管棚支護體系與施工工法配合效果研究

薛根平

（山西省公路局 呂梁分局，山西 呂梁 033000）

0 引言

超前管棚是一種超前預支護方式，是隧道施工中穿越破碎、軟弱圍巖的常用加固方法[1]。該支護方法首先將一組鋼管沿套拱打入軟弱破碎地層，將鋼管與鋼拱架焊接形成棚架預支護體系，然后通過鋼管上布置的注漿孔向地層進行加壓注漿，加固軟弱破碎地層，提高地層的自穩能力。

近年來，國內學者對管棚預支護機理進行了大量的研究。王海濤等基于Pasternak彈性地基梁對管棚支護體系的力學行為進行研究，并與現場實測數據進行對比驗證；同時，對管棚長度、鋼管直徑及搭接長度進行了優化分析。賈金青等推導了管棚的內力和撓度方程計算公式，對管棚的Winkler彈性地基梁模型進行了改進。李健等開展了淺埋大跨黃土隧道長大管棚受力機制的研究，對隧道進入下穿高速公路前的管棚縱向變形進行監測和分析。以上研究中僅針對管棚在某一施工工法條件下的受力分析，對不同施工工法下管棚支護體系對圍巖的支護效果研究較少。孫志杰等采用將注漿體對圍巖的加固效應和管棚的梁效應相結合，采用管棚注漿加固區與鋼管分離的模型，成功解決了單純提高加固區參數模型無法揭示管棚自身的受力和變形的難題。同時對管棚打設角度和間距進行了優化。申俊敏等采用有限差分程序對隧道洞口段不同圍巖剛度下管棚支護體系對地層穩定的控制效果進行分析。得出管棚對地層沉降的控制程度與管棚與土體之間的剛度比相關，土體剛度越大，剛度比越小，管棚的骨架作用隨之逐漸減弱，相應地對地層沉降的控制就逐漸降低。

本文依托某高速公路隧道，采用有限差分軟件FLAC3D，以軟弱破碎段圍巖為研究對象，對各施工工法下（有無超前管棚支護）圍巖變形進行分析。為管棚預支護法在隧道中的應用提供參考。

1 工程概況

隧道所處地層主要由太古界涑水群表殼巖組合解州片麻巖（Hgn）組成，該段地層巖性復雜，圍巖軟弱破碎，組合無規律，故采用SVc型加強型復合式襯砌。超前管棚采用熱軋無縫鋼管，φ108，壁厚6 mm，長22 m，搭接長度為2 m，環向間距0.35 m；超前導管采用4.5 m超前小導管，壁厚4 mm，環向間距0.35 m。鎖腳錨桿采用φ22螺紋鋼，長3.5 m，中臺階拱腳、下臺階邊墻腳各打設2根。鋼拱架為I20a型鋼拱架，縱向間距0.75 m，環形間距1.0 m；初支為C25噴射混凝土，厚度26 cm；二次襯砌和仰拱為C30鋼筋混凝土，厚度50 cm。

2 數值模型

數值模型采用有限差分軟件FLAC3D進行建模分析。為簡便計算，模型的邊界尺寸為x=110 m，y=42 m，z=70 m。數值分析采用環形開挖留核心土法、三臺階臨時仰拱法和單側壁導坑法3種施工工法，模型如圖1。

圖1 環形開挖預留核心土

圖1 中管棚注漿加固區采用提高加固區圍巖參數來模擬注漿效果。

環形開挖留核心土法上臺階環形開挖先于上臺階核心土開挖4 m，對拱部進行錨噴支護；上臺階核心土開挖先于下臺階周圍土6 m，對邊墻進行錨噴支護；下臺階周圍土開挖先于下臺階核心土4 m，然后對仰拱進行錨噴支護。

三臺階臨時仰拱法上臺階先行中臺階4 m進行開挖，中臺階先行下臺階6 m進行開挖。

單側壁導坑法左側導坑上部先行左側導坑下部土體6 m開挖，進行左幅錨噴支護；左側導坑下部土體先行右側導坑上部土體16 m，右上部土體先行右下部土體6 m，然后進行右幅錨噴支護。

