淺埋隧道下管棚支護參數優化分析

(重慶交通大學 重慶 400000)

管棚法是在隧道開挖輪廓線以外，以一定間距、角度，打設一定長度的鋼管作為支撐，并通過鋼管注漿同時加固圍巖，確保隧道開挖安全的一種支護體系。它具有支護距離長、安全性高、施工速度快、工期短等優點，因此，被廣泛運用于地鐵隧道、地下通道等工程中。雖然相關研究較多，但管棚支護的設計參數主要根據經驗得到。為此，借助前人研究成果，筆者針對回龍灣隧道工程暗挖段施工和復雜的地質、環境條件，采用數值計算軟件對管棚預支護設計參數中管棚的布置角度、鋼管直徑的變化、鋼管間距的變化、隧道開挖步距對管棚預支護效果的影響進行系統分析，總結規律，為復雜地質條件下淺埋暗挖隧道的管棚預支護設計提供參考。

一、工程概況

以重慶鐵路軌道東環線回龍灣隧道為例，該隧道位于南溫泉背斜東翼，單斜構造，產狀N20～43°E/35～45°NW，未見斷裂構造形跡。地下水以基巖裂隙水為主，地下水不發育，地下水無侵蝕性，預計該段最大涌水量為950T/d。洞身段以泥巖為主，質軟，易出現拱頂掉塊、剝落、坍方，隧道進口左側挖方邊坡順層。隧道進口覆蓋0～2m粉質粘土，拱頂至地面約為5.2m，隧道洞身基巖為侏羅系中下統自流井組，珍珠沖組泥巖夾砂巖、砂巖，強風化層厚1～4m。隧道DK23+580～DK23+650段為下穿龍洲灣公路隧道段，拱頂離公路隧道底5～7m，施工易發生塌方，沉降。

二、管棚的參數選取

該隧道洞跨為10m,洞高為5m,根據上述洞室開挖對周圍巖體的影響范圍,有限元計算分析范圍取水平方向至少四倍的洞跨，這里取50m,洞室中心左右各25m，豎向從隧道底部向下取為簡化計算,縱向取15m,隧道底部到模型邊界為5m，上部為巖體。模型左、右、前、后和下部邊界均施加法向約束。圍巖以泥巖為主，部分泥巖夾砂巖，圍巖較破碎。泥巖屬于軟質巖，易風化軟化，節理裂隙發育，故采用隨機裂隙模擬節理發育情況。對所研究的下穿龍洲灣隧道段和洞口段由工程資料對隧道參數進行取值。圍巖密度取2.3g/cm3，內摩擦角取33°，彈性模量取1.5Gpa。節理法向剛度取2Gpa/m，節理剪切剛度取0.5Gpa/m，節理摩擦角取23°。管棚支護采用直徑108mm，長30m的大管棚，打入仰角為3°，管棚間距40cm，管棚等效剛度65Gpa，注漿區域圍巖等效彈性模量取7Gpa，注漿區域厚度由經驗值取0.4m。

三、與工程實例對比

建立模型對管棚沉降計算后結果如下：

可以看到，洞口段管棚的最大沉降值約為1.32cm，拱頂上方沉降值為1.2mm左右。現場檢測沉降數據最大沉降值為12.8mm，表明洞口段數值模擬結果與現場監測結果吻合度較好。

四、管棚參數優化分析

(一)管棚直徑對支護效果的影響

在設定地層條件及管棚其它參數一致(環向間距0.4m的情況下，選擇鋼管直徑分別為50mm,100mm,150mm,200mm,250mm和300mm六種情況進行模擬分析。

將各管棚直徑帶入模型計算后最大撓度的結果如下表所示：

直徑/mm撓度/mm5025100131508.62006.92506.13005.9

隨著管棚鋼管直徑的增大，管棚撓度和受力有非線性減小的趨勢，這說明相對較大直徑的管棚可以有效地控制周圍巖體的松動破壞，加強管棚的超前預支護作用;另外，隨管徑的增大其抗彎能力加強。因此，為保證周圍巖體及工作面巖體的穩定以及控制地層變位至某一限定值，就應增加超前支護鋼管的直徑。但單純依靠增大管徑并不能帶來預期的作用效果，鋼管直徑存在著最佳直徑的概念。在上述實例中，管棚直徑在大于150mm后沉降值減小趨于平緩，故管棚最佳直徑選擇為150mm。

(二)管棚環向間距對支護效果的影響

對于管棚超前支護的間距，無疑減少間距意味著土體力學性能的改善，對管棚與土體成拱有促穩效應。因此若地層條件差，則管棚應加密布置。根據回龍灣隧道的地質條件，在設定地層條件及管棚其它參數一致的情況下，選擇鋼管環向間距分別為0.3m，0.4m，0.5m，0.6m四種情況進行模擬分析。

計算結果如下:

環向間距管棚沉降0.3m1.32cm0.4m1.49cm0.5m1.73cm0.6m2.52cm

從以上結果來看，管棚間距的減小，有利于管棚支護發揮作用，在間距大于0.5m時，管棚支護效果明顯減弱，排布間距從0.6m減小到0.5m使最大沉降值減小了9.1mm。而在間距小于0.5m時，減小管棚排布間距對拱頂沉降的影響就逐漸減弱，0.5m減小到0.4m間距僅僅使沉降值減小了2.4mm。而0.4m減小到0.3m沉降值減小了1.3mm。

從管棚撓度來看，對于前述條件下本計算模型來講，隨著管棚環向間距的增加，撓度有著減小幅度逐漸減緩的趨勢，所以并不是單純減小間距就能明顯改善支護效果。對于特定的條件下，在滿足預支護作用的同時，存在相對較優的管棚環向間距，對于本計算模型，在管徑為150mm情況下以0.3m為較優。

(三)管棚的注漿加固區厚度對支護效果的影響

在此以回龍灣隧道工程實例為計算依據，分別模擬注漿厚度為0cm，10cm，20cm，30cm，40cm，50cm的工況下對管棚支護效果的影響。

這里計算時設定鋼管直徑150mm，壁厚6mm，排布間距30cm，彈性模量E=65.6Gpa，泊松比μ=0.262。分別帶入上述五六種工況進行模擬，計算結果如下：

注漿厚度cm管棚最大沉降值mm050.11028.62020.63013.244010.78508.32

通過計算結果可以看到，注漿厚度在小于30cm 時，從0cm增大到30cm明顯降低了管棚沉降，證明增大管棚注漿厚度可以有效提高土體參數，增強支護效果。但是在從30cm增大到40cm時，管棚沉降值僅僅減少了3mm，從40cm增大到50cm時，僅僅減少了2.4mm。所以在注漿厚度超過30cm后，僅增大注漿厚度對支護效果的影響已經不大了，而增大注漿厚度對施工難度的增加就越發明顯。所以注漿厚度采用40cm最為經濟且滿足支護效果。

四、結論

1.鋼管直徑的增大對增強管棚支護效果存在限值，要依據實際工程的情況選取，在本工程中選擇150mm直徑為最優選擇。

2.管棚支護效果隨之管棚間距減小而增強，一般布置間距為30～60cm之間，本工程選擇30cm可以最大程度發揮超前支護效果。

3.注漿厚度對支護效果影響明顯，而單純的增大注漿厚度對優化支護效果幫助不大，本工程中取40cm為最優選擇。