淺埋偏壓膨脹土隧道大管棚預加固效果分析

曾仲毅　春軍偉

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司　貴陽　550081)

淺埋偏壓膨脹土隧道大管棚預加固效果分析

曾仲毅春軍偉

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要針對小河溝膨脹性黃土鐵路隧道淺埋偏壓段大管棚施工工藝，分析了大管棚的受力狀態和對圍巖的加固效果。利用快速拉格朗日限差分軟件FLAC3D模擬隧道管棚施工，得到各工況下管棚與管棚注漿殼體的受力變形情況和掌子面前方圍巖變形位移，將所得結果與無管棚支護時的圍巖變形位移比較，分析研究管棚預支護效果。試驗分析表明，管棚有效抑制了掌子面前方軟弱圍巖的塑性流動，增強了圍巖穩定性。

關鍵詞大管棚膨脹性黃土偏壓隧道數值模擬

淺埋軟弱圍巖下的隧道開挖，圍巖的自穩能力差，開挖擾動易造成掌子面前方圍巖的大變形，嚴重的會導致隧道塌方，因此需要對開挖擾動區域的圍巖預加固處理，增強圍巖穩定性。管棚法是常用超前支護工法，通過在擬開挖的地下隧道襯砌拱圈隱埋弧線上，預先設置慣性力矩較大的厚壁鋼管，并注漿形成管棚注漿帷幕殼體，防止地表下沉和土層坍塌[1-2]，具有良好的預加固效果，在城市地鐵、山嶺隧道、軟土隧道等復雜工程地質環境中被國內外工程界廣泛采用[3]。

小河溝隧道是新建太興鐵路的一條雙線鐵路隧道，穿過膨脹性黃土地層，埋深較淺，圍巖軟弱松散，設計開挖采用三臺階七步工法結合超前小導管施工，但自進入雨季以來，受雨水滲透影響，圍巖抗剪強度減弱，施工中經常發生塌方事故，造成重大損失。為保障安全施工，控制隧道變形，變更設計擬采用大管棚注漿措施，加固掌子面前方圍巖，控制圍巖變形。本文以小河溝隧道為工程背景，通過數值試驗，研究大管棚注漿對淺埋膨脹性黃土隧道圍巖預加固作用機理，分析管棚的受力特征，探討大管棚注漿對隧道圍巖穩定性和變形控制的作用效果，為設計施工提供參考。

1數值試驗

1.1工程概況與數值模型建立

小河溝隧道位于山西省太原市婁煩縣向陽村附近，該地段為黃土地貌，與工程性質相關的土層主要是出露地表的上第三系(N)膨脹性黃土，膨脹潛勢等級為中等，土呈紅褐色，硬塑，結構致密，呈菱形狀，土內分布有裂隙，斜交剪切裂隙較發育，由細膩的膠體顆粒組成，斷口光滑，局部夾鈣質結核。隧道全長1 803m，最大埋深82m，最小埋深僅5m。里程DK75+190～DK75+210處于隧道偏壓淺埋地段，圍巖軟弱，埋深較淺，最小埋深20m，同時處于匯水區，受雨水影響嚴重，其穩定性較差，極易發生塌方，因此擬采用臺階法結合管棚注漿預支護技術。

數值模擬該淺埋偏壓段的開挖施工，擬采用有限差分軟件FLAC3D，圖1為建立的小河溝隧道的數值模型圖。模型包括52 500個模型節點和48 900個單元，隧道斷面形狀為直墻拱型，按最不利工況，取隧道毛洞單洞跨度為11.96m，高為11.86m。為減小邊界效應的影響，取隧道中心線和隧道底板的交點為原點，模型的左、右及下邊界距離取3～5倍的隧道的開挖直徑，即左、右邊界為60m，下邊界為36m，上邊界為地表，隧道軸線方向取30m。計算模型的左、右、前、后邊界和下邊界均為法向約束，上邊界為自由邊界。圍巖土體的本構模型采用經典的Mohr-Coulomb理想彈塑性模型。膨脹性黃土的力學參數見表1。

圖1　地質模型圖

土層密度/(kg·m-3)彈性模量/MPa泊松比粘聚力/kPa內摩擦角/(°)膨脹性黃土191618.410.352530管棚加固層245039180.2413040

