隧道下穿高速公路長管棚預支護技術研究

李志強

（中鐵二十二局集團第五工程有限公司，重慶 400042）

1 研究背景

隨著高速鐵路建設規模日益擴大，高鐵線路不可避免地要與公路進行交叉，線路交叉施工極易引起塌方、變形等工程病害問題，因此對交叉施工中縱橫沉降、開挖圍巖變形控制已然是各方關注和研究的重點。受施工區域的地質構造及水文情況影響，碎裂圍巖、不規則裂隙發育、涌水等情況通常會加劇下穿隧道的坍塌、變形侵限等問題。隧道施工引起的沉降情況如圖1 所示。

圖1 隧道施工沉降情況三維示意圖

有研究表明，隧道施工沉降量的30%～40%以及拱頂沉降的40%～50%是在施工初期預支護未完全發生作用時產生的1。因此在隧道下穿高速公路項目暗挖施工中，可采用長管棚預支護技術控制地表、隧道拱頂的變形，將隧道凈空變形、地表變形等指標降到最低。鑒于本工程淺埋偏壓隧道下穿高速公路的特性，有必要開展長管棚預支護技術對這類地層的力學效應分析，以期獲得隧道變形特征及支護參數，為同類工程建設提供借鑒。

2 工程概況

HK 客專某段隧道工程位于G 省六盤水紅果市，總長度為1428m，其背陰坡隧道洞身下穿G60 鎮勝高速公路，線路交叉角為22°，隧道拱頂至公路路基路面相對高差僅18.4m，距高速公路路肩擋墻基礎底最小距離僅4m，與高速公路橋梁樁基凈距僅有6.5m。具體工程平面圖如圖2 所示。

圖2 HK 客專某隧道下穿高速公路段平面圖

隧道施工區基巖大多裸露，巖性有灰巖、白云巖、泥灰巖夾砂巖等。施工區域內孔隙水、巖溶水富水程度高，并且分布不連續，巖性變化較大、自穩能力差，且隧道小交角淺埋下穿高速公路，施工難度極大，是全線重、難點工程，縱斷面圖如圖3 所示。

圖3 HK 客專某段隧道下穿高速公路段縱斷面圖

3 長管棚預支護體系力學效應分析

3.1 研究思路

隧道開挖是一個三維的動態力學過程，根據大量的測試結果、理論推導、現場經驗等方面得出，不論是超前支護的受力與變形，還是隧道掌子面的應力應變波動過程，或是施工對圍巖支護的擾動均是空間范圍內且與時程有關的變動。HK 某客專隧道下穿高速公路段工程采用“三臺階七部”開挖法，每部開挖進尺為0.5m，此段管棚長度40m（含5m 重疊區域），圍巖較破碎，下穿段正好位于鎮勝高速下方，管棚頂端距離高速路擋墻基礎下端最小距離只有4m～6m。因此，重點研究管棚預支護對于隧道穩定性的影響，建立有限元分析模型對管棚預支護條件下的開挖和施工過程進行數值計算，根據模擬計算結果對管棚支護效果及隧道圍巖應力應變、管棚鋼管內力、地表沉降、凈空變形的數據進行綜合分析。

3.2 建立有限元模型

3.2.1 模型的建立

建立MIDAS/GTS 有限分析模型：隧道X 方向取150m，隧道底面豎直向下取70m，沿隧道軸向取一段管棚長度40m。模擬隧道橫向最大距離15m，隧道凈高取10m，隧道圍巖按勻質彈塑性材料考慮。采用Mohr-Coulomb 本構模型進行預支護結構的彈性計算；圍巖采用四面體與六面體混合實體單元，初期預支護為16cm 厚C20 噴射混凝土配合工字鋼及錨桿，采用板單元模擬；管棚為直徑108、壁厚6mm、環形間距為40cm、長度40m 的鋼管，采用梁單元模擬；整體模型按重力應力場考慮忽略構造應力場，同時，模型兩側約束X 方向位移，前后面約束Y 方向位移，底部約束Z 方向位移，頂部不加約束，為自由面。具體模型建立如圖4 所示。

圖4 模型各部分網格圖

隧道外輪廓線內網格軸向劃分，其余圍巖部分網格傾斜22°，重點側重于各應力數據計算的離散化。如圖5 所示。

圖5 模型對隧道與上行高速公路交角表現示意圖

3.2.2 物理力學參數

模型中力學計算的參數（包括巖體參數），如表1 所示。

表1 圍巖及支護材料計算參數

表2 噴射混凝土的力學參數

3.2.3 與施工方法協同模型建立

隧道開挖采用“三臺階七部”法進行，長管棚注漿后施工圍巖固化成殼狀，類似于拱形支護結構，將拱頂處圍巖產生的壓力荷載分散至周邊圍巖，減小隧道拱頂進入塑性區的可能性，保證掌子面附近穩定性。如圖6、圖7 所示。

