基于ABAQUS隧道開挖中管棚超前支護效果有限元分析

楊 昊

（1.安徽省建筑科學研究設計院綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑工程質量第二監督檢測站，安徽 合肥 230031）

1 引言

隨著中國城市化進程的推進，城市人口不斷增加，可使用城市空間越來越少，因此對關于地下空間的開發利用以及已有地下結構加固等方面的研究十分必要。而隧道工程作為地下結構的重要組成部分，在促進經濟發展、改善民生、提高城鎮居民幸福指數等方面扮演著極其重要的角色。

合肥市地鐵口復雜土質環境的隧道開挖，西安地鐵6號線區間隧道淺埋暗挖施工穿越地裂縫場地、福建三明莆炎高速公路布盂隧道工程均采用了管棚超前支護的施工方法[1-3]。管棚支護在實際中有著廣泛的應用，而對管棚支護的研究也極具意義。除施工領域實際測量分析外，國內外眾多學者也從數值計算角度對管棚超前支護方法進行了分析，岳洪武[4]采用MIDAS/GTS有限元軟件建立了軟弱巖層的有限元模型并分析管棚支護結合注漿施工方法的支護效果。趙文財[5]等人建立有限元模型分析研究了管棚支護對黃土隧道開挖的積極影響。本文利用ABAQUS有限元分析軟件建立了隧道開挖的有限元模型計算分析了管棚施工的支護效果，為隧道開挖中管棚超前支護的優化設計提供依據。

2 有限元分析

管棚支護是把一組鋼管沿著開挖輪廓外已鉆好的孔中打入地層，并與鋼拱架組合形成棚架預支護加固體系支撐來自管棚上部的荷載。為分析管棚支護效果，本節將建立有限元模型模擬含管棚支護的隧道初步開挖結果。有限元分析所涉及的管棚支護方法具有以下特點。為簡化有限元計算[6-11]，模型采用半徑120mm的鋼管，厚度為20mm，角度為1°，單根長度5m，沿拱架布置一周，共計24根，沿隧道深度每隔5m布置一個。隧道半徑為4m，埋深10m，加固巖土層厚0.5m，主要物理力學參數如表1。

物理力學參數 表1

2.1 模型建立與網格劃分

在模型中，隧道半徑為4m，圍巖高為20m，寬為16m，注漿巖層厚0.5m，鋼管半徑為0.12m，厚度為0.02m，拱架厚度為0.3m，沿隧道深度為5m。圍巖及注漿巖層采用實體C3D8R單元，鋼拱架采用殼單元S4R，鋼管采用T3D2桁架單元，加固巖層與圍巖之間接觸定義為硬接觸，切向摩擦系數為0.8，圍巖與棚架之間接觸定義為嵌入。模型中主要含圍巖、加固巖層、管棚結構。管棚單元和注漿巖層單元分別如圖1、圖2所示。同時建立不含棚架支護的有限元模型，與上述模型區別在于其僅有圍巖、注漿巖層單元而不含管棚單元。

圖1 管棚單元

圖2 注漿巖層單元

2.2 有限元計算結果

圖3～圖6為有限元計算結果相關云圖。對比應力云圖可知，棚架支護可有效降低隧道周邊注漿巖層的應力，降低率可達31.5%。同時管棚支護降低了隧道周邊注漿巖層的應力集中，較不含管棚結構的隧道而言，含管棚支護的隧道，其周邊巖層受力更加均勻。

圖3 不含管棚支護模型Y向應力云圖

為準確表征位移沉降，反映棚架支護效果，定義Δ為注漿巖層頂端與底端節點位移差，Δ0為不含棚架節點位移差，Δ1為含棚架節點位移差。調用節點位移和應力峰值計算如下：

雖然棚架結構會增加隧道重量，導致隧道整體下沉，但在工程實踐中，通常會對隧道下部巖土進行夯實等工序，從而降低隧道的整體沉降。對比節點位移差可知棚架支護可有效控制隧道變形，防止隧道垮塌。

圖4 不含管棚支護模型位移云圖

圖5 含管棚支護模型Y向應力云圖

圖6 含管棚支護模型位移云圖

不同的地質條件，管棚支護效果也不相同，本文在上述研究的基礎上對四種不同材料參數的巖土隧道[12]開挖隧道建立有限元模型，材料參數如表2，是否含有棚架支護的兩種隧道位移差δ=Δ1?Δ0，無棚架支護與棚架支護注漿巖層內最大應力比值如圖7所示。

圖7 兩種隧道應力關系與變形關系

材料參數表 表2

由圖7可得，隧道圍巖彈性模量大小對管棚支護效果影響十分明顯。當巖土彈性模量為15MPa時，棚架支護效果明顯，隧道變形量差值即圖7所示的位移差值可高達37.54mm，加固巖層最大應力比值F0MX/F1MX可達17.2，管棚支護極大地降低了注漿巖層區域的應力集中，減小了隧道變形量。但隨著巖土彈性模量的增加，管棚支護的作用效果迅速降低，當巖土彈性模量為150GPa時，位移差值僅為4.2mm，應力比值為1.1，管棚支護的作用效果不明顯。

3 結論

本文通過建立有限元模型分析了管棚支護對不同隧道初步開挖的影響結果，主要結論如下：

①超前管棚支護的施工工藝能有效地阻止隧道變形，保證隧道完整，由應力云圖可以看出隧道中管棚及鋼拱架單元受力較大，管棚結構能起到明顯的承重效果；

②注漿巖層在隧道開挖過程中扮演著重要的承重作用，但僅僅有注漿巖層難以實現較為優異的支撐效果，注漿巖層搭配棚架支護，能有效緩解巖層的應力集中，減小隧道變形；

③巖土力學參數不同，棚架對其內的隧道支護影響不同，當巖土的彈性模量較小時，管棚結構可以起到明顯的支護效果，管棚及注漿巖層的利用也更加充分，隨著巖土彈性模量的增加，這種積極影響被削弱。