1.2支護結構模擬

在數值模擬中，將管棚鋼管作為簡支梁處理，采用梁單元進行模擬。因為管棚末端部與孔口管焊接成整體，孔口管固定在鋼拱架周邊，因此端部可以承受較大的彎矩和具有較大的豎向抗力，可以將端部按固定支座考慮。對于插入土體中的管棚部分，由于注漿，使得鋼管與周圍巖體結合在一塊，因此將梁單元的節點與周圍巖體應力單元位移協調，從而限制鋼管空間內的平動自由度，但由于鋼管本身與周圍加固體之間的剛度差異很大，因此將梁單元的3個轉動自由度不作約束。其模擬效果見圖2，圖3。

圖2　管棚支護結構圖

圖3　管棚注漿層

管棚采用直徑89mm的無縫鋼管，設計在拱部120°范圍打設，每環長10m，環向間距0.4m，縱向搭接長度3m，外插角5～10°，注1∶1的水泥漿，為增加管棚的抗彎能力，在鋼管內設置鋼筋籠，鋼筋籠由4根主筋和固定環組成，主筋直徑為18mm，固定環采用短管節，節長5cm將其與主筋焊接，按1.5m間距設置，管棚梁結構見圖4。

圖4　管棚梁結構圖

在注漿過程完成后，管棚內充滿混凝土漿液，待漿液凝結后，管棚相當于鋼管混凝土梁。為了考慮管內混凝土及加筋對管棚力學性質的影響，在數值模擬計算過程中，將管內混凝土的作用采用等效彈模的方法處理，即將管內混凝土的剛度折算給管棚，計算方法見式(1)。

(1)

式中：E為折算后管棚的彈性模量；S為管棚截面積；E0為管棚鋼管彈性模量；S0為管棚鋼管有效截面積；Sg為混凝土的有效截面積；Eg為混凝土的彈性模量，取1.5×1010Pa；Ss為 鋼筋的有效截面積；Es為鋼筋的彈性模量，管棚梁等效參數見表2。

表2　管棚梁單元和單位長度殼單元計算參數

注漿完成后，長管棚與注漿加固圈在拱頂形成了穩固可靠的固結殼。在模擬計算中，為了考慮這種殼效應，通過提高管棚與加固圍巖形成的厚筒結構的參數來實現，并通過線彈性本構模型單元模擬管棚注漿層。單排注漿管注漿時厚筒的厚度計算方法見式(2)[4]。

(2)

式中：D為注漿厚筒的厚度；R為漿液的擴散半徑；S為相鄰2注漿孔的間距。經計算得管棚加固區的有效厚度為60cm，數值模擬中采用線彈性本構模型模擬管棚注漿層，其模擬圖見圖3，其參數選取見表2。

隧道的初期支護采用I22型鋼拱架，縱向間距0.5m/榀，噴射C25混凝土30cm。開挖施工工法采用臺階臨時仰拱，在中臺階上布置I22b鋼架并噴射20cm厚的混凝土作為臨時仰拱。數值計算中用殼單元等效模擬由鋼拱架和噴射混凝土構成的組合結構[5]，等效剛度計算見式(3)：

EI=E1I1+E2I2

(3)

式中：E為等效后殼單元的彈性模量；E1，E2分別為噴射混凝土和鋼拱架的彈性模量；I為等效殼單元慣性矩；I1，I2分別為噴射混凝土層和鋼拱架橫截面慣性矩；等效后殼單元的計算參數見表2，初期支護殼單元模型見圖2。

1.3施工步驟模擬

數值模擬開挖嚴格按照隧道施工工法，計算地應力平衡后，首先添加大管棚梁單元和管棚注漿加固殼體，然后開挖上臺階，緊接著對上臺階圍巖添加初期支護殼單元，并在臺階上添加臨時仰拱的殼單元，計算穩定后開挖下臺階并添加支護，最終計算至平衡。開挖后位移云圖見圖5。

圖5　開挖后位移云圖

2試驗數據分析

為研究大管棚對掌子面前方加固效果，在隧道拱頂軸線方向上每隔1m布置一個監測點，監測開挖過程中沉降值變化，點布置見圖6，各點沉降位移與未添加管棚注漿支護的開挖工法相比較，所得結果見圖7。

