管棚注漿技術在黃土隧道洞口段加固中的研究

吉東風 姚哨峰 郝伯瑾* 張占鋒

(1.焦作市城市建設項目管理有限公司，河南焦作 454150;2.上海交大船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240;3.黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003;4.河南同晟置業有限公司，河南鄭州 450008)

0 引言

黃土是一種特殊的土質，從結構上說黃土具有明顯的大孔性，結構疏松，孔隙度大。黃土特殊的工程特性給黃土隧道施工帶來了很多研究課題，特別是黃土的壓縮性、濕陷性。與巖體以及一般土體相比，黃土工程性質差，遇水之后結構迅速破壞，強度明顯降低，產生急驟顯著附加變形，從而引發了很多隧道的塌方事故［1］。目前在黃土地區的隧道施工多采用管棚技術，但都遇到了不同程度的工程難題。

管棚技術是從原始的鉆探技術衍生并逐漸發展起來的一種新興技術，是在不破壞地表的情況下支護巖土的技術。沿著隧洞開挖輪廓周線，用特定的機械(如水平定向鉆機和夯管錘)把一系列鋼管順著隧道軸線方向按一定次序打入開挖前方的地層內，然后向管內注漿固結周圍的圍巖，最終形成一個棚架支護體系，以支撐來自外側的圍巖壓力，從而保證其隧洞開挖、襯砌的連續性和安全性。管棚注漿法中鋼管是沿隧道開挖輪廓周邊，間隔一定的間距，沿洞軸以一定外插角呈外插狀分布，同時起到超前管棚和注漿管的作用。這樣通過注漿加固，拱頂以上被加固密實，形成結實體，整體穩定性增大，加之管棚的臨時支護作用，可達到理想的開挖條件。伍振志研究了管棚注漿法在淺埋松軟地層開挖中的加固機理［2］，朱彥鵬探討了管棚注漿法在黃土公路隧道淺埋段中的支護機理和實際應用效果［3］，高懷鵬結合工程實例探討了長管棚預注漿超前支護技術在淺埋偏壓大跨隧道洞口施工中的應用［4］。梁瑞利介紹了扇形支撐及徑向導管注漿在黃土隧道偏壓沉陷中的應急使用和圍巖加固效果［5］。這些都為管棚注漿加固技術的施工和研究積累了豐富的經驗。

本文通過對黃土隧道施工洞口段的過管棚注漿加固技術的三維有限元仿真分析，對注漿加固管棚隧道施工技術的效果進行了系統評價，有效地指導了隧道施工，為保證隧道施工安全和工程質量起到了重要的作用，也可以為類似的工程模擬以及施工提供借鑒。

1 工程概況

函谷關隧道所在地位于靈寶市大王鎮函谷關村。隧道總體走向呈南北向曲線展布，采用小凈距隧道(測設線間距:進口9.7 m，出口13.4 m)，隧道最大埋深約32 m，洞軸線走向方位角約135°。屬短隧道。隧址底層單一，屬第四系上更新統(Q3)新黃土(馬蘭黃土)，風積成因(eol)。黃褐色，中密，稍濕，主要以粉土為主，具大孔隙，含少量鈣質結核，表層見大量蟲孔及植物根孔。厚度巨大，其上部為濕陷性黃土。縱坡速度VP=857 m/s～1 023 m/s。隧址多為Y形和直線形沖溝，沖溝狹窄，溝壁陡峭，為黃土沖溝，溝內為降雨及融雪暫時性流水。隧道進出口位于斜坡，坡度約25°～45°。進出口自然黃土邊坡現處于基本穩定狀態，植被不發育，地表植物主要是農作物和喬木樹。該黃土隧道圍巖等級屬于Ⅴ級，屬于軟弱圍巖，入口段土層松軟，屬于淺埋段黃土隧道。隧道暗洞均采用新奧法施工，隧道對于Ⅴ級圍巖段采用多臺階分步法開挖施工。本隧道洞身段初期支護主要形式有:C20號噴射混凝土厚度28 cm，Φ8鋼筋網(間距20×20雙層)、鎖腳錨桿、鋼拱架縱向間距0.5 m等。本工程的進口段擬采用管棚超前支護方式進行加固處理。為了優化設計，我們建立了隧道洞口在不同長度的管棚超前支護下開挖的三維有限元ABAQUS計算模型，分析隧道在不同參數管棚注漿超前預支護作用下，隧道開挖拱部和邊墻的變形、地表下沉、地層內應力，進而分析管棚對支護區穩定性的影響機理，說明管棚注漿的強預支護效果，并初步選定一個優化的長度進行施工。

2 三維有限元計算與結果分析

2.1 有限元計算

數值模擬方法分為有限單元，有限差分和離散元等。在實際工程應用中應用最為廣泛的為有限單元法，ABAQUS強大的實體建模能力可以快速精確的模擬復雜的隧道結構，通過完善的網格劃分工具即可生成理想的三維有限元網格，并且計算精度和速度也很高［9］。

