隧道管棚預支護技術數字化建模及優化研究

張鑫 杜孟超

摘 要：本文主要對隧道施工過程中的圍巖失穩和破壞機理進行分析，對管棚預支護技術的應用場合、支護形式進行整理，對管棚和施工導向墻進行參數化設計，并借助經典力學理論知識，通過數字化建模和數學計算推導出管棚設計的關鍵技術參數和重要指標參數。

關鍵詞：管棚支護;鉆爆法;預支護;穩定性分析

中圖分類號：U455.7文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）31-0124-04

Study on Digital Modeling and Optimization of Pre-Support

Technology for Tunnel Pipe Shed

ZHANG Xin DU Mengchao

（Xi'an China Railway Engineering Equipment Co.， Ltd.，Xi'an Shaanxi 710200）

Abstract： This paper mainly analyzed the instability and failure mechanism of surrounding rock in the process of tunnel construction， sorted out the application occasions and support forms of pipe roof pre support technology， carried out parametric design for pipe roof and construction guide wall， and deduced the key technical parameters and important index parameters of pipe roof design with the help of classical mechanical theory and digital modeling and mathematical calculation.

Keywords： pipe shed support;drilling and blasting method;pre-support;optimization analysis

1 研究背景

隨著我國公路、鐵路修建里程不斷增加，隧道施工里程也在不斷增加。隧道施工往往需要穿越如軟弱大變形、富水、嚴重風化、斷層等各種復雜的地層，施工難度大。當隧道施工面臨淺埋地段、軟弱破碎地層及大面積淋水或涌水等不良地質條件時，施工難度急劇增加，掌子面圍巖穩定性將嚴重降低，易出現失穩風險，甚至會出現隧道洞體坍塌、冒頂等重大工程事故。為了提高隧道掌子面及拱頂的穩定性，使隧道能按照正常進度進行施工，可以采用管棚超前預支護方法進行巖體結構加強性支護，以達到加固圍巖、提升隧道施工安全的目的。

本文首先對幾種常見類型圍巖的受力形變特性進行了描述，然后對管棚預支護技術的應用場景、布置形式及系統關鍵參數的計算方法進行研究，最后對關鍵參數計算結果進行評價與優化，以達到提高管棚支護系統安全性，提升施工性價比的目的。

2 不同類型圍巖受力擾動變形形式及特點

隧道開挖后，形成的洞室破壞了原始圍巖的穩定性和應力平衡，造成巖體的載荷回彈[1]，導致應力和地下水重新分布，并引起圍巖變形、破壞。通常情況下，圍巖的應力變化分布是從洞室周圍向巖體內部逐漸減弱的，特別是對于洞室周圍拉應力和壓應力集中的區域，應力釋放更為明顯。

隧道施工所造成的圍巖變形破壞程度和特性還與圍巖的巖性和結構有關，在遭受相同程度的施工擾動后，不同巖性和結構的圍巖內部巖體松動程度和圍巖破壞效果相差較大，所釀成的工程事故嚴重程度也相差較大。

對于硬度較大的塊狀巖體，巖體本身具有較強的力學強度和抗變形能力，結構面較長且較稀疏，裂隙水含量極少，屬于均質且各向同性的連續介質。此類巖體應力與應變呈線性關系，受到擾動破壞時主要發生脆性開裂、巖爆等現象。巖爆時應力快速釋放將巖塊迅速射出，產生氣流和聲音，造成洞室內施工設備與人員損傷。在洞室周圍壓應力和拉應力集中的區域，極易產生巖體的脆性開裂，降低巖體穩定性，造成局部塌方，引發安全事故。

軟硬巖體分層交互出現的巖體地層，巖體結構主要由里層面為主，并夾雜伴隨有層間錯動和泥層等質地軟弱的結構發育。由于巖體層間物質類型屬性質地差距較大，很難達到各向同性的連續介質屬性，在受到擠壓等擾動時，極易因應力急劇變化而造成巖體的彎曲、開裂。在距離洞室較近的巖體中，因應力變化較大而極易造成彎曲折斷，若不能對巖體進行及時支護，極易造成局部巖體的坍塌跌落。由于洞室頂部巖體受重力影響，極易因拉應力變化造成巖體層狀彎折，造成塌落，洞室側壁巖體因彎折產生鼓包現象，引發隧道變形和相關事故。

對于碎裂巖體，由于具有一定程度的碎裂，并含有一定量的泥沙，若碎裂和夾泥含量低，巖體將具有一定程度的自穩性，不易造成大規模塌方;若碎裂和夾泥含量較高，巖體剛性較弱，隧道施工時如不及時進行支護，易產生大的塌方事故。

