隧道洞口段超前管棚預支護體系數值分析

辛潤勤

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

0 引言

在不良地質或軟弱地層條件下修建隧道時，為確保安全通過不良地層并保持隧道掌子面的穩定性和地表沉降在可控范圍內，特別是在隧道進出口段，更需要對地層采取一些超前支護措施進行預加固[1]。管棚注漿法能提高土層的承載能力，結合隧道施工工法和隧道地層情況選擇合理管棚施作參數進行預支護，是當前隧道洞口普遍采用的超前預支護技術[2]。

近年來，國內學者對超前管棚預支護機理進行了一系列研究。展宏躍等[3]分析了淺埋偏壓黃土隧道洞口段開挖后隧道的變形破壞原因和整治措施，提出采用上斷面邊墻錨管注漿加固并配合馬口跳槽開挖，減小了施工對圍巖的擾動。李健等[4]對淺埋大跨黃土隧道進入下穿高速公路條件下管棚的縱向變形規律進行了監測和分析，進行了長大管棚受力機制的研究。賈金青等[5]對管棚的Winkler彈性地基梁模型進行了修正，推導了管棚的撓度和內力方程。但是以上研究大多是針對單根管棚的受力分析，這與管棚實際的變形和受力規律存在一定的差異。

本文采用三維有限元數值分析手段，建立了鋼管和加固區分離的管棚預支護體系模型，對超前管棚預支護條件下洞口段圍巖的變形規律進行了研究，對管棚施作角度進行了優化。得到了超前管棚預支護條件下隧道洞口段圍巖的變形規律和合理的管棚施作角度，為管棚預支護技術在隧道進出口段的應用提供了參考。

1 管棚加固效應分析

1.1 模型建立

為研究管棚預支護體系在隧道開挖過程中的力學行為，本文將注漿體對圍巖的加固效應和管棚自身的梁效應相結合，區別于傳統模型所采用的單純提高注漿加固區參數來模擬管棚支護。數值模型中采用實體單元模擬注漿加固區，梁單元模擬管棚。加固圍巖采用提高地層力學參數來模擬，超前管棚預支護體系數值模型如圖1所示。

圖1 超前管棚預支護體系數值模型圖

模型中初期支護C25噴射混凝土為線彈性體，圍巖和加固區地層都采用摩爾-庫倫材料，各材料參數見表1[6]。

表1 材料參數匯總表

1.2 圍巖變形分析

為定性研究管棚預支護體系對洞口段圍巖的加固效果，針對臺階法，分別模擬了有、無采用管棚注漿加固措施兩種工況，圖2為兩種工況下隧道施工完畢后圍巖的豎向位移云圖。

圖2土體的豎向位移云圖

圖2a豎向位移沿隧道縱向均勻分布，而圖2b豎向位移沿隧道縱向分布不均勻，洞口段豎向位移分布規律類似于無管棚注漿工況，隨著距開挖洞口距離的增加，發生較大豎向變形的土體分布范圍逐漸減小。一方面是由于洞口端的約束作用，另一方面是由于管棚注漿加固區對土體的加固作用，抑制了土體的豎向變形。對比圖2b和圖2a，在管棚預支護條件下，圍巖拱頂沉降極值由不采用管棚工況的55 mm減小為采用管棚注漿加固后的50 mm。而仰拱隆起由18.6 mm減小到18.4 mm，變化較小，說明超前管棚預支護體系對土體拱部的控制效果較仰拱的控制效果顯著。

2 管棚施作角度優化

為分析管棚施作角度對管棚預支護作用效能的影響，分別對兩個管棚施作角度（1°、10°）進行了模擬計算，同時與不采用管棚加固方案進行對比。

圖3中水平坐標軸正方向為隧道開挖方向，取隧道1/2截面處為典型斷面，該斷面處在各工況下的拱頂下沉值、仰拱隆起值、水平位移值隨掌子面距目標斷面的變化規律分別如圖3所示。

圖3 不同管棚角度目標斷面處圍巖位移變化曲線

從圖3中可以看出，不同工況下目標斷面處圍巖變形隨掌子面變化情況，豎向位移變形規律相似，都是先緩慢增大，待掌子面通過目標段面時，急劇增大。當掌子面距開挖斷面超過一定距離時，變形區域穩定。水平位移變形規律同豎向位移不同，在掌子面到達目標斷面之前，水平方向有向洞外擴張的趨勢，但數值很小。當掌子面到達并通過目標斷面之后，水平方向變形開始向洞內收斂，且收斂值速度較大，直至最后穩定。

不同的管棚打設角度對圍巖變形的影響不同。就拱頂沉降而言，當管棚角度為1°時，拱頂沉降減小為未施作管棚時的60%；當管棚角度為10°時，拱頂沉降減小為未施作管棚時的55%。就仰拱隆起而言，當管棚角度為1°時，仰拱隆起減小為未施作管棚時的87%；當管棚角度為10°時，仰拱隆起增大為未施作管棚時的104%。就水平變形而言，當管棚角度為1°時，水平變形減小為未施作管棚時的72%；當管棚角度為10°時，水平變形減小為未施作管棚時的77%。可見洞周不同部位不同方向對應管棚最優打設角度不同。總體而言，該隧道管棚施作角度為10°時管棚預支護體系對圍巖變形的控制作用較明顯。

3 結論

通過對超前管棚預支護條件下隧道洞口段圍巖變形研究以及管棚施作角度的分析，得出下列結論：

a）隧道洞口段采用超前管棚預支護體系能顯著改善管棚施作范圍內圍巖的物理力學性質，提高軟弱地層的整體性，有效地抑制了圍巖的不利變形。

b）管棚注漿措施對拱頂沉降的控制效果大于仰拱隆起。

c）管棚打設角度對管棚預支護體系作用效果的發揮影響較大，施作角度為10°時，其對圍巖變形的控制作用較明顯。