隧道管棚超前支護(hù)技術(shù)及其數(shù)值模擬

摘 要：隧道管棚支護(hù)可以在較長(zhǎng)的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)預(yù)開挖地層的加固。基于FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)，利用殼單元模型模擬管棚的支護(hù)作用。通過對(duì)有、無管棚支護(hù)作用下，隧道在豎直和水平方向上位移和應(yīng)力的分析，發(fā)現(xiàn)管棚支護(hù)能夠抑制地表的沉降，減小拱腳位置的應(yīng)力，提高隧道開挖的安全系數(shù)。研究結(jié)果為類似地層隧道開挖提供了指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：隧道工程 管棚支護(hù) 數(shù)值模擬 殼單元模型

中圖分類號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）05（a）-0000-00

1、引言

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，在交通建設(shè)中需要在繁忙的公路、鐵路和既有建筑物下修建各種地下和隧道工程[1]。管棚支護(hù)作為一種長(zhǎng)距離加固技術(shù)，在隧道工程中有著廣泛的應(yīng)用[2-3]。管棚支護(hù)能有效控制圍巖的松弛，限制隧道的地表沉降、拱頂下沉和周邊收斂，使開挖面前方一定范圍內(nèi)的圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。管棚施作后，開挖前方巖體的強(qiáng)度得到提高，形成了一個(gè)穩(wěn)定承載環(huán)。此外，通過鋼管對(duì)圍巖注漿，使得漿液以填充、滲透、劈裂、擠壓等方式，趕走土顆粒間或巖石裂隙中的水分和空氣后并占據(jù)其位置，使得原來較為松散的土粒膠結(jié)成一個(gè)整體，提高圍巖本身的自穩(wěn)能力[4-5]。

在隧道工程中，通過對(duì)有無管棚支護(hù)隧道進(jìn)行變形和應(yīng)力監(jiān)測(cè)，評(píng)價(jià)隧道管棚支護(hù)的作用效果，成本巨大。這里借用數(shù)值模擬的方法，對(duì)有無管棚支護(hù)隧道開挖過程中變形和應(yīng)力的變化進(jìn)行分析，并對(duì)管棚支護(hù)作用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2、管棚支護(hù)的力學(xué)模型

對(duì)于管棚支護(hù)的作用效果，可以采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行分析。將大管棚注漿加固圍巖視為在隧道開挖輪廓線外形成一定厚度厚的環(huán)狀加固圈，通過改善圍巖參數(shù)的方法用梁?jiǎn)卧驓卧M加固地層。如在某隧道施工中，采用大管棚超前支護(hù)輔以超前小導(dǎo)管注漿，假定在地層中形成堅(jiān)固的、連續(xù)的殼結(jié)構(gòu)，并基于管棚的力學(xué)效果，將管棚簡(jiǎn)化為0.5m厚的預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

3、隧道開挖過程的數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型的建立

選取計(jì)算模型的水平方向（x向）長(zhǎng)度為18m，縱向（y向）長(zhǎng)度為72m，豎向高度（z向）為22m，高速公路的寬取為20m，整個(gè)模型的坐標(biāo)原點(diǎn)（0 0 0）為四部開挖的交界點(diǎn)。隧道的圍巖采用六面體單元（brick element），初期支護(hù)采用殼體單元（shell element），管棚采用殼體單元（shell element），計(jì)算模型如圖2所示。

模型邊界條件為：水平方向的位移約束，fix x range x -18.1 -17.9，fix x range x 17.9 18.1；隧道軸向前后兩側(cè)邊界的約束：fix y range y -0.1 0.1，fix y range y 71.9 72.1；底部邊界的位移約束：fix z range z -8.1 -7.9，頂部為自由面不約束。

3.2 模型參數(shù)的選取

圍巖采用摩爾—庫侖（Mohr-Coulomb）模型。隧道下穿高速公路段圍巖主要為人工填土，根據(jù)實(shí)際情況，圍巖材料參數(shù)按表1選取。初期支護(hù)采用殼單元進(jìn)行模擬，其中鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮，即將鋼拱架彈性模量可按式（1）折算給噴射混凝土。

