隧道管棚預支護開挖數值模擬分析

張小娜，王國立

（1.黃河科技學院，河南 鄭州 450006；2.建業住宅集團（中國）有限公司，河南 鄭州 450000）

隧道管棚預支護開挖數值模擬分析

張小娜1，王國立2

（1.黃河科技學院，河南 鄭州 450006；2.建業住宅集團（中國）有限公司，河南 鄭州 450000）

采用ANSYS有限元分析軟件對采用管棚預支護全斷面和臺階法兩類不同開挖法不同進尺開挖4種不同工況進行數值模擬分析，研究其位移和應力情況，并進行經驗總結，以便得到能直接應用于供工程實踐應用與理論參考的研究成果。

隧道；管棚預支護；全斷面法；臺階法；有限元分析；數值模擬分析

近年來隨著交通事業的快速發展，交通隧道的建設呈現蓬勃發展的勢頭，隧道在交通、水利、市政與礦山開采和國防工程等方面都得到了充分的應用。為保證隧道施工安全順利地進行，在洞口軟弱破碎地層及城市淺埋暗挖段等復雜地質條件下施工時往往需要進行預支護，而管棚預支護技術是其中使用最為廣泛的一類預支護技術。

1 管棚預預支護開挖作用機理

管棚超前支護采用超前支護的頂板，按照一定的間距在距巷道輪廓線一定距離的位置打設超前管棚孔，之后沿孔口送入無縫鋼管，從而有效地控制頂板下沉，通過提前對頂板進行支護，對圍巖爆破松動圈內的軟弱破碎巖石形成超前臨時支護（圖1）。

全斷面開挖法是在整個隧道開挖斷面上采用一次鉆孔、一次爆破成型及一次初期支護到位的一次成型的隧道開挖方法。這種開挖法要求具有較高水平的開挖、除渣和相應的支護能力示，如圖2所示。

臺階法是隧道及地下工程的施工方法之一。在穩定性較差的巖層中施工時，將整個坑斷面分為幾層，由上向下分步進行開挖。上部臺階的掘進作業與下部臺階的除渣可同時平行進行，而使工效提高，如圖3所示。

本文以某高速公路隧道進口進行研究，對采用管棚支護全斷面及臺階法兩種開挖法不同開挖進尺4種工況采用ANSYS有限元軟件進行模擬，分析其位移和應力情況。

圖1 管棚超前支護設計示意圖

圖2 全斷面開挖法示意圖

圖3 臺階開挖法示意圖

2 工程概況及模型建立

2.1 工程概況

某高速公路隧道，隧道圍巖級別為V類，隧道洞口段覆蓋層厚度10m，隧道斷面采用單心圓曲墻式，隧道半徑5.6m。隧道建筑限界凈高、凈寬分別為5m、10.5m。因該段總長度為24.6m，故采用長度為30m的超前管棚+注漿。

2.2 模型建立

為保證計算的準確性，依據本工程隧道進口開挖尺寸，建立能反映管棚實際工作狀況的模型，該模型為長方體，長寬高為95m×15m×61.6m。巖體采用非線性考慮，圍巖采用Drucker—Prage屈服準則，巖體和管棚加固區模擬時采用8節點6面體SOLID45，殼單元SHELL63被用來模擬鋼支撐噴混凝土支護區。模型整體網格剖分如圖4、圖5、圖6所示。

圖4 管棚超前支護有限元網格剖分圖

圖5 管棚注漿加固區有限元網格剖分圖

圖6 管棚支護開挖完成后有限元網格剖分圖

2.3 計算參數選取及工況模擬

參照公路隧道設計規范，根據該處地質資料，選用各材料參數性能見表1。邊界條件采用位移邊界條件，以X方向位移結果評價隧道側墻的穩定性，以Y方向位移結果評價隧道開挖后拱頂的穩定性和地表沉降。

表1 材料參數表

采用管棚預支護2種不同進尺4種工況進行模擬，具體工況如表2所示。

表2 有限元分析計算工況

3 數值模擬計算結果分析

在對管棚注漿支護效果數值模擬分析過程中，分別計算按全斷面、臺階法開挖進尺0.5m、1.0m，分別開挖1m、2m工況，分別計算出各種開挖方法引起的圍巖擾動后應力場和位移場，然后對管棚注漿預支護所采用兩種開挖方法的結果進行對比分析。

3.1 數值模擬分析

3.1.1 采用管棚預支護全斷面開挖數值模擬

采用管棚支護全斷面法施工，開挖進尺為0.5m、1.0m開挖，計算結果如表3所示：X向與Y向最大位移均發生在按1m進尺開挖時，分別為拱腳處2.48mm和拱頂21mm，也說明拱頂穩定性較差；圍巖整個區域基本受壓應力，只在拱腳和底板存在局部拉應力，且數值較小，且隨開挖和支護工程的進行，應力數值不斷減小，說明圍巖逐漸趨于穩定，但由于在拱腳和底板處產生應力局部集中現象，應在該兩部位加強支護。

表3 各工況有限元計算結果

3.1.2 采用管棚預支護臺階法開挖數值模擬

采用管棚支護臺階法施工，開挖進尺0.5m、1.0m開挖，計算結果如表4所示：按臺階法開挖比按全斷面法在Y向的位移小，這也從數值上說明采用管棚臺階開挖法能更有效的控制地表下沉；圍巖應力變化規律對稱分布，且第一主應力、第三主應力均小于全斷面法開挖時所對應應力值，且同樣以壓應力為主，符合管棚支護受力特征。

表4 各工況有限元計算結果

3.2 分析結果對比

通過分析比較，發現臺階法開挖所對應的X、Y 方向的位移均比全斷面開挖法所對應的位移量小，說明采用管棚預支護臺階法對管棚的擾動更小。

按全斷面法進行圍巖開挖應力集中在拱腳，按臺階法開挖后應力集中在上臺階拱腳處，數值小于全斷面開挖時，因此臺階法比全斷面法提高圍巖的穩定性更好，但臺階法開挖需工序較多，作業時間較長，但從安全性來考慮，采用管棚臺階法更合理。

4 結 論

本文利用ANSYS計算機軟件對隧道進口采用管棚預支護全斷面法和臺階法兩種開挖方法進行數值模擬，主要結論如下。

1）依托隧道進口段為研究背景，采用計算機數值模擬軟件進行分析，使復雜的工程實際問題簡單化，更生動形象。

2）管棚注漿預支護技術能有效控制軟弱破碎圍巖或土體的地表下沉，并提高圍巖的整體穩定性，尤其采用臺階法開挖更合理。

3）本文只比較了管棚注漿預支護全斷面與臺階法，需進行更多分析以選擇更合適的開挖支護法，從而促進交通事業蓬勃發展。

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（編輯 張海霞）

Numerical simulation analysis of excavation method for tunnel roof advance support

ZHANG Xiao-na, WANG Guo-li

河南省教育廳科學技術研究重點項目(13A560730);黃河科技學院科研項目（KYZR201303）

U455.43

B

1001-1366(2015)01-0051-03

2014-10-11