對于受風化嚴重或新近堆積的松散巖體，其力學表現多為彈塑性、塑性或流塑性，其遭受破壞時多以拱形的冒落形式，造成隧道內巖體的局部塌方、塑性擠入和滑動變形等。

所以，在不同類型巖體環境中進行隧道管棚支護作業時，應結合不同巖性地層的特點綜合考慮管棚參數的計算、評價與優化。

3 管棚設計與支護參數研究

3.1 管棚預支護技術應用場合

管棚超前預支護技術作為較為重要的一種隧道施工輔助方法，近年來在國內外各種工況的隧道及地下工程施工過程中被廣泛應用。管棚超前支護技術主要被用于軟弱土層、砂礫地層或軟巖、巖堆、松散、破碎帶等地層中，起到加固地層、防止地面沉降和地面設施損壞等作用，有效保障隧道的施工安全[2]。

3.2 管棚預支護的形式和參數設計

3.2.1 管棚布置形式。為保證隧道洞室施工安全，防止洞室發生局部坍塌，管棚預支護應沿隧道開挖截面輪廓形狀的外周布置，重點布置在易發生損壞、坍塌的隧道拱頂、側壁等位置或需重點防護的位置。主要布置形式為將棚管按照防護要求以一定間隔排列于支護面外輪廓。棚管的具體配置和布置形狀取決于實際施工隧道的地質特性、地表建筑物或設施情況等。

對隧道施工重點部位進行管棚的超前布置，可以在隧道重點部位形成以鋼拱架支撐為主體的梁結構。以加固局部巖體。同時，棚管多為中空鋼管，可通過鋼管向重點區域巖體注入水泥砂漿、水玻璃等巖體加固材料，以加固圍巖性，保證隧道掌子面和重點防護區域的巖體穩定。

3.2.2 管棚預支護參數設計。管棚預支護的設計參數主要包括鋼管選型、管棚長度、仰角、棚管間距、掘進步距、鋼拱架間距以及管棚水平搭接長度等。目前，管棚所采用的鋼管多為熱軋無縫鋼管，隨著國內外隧道管棚預支護技術的發展，管棚的形式和種類也日趨多樣，按照國內目前常規管棚應用情況，管棚主要設計參數如下。

鋼管參數。通常選擇鋼管外徑為89～109 mm（小直徑），109～200 mm（大直徑）;長度4～6 m，采用焊絲或絲扣（>15 cm）進行分段連接，安裝仰角為3°～5°。

鋼管間距。鋼管間距主要受巖土穩定性和鉆機施工精度影響，假設管棚鋼管在隧道拱頂以半圓形（圓心角為[α]）斷面均勻排布。根據幾何關系及施工經驗，可確定第[i]根鋼管與地面的距離：

第[i]根鋼管的間距為：

其中，[Li]為第[i]根鋼管到地面距離;[L]為隧道拱頂到地面距離;[gi]為第[i]根鋼管的鋼管間距;[R]為鋼管支護半徑;[α]為圓心角。管棚布局橫截面模型如圖1所示。

3.2.3 管棚支護長度。管棚支護掘進步距過長或過短都會影響施工效率和施工安全。根據實際施工經驗，掘進步距應控制在0.5～2.0 m。管棚支護長度計算簡圖如圖2所示，計算公式如式（3）和式（4）所示。

其中：[S]為管棚支護長度，m;[a]為外露鋼管長度（可理解為鋼拱架寬度），m;[b]為任意一個循環進尺，m;[c]為超前支撐長度，m;[θ]為安裝仰角，°。

3.3 管棚施工導向墻設計

為保證管棚施工鋼管打入方向準確，同時對鋼管進行支撐，需要在管棚施工工作室的工作面位置制作一定厚度和硬度的混凝土防護墻，作為管棚施工的起始端，用以固定鋼管，確定鋼管導入方向。同時，可防止在管棚注漿作業時漿液流入管棚工作室，影響管棚施工。套拱內按照固定間距預埋安裝有事先制作好的鋼拱架，鋼拱架內部安裝有鋼套管，管套孔口設置有外插角，可以起到管棚鉆機施工導向和預防鉆機鉆頭因自重下沉的作用。

鋼拱架設計是按照圓形隧道的結構形式，結合彈性力學相關理論對其進行設計計算的[3]。設圍巖豎直方向的自重應力：[?z=∫zdz]，圍巖水平方向的應力：[?x=μ1-μ?z]，則圍巖初始應力為：

