基于全真模擬的隧道超前管棚三維有限元分析研究

【摘要】以往利用改變預加固區的參數來進行超前管棚預支護的數值模擬研究，未對超前管棚進行全真模擬，因此未能獲得管棚超前支護在隧道開施工過程中的力學行為。基于全真模擬思維，對隧道超前管棚進行了三維有限元分析研究，深入研究了超前管棚在隧道開挖及支護過程中的力學行為特征，為超前管棚的數值模擬計算提供新思路，也為超前管棚預支護的設計及施工提供參考和借鑒。

【關鍵詞】超前管棚； 全真模擬； 三維有限元； 力學行為特征

【中圖分類號】U455.49A

0 引言

三維有限元數值模擬計算在已經在多個領域得到了廣泛地運用，尤其是土木工程領域，三維有限元數值模擬計算在橋梁結構、隧道結構等的受力分析計算中發揮了巨大的作用［1］ ，為工程設計提供了強有力的數據支撐和可靠的受力分析依據［2-3］ 。

與橋梁結構相比，隧道結構的受力更為復雜，隧道開挖后的圍巖壓力是由圍巖本身和支護結構共同來承載的，由于圍巖與支護結構的相互作用，隧道周邊圍巖的地質環境對隧道支護結構的計算起著決定性作用。圍巖不僅對支護結構產生荷載，同時其本身也作為一種承載體。隧道結構受力分析數值模擬計算中，由于隧道結構上的荷載受到施工方法和施工時間的影響，其荷載具有模糊性和不確定性［4］ 。加之支護結構因多種輔助工法導致支護體系構成的復雜性，使得計算結果存在多解性［5］ 。因此，隧道結構的三維有限元數值模擬計算有待更為深入的研究。

文章基于等效理論，對隧道超前管棚進行了三維有限元數值全真模擬計算分析，深入研究了超前管棚在隧道開挖及支護過程中的力學行為特征。

1 超前管棚的力學模擬及參數選定

在以往的有限元模擬分析中，為簡化模型，通常利用改變預加固區的參數來進行管棚支護的模擬，雖然同樣可以獲得圍巖及支護結構的一些受力特征，但由于管棚沒有全真模擬，無法從計算結果中分析得到管棚在隧道開挖支護過程中的力學行為。為獲得管棚在隧道開挖中的詳細信息，研究管棚在隧道開挖及支護過程中的力學行為特征，結合管棚支護的梁理論和拱殼理論，本文在計算分析中采和梁單元對管棚進行全真模擬。注漿管棚的計算參數應充分考慮充填砂漿的作用。由于注漿導管在完成向巖隙內注漿后還應用砂漿將鋼管內部充填密實以增加鋼管的剛度，所以，注漿導管的彈性模量和重度應是鋼管和砂漿共同組合成的實心綜合管體的彈性模量和重度。

1.1 等效彈模的確定

1.2 等效重度的確定

2 超前管棚在隧道開挖過程中的全真模擬分析計算

2.1 本構關系

由于本次計算分析模擬的實體較多（如圍巖，支護，錨桿，鋼支撐、超前管棚等），基于分析的重點不同，對不同的實體采用了不同的本構關系，圍巖采用理想彈塑性本構關系，噴混凝土采用理想彈性本構關系。

2.2 建立計算模型

根據上述模擬分析，圍巖采用實體單元進行模擬，其中注漿加固區采用改變材料參數得以實現。錨桿和注漿導管采用pile單元模擬，噴射混凝土和二次襯砌均采用實體單元模擬。在考慮計算邊界效應后，建立有限元地層-結構模型及支護體系各單元網格。如圖1～圖4所示。

3 超前管棚在隧道開挖過程中的力學行為特征

為了保證分析結論的準確性和有效性，考慮到邊界效應的影響，研究考察的對象應在模型中部提取，以消除邊界效應的影響。此處對超前注漿管棚的力學行為研究，主要針對管棚支護的梁效應，只考察注漿導管的縱向彎矩。

3.1 超前管棚在隧道開挖前后的縱向彎矩對比分析

針對管棚支護的梁效應，只考察注漿導管的縱向彎矩。分析時選取拱部的管棚單元作為考察對象，提取拱部單根導管上的彎矩，分析管棚在開挖前、后的受力特征。提取彎矩計算結果見圖5和圖6，彎矩最大值對比見表1。

計算分析說明：超前管棚在發揮其超前支護作用的過程中具有明顯的梁效應。

3.2 隧道開挖和支護過程中管棚的力學行為

由于長管棚鋼管較長，能全面地反映管棚在隧道開挖及支護過程中的力學行為及變化特征。此處提取隧道開挖和支護各步距后管棚的縱向彎矩分布（圖7）。并提取各開挖和支護步距后管棚鋼管的最大彎矩值見表2。

經過上述對比分析可得出如下結論：（1）隧道開挖后鋼管承受了明顯的彎矩（彎矩最大值為351.9 N·m）；（2）隧道支護后與開挖后支護前的最大彎矩相比，在第一步距、第三步距和第四步距均減小了，而第二步距增大了。其中第二、三步距支護前后的彎矩最大值變化相對其它兩步距要大些；

（3）從第一步距至第四步距開挖及支護過程中鋼管所受彎矩最大值總體變化不大，彎矩的分布情況也基本不變。

模擬計算分析表明：管棚在隧道開挖及支護過程中鋼管相當于縱梁，很好地發揮了長梁效應；施工中各工序對管棚的受力都有不同的影響，且這種影響復雜多變；由于管棚嵌入于圍巖體內，與圍巖體共同受力和變形，所以管棚發揮的梁效應并不是簡單的簡支梁或靜定梁的梁效應，而是更接近于彈性地基梁模式發揮梁效應，在隧道開挖前就已與被支護的巖體共同受力，隧道開挖第一步距后，管棚承受的荷載顯著增加，并承受了大部份荷載，而在后續各步距中，管棚受力變化不大，甚至在隧道完成支護后，管棚受力還有“回彈”減小的趨勢，這充分說明了管棚超起到了明顯的超前預加固作用。

4 結束語

文章對超前管棚預支護的三維有限元模擬去除了以往采用等效加固的經驗束縛，對超前管棚進行了三維有限元全真模擬分析，有效地獲得了超前管棚在隧道開挖及支護全過程中的力學行為特征，為超前管棚的數值模擬計算提供新思路，也為超前管棚預支護的設計及施工提供參考和借鑒。

超前管棚在預支護中充分發揮了梁效應，但由于其嵌入圍巖體內，發揮的又不是簡單的簡支梁或靜定梁作用，而是接近于彈性地基梁的梁效應。與注漿小導管相比，超前長管棚發揮的梁效應比注漿加固效應更為明顯，其更適用于隧道穿越軟弱破碎地段的長距離預加固。

參考文獻

［1］ 朱國保.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， 2007.

［2］ 郭新慶. 黃土軟巖圍巖下隧道開挖支護技術分析［J］.國防交通工程與技術，2023（5）： 61-64+80.

［3］ 段玉武. 隧道穿越巖體破碎帶超前支護施工技術［J］.國防交通工程與技術，2023（1）： 58-60+40.

［4］ 陳志堅. 大跨度淺埋連拱隧道施工過程中的數值模擬研究［J］.工程技術研究，2022（4）： 21-24.

［5］ 劉文武. 基于數值模擬的黃土地區南山堡隧道進洞支護方案優化［J］.鐵道建筑技術，2021（11）： 152-157.