圖6 三臺階七部開挖方法示意圖

圖7 錨桿初期支護圖

先將相應參數帶入模型進行長管棚預支護各彈性模量的模擬計算，模擬中將管棚視為各向同性彈性結構，將管棚的彈性模量折算成整個斷面的彈性模量，式（1）：

式（1）中:E 為長管棚折算后整體斷面的彈性模量；E0在施工中所選用混凝土的彈性模量；Sg選用鋼管的截面積;Sc為選用混凝土的截面積；Eg為選用鋼管的彈性模量。管棚加固區徑向寬度取0.6～0.7 倍的鋼管間距，即：2×0.4×0.7+0.108=0.668m，取0.8m，管棚網格圖如圖8。

圖8 管棚網格圖

3.3 管棚及隧道施工模擬結果

將圍巖材料參數賦值給計算模型后，根據圍巖自重應力場初始條件求解圍巖主應力初始值，即得到模型的初始應力場如圖9所示。

圖9 圍巖初始應力場矢量圖

3.3.1 管棚受力狀態分析

對隧道不同開挖進尺的管棚受力狀態進行模擬分析，如圖10。

由圖10 分析可知，在隧道開挖過程中，管棚的軸向力F 的作用面積隨著掌子面向前推進逐漸向管棚左右兩側以及隧道軸向擴大。上臺階掌子面后方3～5m 處，管棚一側鋼管內力出現較大的拉力集中現象，上臺階掌子面后方5m 范圍內，同一側的鋼管出現較大的壓力集中現象。分析原因為：受淺埋偏壓影響，開挖方向右側即為偏壓一側，掌子面前方鋼管嵌入圍巖中相當于“懸臂梁”的固定端，鋼管截面出現壓力，掌子面后方鋼管受圍巖橫向偏壓作用影響，截面出現拉力。

圖10 不同開挖尺下管棚軸向力云圖

3.3.2 圍巖變形分析

對隧道不同開挖進尺掌子面里程Z 軸方向位移進行模擬分析，如圖11。

圖11 隧道工程某段開挖后10m30m結束圍巖位移模擬云圖變化

由圖11 位移云圖分析，隨著隧道的開挖，掌子面附近圍巖與掌子面前方的圍巖均會產生位移，且呈現拱頂向地表延伸，隧底向更深巖層延伸，位移延伸范圍會隨著開挖過程的進行而擴大；當斷面初期支護全周封閉距離掌子面2～3 倍洞徑距離時，斷面處圍巖的位移情況具有明顯減緩趨勢；隧道開挖時隧底存在向上擠壓位移，拱頂為向下沉降位移，且隧底向上擠壓位移值要略大于拱頂的沉降值；通過管棚預支護技術后，開挖起點處拱頂圍巖的最終沉降值為22.25mm，在開挖過程中拱腰偏壓側圍巖的最大位移值為25.84mm。

選取擋墻基礎底部、左/右幅路基的中央節點參數若干，將節點位移繪制成位移曲線圖如圖12 所示。

圖12 擋墻及路基各測點位移曲線圖

由圖12 分析可知，與左/右幅路基相比較，擋墻基礎底部所產生的位移更為顯著，其變形程度較大，塑性破壞可能更大；同時，左/右幅路基于擋墻基礎位移均小于20mm，說明所采用管棚預支護體系發揮了支護穩定作用。

3.3.3 與施工實際情況比對

為了驗證背陰坡隧道管棚施工的合理性與數值計算準確性，將拱頂下沉、水平收斂值和管棚鋼管內力的現場監控量測值和有限元模擬結果進行對比，如表3。在工程結束后，選取模擬數據相同段實景情況進行比對，其具體情況如圖13所示。擋墻產生貫通斜裂縫最大寬度2～3mm，這驗證了擋墻基礎的變形導致了微小的不均勻沉降效果，右幅路基無裂縫，左幅路基出現較小裂縫且未貫通，寬度小于0.5mm，以上現場實景情況均與模擬結果相吻合，這驗證了長管棚預支護體系對控制圍巖變形的有效性，模擬計算成果準確。

表3 位移計算值對試驗值對比

圖13 擋墻及路基實景情況

4 結論

通過對HK 客專某段隧道下穿高速公路工程項目中有限元模擬計算與長管棚支護工藝結合的相關分析研究，以及與工程后實景情況的比對，驗證了作為穩固隧道施輔助施工工藝長管棚預支護技術對地面沉降的有效控制。同時，對長管棚荷載情況進行模擬、解析及計算可以作為施工中對掌子面穩定性控制的重要參考依據。

注釋

1 張頂立，黃俊.地鐵隧道施工拱頂下沉值的分析與預測[J].巖石力學與工程學報，2005(5):1704.