圖6　 隧道拱頂縱向監測點

圖7　沉降位移圖

由圖7可見，管棚和管棚加固的區域的最大位移和最大應力并不是發生在掌子面上，而是發生在掌子面前方未開挖階段，距掌子面4～5m的范圍內，圍巖的變形達到最大值，未加管棚時位移達到了55cm，圍巖基本上已經進入塑性破壞狀態。而管棚注漿超前支護后，其掌子面前方的圍巖最大沉降位移控制在8cm以內，并且在偏壓狀態下，這種最大變形和位移發生在受偏壓力的右拱腰上，這充分證明了管棚對掌子面前方土體預支護作用，保證了掌子面前方土體的穩定性。

管棚梁單元彎矩與形變見圖8，管棚注漿殼體單元豎向應力云圖見圖9。

圖8　管棚梁單元彎矩與形變圖

圖9　管棚注漿殼體單元豎向應力云圖

由圖8～9可見，管棚和管棚加固區域的最大彎矩和最大應力并不是發生在掌子面上，而是發生在掌子面前方未開挖階段，距掌子面4～5m的范圍內，與前述監測位移曲線變化相符合。

3結論

(1) 大管棚注漿法使鋼管與圍巖通過漿液充填縫隙而形成一體，從而限制了管棚與圍巖的相對運動，同時形成強度較高的管棚注漿層殼體。

(2) 由數值模擬結果中管棚的變形可知，管棚在掌子面前就有了一定的變形，這也說明管棚可以承擔掌子面前方的荷載，減小地層工前沉降，同時起到阻隔沉降和均勻地層沉降的作用，控制掌子面前方土體的位移，防止前方土體的塌方涌入。

(3) 管棚承擔了圍巖一部分縱向荷載，減少了拱頂初期支護圍巖受力，增強了隧道的安全系數。

參考文獻

[1]伍振志,傅志鋒,王靜,等.淺埋松軟地層開挖中管棚注漿法的加固機理及效果分析[J].巖石力學與工程學報,2005(6):1025-1029.

[2]張川,楊春滿,左永江.松軟地層水平管棚工藝參數的研究[J].煤炭學報,2000(6):607-609.

[3]PEILAD.Atheoreticalstudyofreinforcementinfluenceonthestabilityofatunnelface[J].GeotechnicalandGeologicalEngineering,1994,12(3):145-168.

[4]孫士成,楊釗,姜安龍.小相寨隧道進口段管棚支護參數優化分析[J].南昌航空大學學報:自然科學版,2009(1):79-83.

[5]徐幫樹,楊為民,王者超,等.公路隧道型鋼噴射混凝土初期支護安全評價研究[J].巖土力學,2012(1):248-254.

TheAnalysisofLargePipeRoofSupport

ReinforcementinShallowSwellingLosessTunnel

Zeng Zhongyi, Chun Junwei

(GuizhouTransportationPlanningSurvey&DesignAcademeCo.,Ltd.,Guiyang550081,China)

Abstract：XiaohegoutunnelisanunderconstructionshallowswellingloesstunnelwithLargePipeRoofSupport.LargePipeRoofSupportconstructionandexcavationofthetunnelweresimulatedbytheFastLagrangianfinitedifferencesoftwareFLAC3D.Thepiperoofloadingstatesandthedeformationofsurroundingrockinfrontofthetunnelfacewereobtainedineachstepofexcavation,andtheresultswerecomparedwithasimulationwithoutLargePipeRoofSupport.TheresultsshowthatthereinforcementeffectofPipeRoofwastorestraintheplasticflowofsoftsoil.

Keywords:largepiperoofsupport;swellingloess;unsymmetricallyloadedtunnel;numericalsimulation

收稿日期：2014-10-28

InfluenceontheStabilityofHydropowerStationDiversion
TunnelSurroundingRockbyInterlayerShearZone

Tian Jiao, Zhu Jinbo

(GuizhouTransportationPlanningSurvey&DesignAcademeCo.,Ltd.,Guiyang550081,China)

Abstract：Based on field investigation, the characteristics of a hydropower station interlayer shear zone is analyzed and its influence on the stability of the diversion tunnel is summarized. By numerical calculation, the influence of interlayer shear zone on the left bank pilot tunnel and the diversion tunnel are analyzed, as well as the stability of the right bank block. This study provides the basis for determining the appropriate supporting scheme of the diversion tunnel of hydropower stations.

Key words:interlayer shear zone; diversion tunnel; the stability of surrounding rock

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.01.038