3.3 初始地應(yīng)力模擬

在此隧道地表附近，圍巖的初始應(yīng)力主要是由于重力作用引起的，應(yīng)力隨著深度的增加而增大。這里只考慮圍巖的自重應(yīng)力，圍巖的側(cè)壓力系數(shù) ，將圍巖材料參數(shù)賦值給計(jì)算模型后求解。可得到模型的初始應(yīng)力場(chǎng)分別如圖3所示。

3.4 隧道開挖與支護(hù)模擬

在FLAC3D中，零模型（1）通常用來表示被移除或開挖掉的材料，且移除或開挖區(qū)域的應(yīng)力自動(dòng)設(shè)置為零。在隧道開挖之前，在開挖輪廓線外先將大管棚區(qū)域設(shè)置為零模型（model 1），然后用殼單元模擬。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工工藝、施工進(jìn)度，可通過如下步驟模擬整個(gè)隧道的施工過程：

① 按6m步距開挖一部（0～6m），求解平衡，然后用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；

② 按6m步距開挖一部（6～12m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m步距開挖二部（0～6m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；

③ 按6m步距開挖一部（12～18m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m步距開挖二部（6～12m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m步距開挖三部（0～6m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；

④ 按6m步距開挖一部（18～24m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m步距開挖二部（12～18m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m步距開挖三部（6～12m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m步距開挖四部（0～6m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；

⑤ 按6m步距開挖一部（24～30m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m步距開挖二部（18～24m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m步距開挖三部（12～18m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m步距開挖四部（6～12m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m開挖仰拱（0～6m），求解平衡，刪除臨時(shí)支護(hù)，恢復(fù)仰拱的材料參數(shù)模擬仰拱澆筑；

⑥ 按6m步距開挖二部（24～30m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m步距開挖三部（18～24m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m步距開挖四部（12～18m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m開挖仰拱（6～12m），求解平衡，刪除臨時(shí)支護(hù)，恢復(fù)仰拱的材料參數(shù)模擬仰拱澆筑；

⑦ 按6m步距開挖三部（24～30m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m步距開挖四部（18～24m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m開挖仰拱（12～18m），求解平衡，刪除臨時(shí)支護(hù)，恢復(fù)仰拱的材料參數(shù)模擬仰拱澆筑；

⑧ 按6m步距開挖四部（24～30m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)；按6m開挖仰拱（18～24m），求解平衡，刪除臨時(shí)支護(hù)，恢復(fù)仰拱的材料參數(shù)模擬仰拱澆筑。

⑨ 按6m開挖仰拱（24～30m），求解平衡，刪除臨時(shí)支護(hù)，恢復(fù)仰拱的材料參數(shù)模擬仰拱澆筑。

根據(jù)上述開挖和支護(hù)模擬方法，可以模擬整個(gè)隧道施工過程，在模擬過程中分別對(duì)設(shè)置管棚和不設(shè)置管棚兩種情況進(jìn)行模擬計(jì)算，并對(duì)比兩種模擬結(jié)果分析評(píng)價(jià)管棚的支護(hù)效果。

4、數(shù)值模擬結(jié)果及對(duì)比

4.1 隧道圍巖的變形

圖4為不同工況下設(shè)置管棚隧道的豎向（z向）位移，圖5為不同工況下不設(shè)管棚隧道的豎向（z向）位移。其中正值表示位移與z軸方向相同，負(fù)值表示位移與z軸相反。

從圖4可看出：在隧道開挖過程中，由于隧道埋深較淺，隧道掌子面前方一定范圍內(nèi)的圍巖會(huì)發(fā)生變形，且變形范圍達(dá)到地表，表現(xiàn)為地表沉降；由于一部的開挖，三部圍巖松弛，圍巖位移較大，二部的開挖加劇了圍巖的變形，但影響有限。因此，在施工過程中，要保證在一部、三部一定范圍內(nèi)預(yù)留核心土，穩(wěn)定工作面；在隧道開挖過程中，對(duì)比各部開挖引起的圍巖變形，一部、三部的開挖對(duì)圍巖的變形較大，為防止圍巖的過大變形，在施工中應(yīng)及時(shí)施作臨時(shí)支護(hù)；隧道上方圍巖的變形與隧道開挖斷面呈遞增關(guān)系，隨著各部的開挖，圍巖的變形逐步增大。

