加固圍巖最大應(yīng)力分析

表1 不同管棚長(zhǎng)度和圍巖響應(yīng)的關(guān)系

b.有管棚作超前預(yù)支護(hù)時(shí)拱頂各開(kāi)挖步的最大節(jié)點(diǎn)豎向位移明顯減小，其中用18 m時(shí)拱頂位移13 cm，節(jié)點(diǎn)位移最大減小值為3.95 cm，管棚起到了降低地層沉降的重要作用。

2)以水平的收斂為代表，管棚有效的減小了洞周位移收斂的最大位移值。就拱腰處水平收斂值來(lái)說(shuō)，當(dāng)施作18 m的管棚時(shí)水平收斂2.19 cm，而在未施作管棚時(shí)，最大洞周位移是3.18 cm，可見(jiàn)管棚減小了一定的洞周最大位移。

3)由計(jì)算結(jié)果可以看出管棚對(duì)應(yīng)力的影響比較明顯，管棚的存在極大的減小了最大應(yīng)力。

a.無(wú)管棚超前預(yù)支護(hù)時(shí)，圍巖內(nèi)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力最大值比有18 m管棚超前預(yù)支護(hù)時(shí)大大概27倍，最大應(yīng)力均發(fā)生在拱腰處。

b.有18 m管棚時(shí)，掌子面拱頂節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的最大值比較小，并且從結(jié)果看來(lái)，掌子面前方地層的拱頂節(jié)點(diǎn)應(yīng)力都是緩慢地增加，隧道的開(kāi)挖釋放應(yīng)力被擴(kuò)散到了更大的范圍，減小了應(yīng)力集中，降低了掌子面前方地層的受力強(qiáng)度，增強(qiáng)了隧道開(kāi)挖面的穩(wěn)定性。

4)由計(jì)算看出，地表沉降的最大值，在有管棚超前預(yù)支護(hù)時(shí)，要比沒(méi)有管棚超前預(yù)支護(hù)時(shí)顯著減小，這在很大程度減小了隧道開(kāi)挖對(duì)地層的擾動(dòng)程度，減小了由于開(kāi)挖而引起的地層變形，增強(qiáng)了隧道掌子面的穩(wěn)定性。

以上的分析結(jié)果說(shuō)明用此管棚注漿支護(hù)方式來(lái)增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定，控制洞周圍巖變形是可行的。可以選用18 m的管棚長(zhǎng)度來(lái)施工。

3 結(jié)語(yǔ)

隧道設(shè)計(jì)施工理論的核心內(nèi)容在于對(duì)圍巖的設(shè)計(jì)分析計(jì)算，一個(gè)隧道設(shè)計(jì)施工成功與否的關(guān)鍵在于其隧道圍巖是否穩(wěn)定，因此對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性分析研究是解決隧道設(shè)計(jì)施工難題的關(guān)鍵，圍巖穩(wěn)定性除了靠圍巖自身，主要是通過(guò)一系列圍巖加固措施來(lái)保證的。

本文通過(guò)對(duì)經(jīng)過(guò)管棚注漿處理的黃土隧道洞口段作三維有限元計(jì)算，數(shù)值模擬了不同管棚長(zhǎng)度下的黃土隧道圍巖響應(yīng)情況，對(duì)函谷關(guān)隧道特定段的變形規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究，歸納起來(lái)得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)管棚注漿法能夠顯著抑制淺埋黃土地層的變形和拱頂下沉，減少隧道初始支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和受力，避免淺埋黃土地層開(kāi)挖中塌方現(xiàn)象的產(chǎn)生，保證了施工安全。

2)管棚注漿技術(shù)能改善松軟破碎巖層的物理力學(xué)性質(zhì)，在隧道擬開(kāi)挖輪廓上部形成了具有比較強(qiáng)的承載能力的加固帶。由于改良層分擔(dān)了圍巖的大部分松動(dòng)荷載，而支護(hù)結(jié)構(gòu)位移僅由改良層圍巖變形壓力引起。所以隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、變形比較小，又由于改良層加固帶的剛度較大、整體性較好，所以隧道的周邊變形比較均勻，應(yīng)力集中現(xiàn)象較不采用管棚注漿時(shí)明顯降低。這對(duì)于保證隧道開(kāi)挖穩(wěn)定和減少二次襯砌費(fèi)用都是比較有益的。

3)管棚的長(zhǎng)度并不是越長(zhǎng)越好，需要在數(shù)值模擬分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合方案比選，選擇最優(yōu)的長(zhǎng)度參數(shù)。

總之，管棚注漿法是一種行之有效的超前支護(hù)技術(shù)。本文為進(jìn)一步分析黃土地區(qū)管棚注漿法的支護(hù)機(jī)理提供了參考依據(jù)，為類似工程中做好超前支護(hù)工作，確保隧道施工安全提供了借鑒，同時(shí)也為今后西北地區(qū)黃土公路隧道管棚注漿法的設(shè)計(jì)和施工提供了優(yōu)化數(shù)據(jù)。

［1］周建富，顧 軍.軟塑狀土質(zhì)隧道施工技術(shù)［J］.西部探礦工程，2001，70(3):83-84.

［2］伍振志，傅志鋒.淺埋松軟地層開(kāi)挖中管棚注漿法的加固機(jī)理及效果分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(6):1025-1029.

［3］朱彥鵬，何江飛，李 軍.黃土公路隧道淺埋段管棚注漿支護(hù)機(jī)理及監(jiān)測(cè)分析［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，28(1):11-15.

［4］高懷鵬，毛海東.長(zhǎng)管棚預(yù)注漿超前支護(hù)技術(shù)在淺埋偏壓大跨隧道洞口施工中的應(yīng)用［J］.公路，2005(10):214-217.

［5］梁瑞利.黃土隧道大段落偏壓沉陷處理技術(shù)［J］.鐵道建筑技術(shù)，2013(5):77-79.