初襯厚度0.26 m，采用彈性模型；二襯和仰拱均采用shell結構單元，厚度為0.5 m；土體參數結合實際選取，隧道軸線以上土體模量為一定值，隧道軸線以下土體的模量按照卸荷模量考慮，取為正常情況下模量的3倍，并沿深度線性分布，至模型最下方可以取為8倍的正常模量，土體采用摩爾庫倫模型。各參數見表1。

表1 材料力學參數

3 數值模擬結果分析及方案比選

為定量研究管棚注漿法的加固效果，針對不同施工工法，分別對不采用和采用管棚注漿加固措施的三維模型進行了模擬。

3.1 管棚支護效果分析

拱頂沉降則是評判隧道開挖的拱頂穩定性的重要因素。圖2為環形開挖預留核心土工法下不采取和采取管棚注漿法超前預加固措施時，隧道施工至1/2截面時，圍巖的豎向位移云圖，由于其他工法位移云圖類似，在此不在贅述。

圖2 環形開挖預留核心土圍巖的豎向位移云圖

圖2a豎向位移云圖中，豎向位移最大值發生在Y=0 m處斷面，且位移較大值向掌子面方向延伸趨勢較明顯，Y=0 m處拱頂最大位移為4.52 cm，Y=0 m仰拱最大位移為1.69 cm。而采用管棚支護后，豎向位移最大值發生在掌子面處斷面，位移較大值向豎向延伸趨勢明顯。掌子面拱頂最大位移為1.91 cm，Y=0 m仰拱最大位移為2.17 cm。隧道開挖過程中，掌子面前方1.5～2.0倍開挖跨度范圍內的圍巖產生了變形，采用超前管棚可以有效抑制隧道開挖過程中圍巖破壞范圍向地表的發展，可見管棚注漿支護體系改變了圍巖的位移場分布，很好地約束了圍巖拱部的豎向變形，但不能控制圍巖仰拱部位的變形。

3.2 不同施工工法管棚支護效果分析

為消除圖2中隧道開挖過程中邊界效應的影響，選擇Y=20 m斷面作為數值模擬的目標斷面。

圖3為Y=20 m斷面拱頂施工過程沉降曲線。

圖3 拱頂沉降曲線

從圖3可以看出，不管采用何種施工工法，隧道拱頂沉降具有大致相同的變化趨勢，即隧道地表的縱向變形始于掌子面前方一定距離，并隨著開挖的推進急劇增大，當掌子面通過監測斷面2～3倍洞后，掌子面效應消失，地表沉降達到峰值后趨于穩定。

在選取的3個目標斷面中，環形開挖留核心土法施工引起的拱頂沉降量都是最小的，三臺階臨時仰拱法引起的拱頂沉降量是最大的。

4 結論

通過對超前預支護系統作用效果與施工工法配合方案的研究，得出以下結論：

a）隧道開挖過程中，掌子面前方1.5～2.0倍開挖跨度范圍內的圍巖產生了變形，采用超前管棚可以有效抑制隧道開挖過程中圍巖破壞范圍向地表的發展，并對隧道頂部圍巖起到很好的促穩作用；淺埋隧道施工時，隧道的開挖高度會影響圍巖松弛區域的高度。一般情況下，圍巖松弛區域的高度約為隧道開挖高度（9.5 m）的2倍。

b）不管采用何種施工工法，隧道地表的縱向變形始于掌子面前方一定距離，并隨著開挖的推進急劇增大，當掌子面通過監測斷面2～3倍洞后，掌子面效應消失，地表沉降達到峰值后趨于穩定。

c）管棚支護條件下，環形開挖留核心土法的拱頂沉降最小，在軟弱圍巖地段，應優先采用環形開挖留核心土法進行施工，減小開挖跨度，從而減少隧道開挖影響范圍，保證開挖面的穩定。