從圖5可看出：由于一部的開挖，隧道圍巖的最大變形出現(xiàn)在開挖面的上方，此時(shí)沒有了管棚預(yù)支護(hù)，初期支護(hù)支承全部松弛的圍巖壓力，變形也比在管棚預(yù)支護(hù)下大20mm。因此在不設(shè)管棚情況下，隧道開挖引起的圍巖變形較大，不利于隧道的安全開挖。在隧道開挖過程中，一部、三部的開挖對(duì)圍巖的變形影響較大，而且隨著開挖斷面的增大，圍巖的變形也增大，同在管棚預(yù)支護(hù)下的規(guī)律相似。

對(duì)比圖4和圖5可得出如下結(jié)論：在管棚預(yù)支護(hù)下進(jìn)行隧道開挖，可有效的減少圍巖的變形，抑制地表沉降；在不設(shè)管棚的情況下，圍巖的變形比設(shè)置管棚情況下大很多，說明管棚對(duì)圍巖的影響很大，管棚能有效的抑制圍巖的變形。

4.2 隧道圍巖應(yīng)力分布

圖6為不同工況下設(shè)置管棚隧道的豎向（z向）應(yīng)力 ，圖7不同工況下設(shè)置管棚隧道的水平向（x向）應(yīng)力 。圖8為不同工況下不設(shè)管棚隧道的豎向（z向）應(yīng)力 ，圖9為不同工況下不設(shè)管棚隧道的水平向（x向）應(yīng)力 。其中負(fù)值表示壓應(yīng)力，正值表示拉應(yīng)力，單位Pa。

從圖6和圖7可看出：在大斷面隧道開挖中，洞周圍巖應(yīng)力隨著隧道的開挖逐步釋放，釋放的荷載作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上，支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力大于洞周圍巖的應(yīng)力，并且拱腳和仰拱的豎向應(yīng)力比其他部位要大，而仰拱的水平應(yīng)力也比其他部位的要大。仰拱施作以后，仰拱應(yīng)力增幅較快，說明仰拱在軟弱圍巖中的支護(hù)效果比較明顯。因此，在隧道施工中應(yīng)及時(shí)施作仰拱。

從圖8和圖9并對(duì)比圖6和圖7可看出：在不設(shè)管棚的情況下，得到的應(yīng)力變化規(guī)律與在設(shè)置管棚情況下的相似，在拱腳及仰拱位置表現(xiàn)出較大的應(yīng)力。在設(shè)置管棚的情況下，洞周圍巖應(yīng)力相對(duì)在不設(shè)管棚情況下要小，說明管棚支護(hù)對(duì)洞周圍巖的應(yīng)力分布產(chǎn)生了很大影響。

5結(jié)論

利用FLAC3D數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)隧道工程中的管棚支護(hù)作用效果進(jìn)行了數(shù)值模擬。基于管棚加固圍巖的作用原理，管棚支護(hù)采用殼單元模型進(jìn)行計(jì)算，通過對(duì)圍巖變形和應(yīng)力的分析，得到如下主要結(jié)論：

（1）在采用CRD工法開挖隧道時(shí)，對(duì)比有無管棚支護(hù)的隧道開挖，發(fā)現(xiàn)管棚支護(hù)隧道可有效的減少圍巖的變形、抑制地表沉降。同時(shí)，一部和三部的開挖引起圍巖位移較大，二部的開挖加劇了圍巖的變形，但影響有限。為防止圍巖的過大變形，在一部和三部施工中應(yīng)及時(shí)施作臨時(shí)支護(hù)。

（2）在隧道開挖過程中，無管棚支護(hù)時(shí)，隧道拱腳及仰拱位置表現(xiàn)出較大的應(yīng)力；而在設(shè)置管棚支護(hù)后，隧道圍巖應(yīng)力明顯減小，這表明管棚支護(hù)對(duì)隧道圍巖的應(yīng)力分布產(chǎn)生了影響，減小了隧道拱腳及仰拱位置的應(yīng)力集中。

（3）基于管棚加固地層的作用原理，采用殼單元模擬管棚支護(hù)是合理的。它為類似地層的管棚支護(hù)數(shù)值計(jì)算提供了依據(jù)。

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