隧道開挖后的應力場：

其中：t為孔口半徑，m;r為徑向變量，m;[θ]為角度變量。

管棚施工的位移分量計算：

洞室周邊發生位移計算：

圍巖發生三次位移計算：

其中：

根據力學分析及數學計算得知，在法向方向圓環襯砌內力為：

若[st≠0]，此時變形協調條件必須滿足環向與切向位移連續，從而得到[st]、[sn]的數值：

此時襯砌內力為：

最大內力為：

其中：

式中，[E1]為彈性模量;I為慣性矩，N·m;[μ]為泊松比;[r]為重度，kN/m;[E]為圍巖彈性模量，kPa;t為孔口半徑，m。

同時可得所需鋼筋最大截面積：

其中：[Nmax]為最大壓力，N;[f]為鋼材抗拉抗折強度，N/mm2。

4 管棚施工受力模型建立及掌子面穩定性分析

4.1 管棚施工受力模型建立

由于模型的建立受施工區域土體條件、支護條件和施工步驟的影響較大，因此，若想成功建立管棚施工模型，必須對各項施工因素進行設定，假設施工地域圍巖介質各向同性，管棚幾乎不會產生橫向剪切變形以及薄膜效應，管棚的水平方應力為0，忽略圍巖的地下水影響和鋼管與巖體的摩擦力影響。同時，根據實際施工現場經驗分析，結合現有的管棚設計方法，在隧道施工過程中，將管棚進行分區域模擬，將焊接在鋼拱架上的管棚端視為固定端，掌子面前方巖體中的部分采用彈性地基梁進行模擬，后方部分采用梁模型進行模擬[4]。可將施工過程中管棚和巖體的受力問題映射為兩種介質接觸面處的接觸應力問題進行研究，根據理想狀態，假設隧道開挖時地基反力為直線分布[5]，結合前面的章節的各種條件假定，建立管棚施工力學模型如圖3所示。

其中：AB為開挖面前方地層到掌子面段;BC為掌子面到距離最近的鋼拱架段;CD段為掌子面與破裂面部分;DE為破裂面到固定端部分;[qx]為x段梁上的分布載荷;[px]為x段梁上的地基反力。根據幾何關系求解得管棚BC、CD、DE段的撓度曲線方程可化簡為：

其中：[x]表示任意段梁的長度，m;[y]為地基沉降量，m;[q]為x段梁的分布載荷，N;[E]為梁的彈性模量，MPa;[I]為梁的界面的慣性矩，m4。

通過求解以上方程式，可得到管棚的撓度、轉角、彎矩和剪力方程，從而確定管棚設計的各關鍵參數。

4.2 管棚作用下的掌子面穩定性分析

通過上節對管棚支護系統的關鍵參數計算可知，管棚系統對隧道掌子面的穩定性影響問題，本質為管棚與圍巖相互作用下接觸應力的邊坡穩定問題，可以通過極限平衡法、極限分析法及有限元分析法等傳統的邊坡穩定分析法對管棚支護系統作用下的掌子面穩定性進行分析，從而優化管棚支護系統的各設計參數，提高隧道施工的安全性。

5 結語

本文通過對地質施工環境條件進行假定，通過經典力學理論和數學推導，建立了管棚超前支護的數字化模型與管棚預支護系統的關鍵參數方程。可根據導入實際施工環境參數推導出管棚施工的重要設計參數，指導管棚系統關鍵設計參數的取值。同時，根據數學模型方程，求解出管棚系統的重要指標，并通過對關鍵參數計算結果的評價與優化，達到提高管棚支護系統安全性、提升施工性價比的目的。將管棚超前預支護技術應用于隧道施工過程中，對保證掌子面穩定性和控制地表沉降等具有極為重要的作用。在實際施工中，隧道管棚施工是個受多維因素影響的過程。本文采用二維穩定性分析方法進行數字化建模分析，此分析方法放大了施工安全系數，提升了隧道施工的安全性，對管棚設計施工和系統優化具有重要的驗證指導意義。

參考文獻：

[1]楊甲豹.破碎圍巖中管棚預支護理論及應用研究[D].長沙：中南大學，2010.

[2]朱保國.軟弱破碎圍巖隧道中管棚超前預支護技術研究[D].成都：西南交通大學，2005.

[3]寇永照.管棚支護參數優化及計算程序設計[D].西安：西安科技大學，2012.

[4]陳佳正，湯華，戴永浩.鉆爆法施工管棚支護精細模擬研究[J].科技通報，2020（6）：63-65.

[5]郭磊.淺埋暗挖水下隧道管棚作用機理及開挖的擾動效應研究[D].長沙：中南大學，2010.