本文用ABAQUS軟件對經過管棚加固的隧道進行模擬計算，采用管棚的梁式計算模型，對于注漿封口后的鋼管的作用，可采用等效方法予以考慮，即將鋼管對應于內部填充物的彈性模量折算。圍巖采用摩爾—庫侖本構關系，初期支護，二次襯砌，鋼材及混凝土按線彈性材料計算。模型管單元通過與初支共節點創建，圍巖全部以六面體剖分。

部分計算結果如圖1，圖2所示。

表1列出了不同管棚長度L下拱頂最大位移ug(cm)、圍巖的最大主應力值σmax(MPa)、水平收斂最大值ux(cm)、地表最大下沉值ue(cm)及其位置。

2.2 分析結果

1)管棚有效的減小了拱頂最大位移值。

a.沒有管棚超前預支護時，拱頂各開挖步最大節點豎向位移在16.95 cm。

圖1 12 m管棚加固最大地表沉降分析

圖2 18 m管棚加固圍巖最大應力分析

表1 不同管棚長度和圍巖響應的關系

b.有管棚作超前預支護時拱頂各開挖步的最大節點豎向位移明顯減小，其中用18 m時拱頂位移13 cm，節點位移最大減小值為3.95 cm，管棚起到了降低地層沉降的重要作用。

2)以水平的收斂為代表，管棚有效的減小了洞周位移收斂的最大位移值。就拱腰處水平收斂值來說，當施作18 m的管棚時水平收斂2.19 cm，而在未施作管棚時，最大洞周位移是3.18 cm，可見管棚減小了一定的洞周最大位移。

3)由計算結果可以看出管棚對應力的影響比較明顯，管棚的存在極大的減小了最大應力。

a.無管棚超前預支護時，圍巖內的節點應力最大值比有18 m管棚超前預支護時大大概27倍，最大應力均發生在拱腰處。

b.有18 m管棚時，掌子面拱頂節點應力的最大值比較小，并且從結果看來，掌子面前方地層的拱頂節點應力都是緩慢地增加，隧道的開挖釋放應力被擴散到了更大的范圍，減小了應力集中，降低了掌子面前方地層的受力強度，增強了隧道開挖面的穩定性。

4)由計算看出，地表沉降的最大值，在有管棚超前預支護時，要比沒有管棚超前預支護時顯著減小，這在很大程度減小了隧道開挖對地層的擾動程度，減小了由于開挖而引起的地層變形，增強了隧道掌子面的穩定性。

以上的分析結果說明用此管棚注漿支護方式來增強圍巖穩定，控制洞周圍巖變形是可行的。可以選用18 m的管棚長度來施工。

3 結語

隧道設計施工理論的核心內容在于對圍巖的設計分析計算，一個隧道設計施工成功與否的關鍵在于其隧道圍巖是否穩定，因此對隧道圍巖穩定性分析研究是解決隧道設計施工難題的關鍵，圍巖穩定性除了靠圍巖自身，主要是通過一系列圍巖加固措施來保證的。

本文通過對經過管棚注漿處理的黃土隧道洞口段作三維有限元計算，數值模擬了不同管棚長度下的黃土隧道圍巖響應情況，對函谷關隧道特定段的變形規律進行了系統研究，歸納起來得出以下幾點結論:

1)管棚注漿法能夠顯著抑制淺埋黃土地層的變形和拱頂下沉，減少隧道初始支護結構的變形和受力，避免淺埋黃土地層開挖中塌方現象的產生，保證了施工安全。

2)管棚注漿技術能改善松軟破碎巖層的物理力學性質，在隧道擬開挖輪廓上部形成了具有比較強的承載能力的加固帶。由于改良層分擔了圍巖的大部分松動荷載，而支護結構位移僅由改良層圍巖變形壓力引起。所以隧道初期支護結構受力、變形比較小，又由于改良層加固帶的剛度較大、整體性較好，所以隧道的周邊變形比較均勻，應力集中現象較不采用管棚注漿時明顯降低。這對于保證隧道開挖穩定和減少二次襯砌費用都是比較有益的。

3)管棚的長度并不是越長越好，需要在數值模擬分析的基礎上進行綜合方案比選，選擇最優的長度參數。

總之，管棚注漿法是一種行之有效的超前支護技術。本文為進一步分析黃土地區管棚注漿法的支護機理提供了參考依據，為類似工程中做好超前支護工作，確保隧道施工安全提供了借鑒，同時也為今后西北地區黃土公路隧道管棚注漿法的設計和施工提供了優化數據。

［1］周建富，顧 軍.軟塑狀土質隧道施工技術［J］.西部探礦工程，2001，70(3):83-84.

［2］伍振志，傅志鋒.淺埋松軟地層開挖中管棚注漿法的加固機理及效果分析［J］.巖石力學與工程學報，2005，24(6):1025-1029.

［3］朱彥鵬，何江飛，李 軍.黃土公路隧道淺埋段管棚注漿支護機理及監測分析［J］.建筑科學與工程學報，2011，28(1):11-15.

［4］高懷鵬，毛海東.長管棚預注漿超前支護技術在淺埋偏壓大跨隧道洞口施工中的應用［J］.公路，2005(10):214-217.

［5］梁瑞利.黃土隧道大段落偏壓沉陷處理技術［J］.鐵道建筑技術，2013(5):77-79.