隧道管棚超前支護技術及其數值模擬

摘 要：隧道管棚支護可以在較長的范圍內實現預開挖地層的加固。基于FLAC3D數值模擬技術，利用殼單元模型模擬管棚的支護作用。通過對有、無管棚支護作用下，隧道在豎直和水平方向上位移和應力的分析，發現管棚支護能夠抑制地表的沉降，減小拱腳位置的應力，提高隧道開挖的安全系數。研究結果為類似地層隧道開挖提供了指導。

關鍵詞：隧道工程 管棚支護 數值模擬 殼單元模型

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）05（a）-0000-00

1、引言

隨著經濟和社會的發展，在交通建設中需要在繁忙的公路、鐵路和既有建筑物下修建各種地下和隧道工程[1]。管棚支護作為一種長距離加固技術，在隧道工程中有著廣泛的應用[2-3]。管棚支護能有效控制圍巖的松弛，限制隧道的地表沉降、拱頂下沉和周邊收斂，使開挖面前方一定范圍內的圍巖處于穩定狀態。管棚施作后，開挖前方巖體的強度得到提高，形成了一個穩定承載環。此外，通過鋼管對圍巖注漿，使得漿液以填充、滲透、劈裂、擠壓等方式，趕走土顆粒間或巖石裂隙中的水分和空氣后并占據其位置，使得原來較為松散的土粒膠結成一個整體，提高圍巖本身的自穩能力[4-5]。

在隧道工程中，通過對有無管棚支護隧道進行變形和應力監測，評價隧道管棚支護的作用效果，成本巨大。這里借用數值模擬的方法，對有無管棚支護隧道開挖過程中變形和應力的變化進行分析，并對管棚支護作用效果進行評價。

2、管棚支護的力學模型

對于管棚支護的作用效果，可以采用數值模擬的方法進行分析。將大管棚注漿加固圍巖視為在隧道開挖輪廓線外形成一定厚度厚的環狀加固圈，通過改善圍巖參數的方法用梁單元或殼單元模擬加固地層。如在某隧道施工中，采用大管棚超前支護輔以超前小導管注漿，假定在地層中形成堅固的、連續的殼結構，并基于管棚的力學效果，將管棚簡化為0.5m厚的預支護結構，如圖1所示。

3、隧道開挖過程的數值模擬

3.1 計算模型的建立

選取計算模型的水平方向（x向）長度為18m，縱向（y向）長度為72m，豎向高度（z向）為22m，高速公路的寬取為20m，整個模型的坐標原點（0 0 0）為四部開挖的交界點。隧道的圍巖采用六面體單元（brick element），初期支護采用殼體單元（shell element），管棚采用殼體單元（shell element），計算模型如圖2所示。

模型邊界條件為：水平方向的位移約束，fix x range x -18.1 -17.9，fix x range x 17.9 18.1；隧道軸向前后兩側邊界的約束：fix y range y -0.1 0.1，fix y range y 71.9 72.1；底部邊界的位移約束：fix z range z -8.1 -7.9，頂部為自由面不約束。

3.2 模型參數的選取

圍巖采用摩爾—庫侖（Mohr-Coulomb）模型。隧道下穿高速公路段圍巖主要為人工填土，根據實際情況，圍巖材料參數按表1選取。初期支護采用殼單元進行模擬，其中鋼拱架的作用采用等效方法予以考慮，即將鋼拱架彈性模量可按式（1）折算給噴射混凝土。

3.3 初始地應力模擬

在此隧道地表附近，圍巖的初始應力主要是由于重力作用引起的，應力隨著深度的增加而增大。這里只考慮圍巖的自重應力，圍巖的側壓力系數 ，將圍巖材料參數賦值給計算模型后求解。可得到模型的初始應力場分別如圖3所示。

3.4 隧道開挖與支護模擬

在FLAC3D中，零模型（1）通常用來表示被移除或開挖掉的材料，且移除或開挖區域的應力自動設置為零。在隧道開挖之前，在開挖輪廓線外先將大管棚區域設置為零模型（model 1），然后用殼單元模擬。根據現場的施工工藝、施工進度，可通過如下步驟模擬整個隧道的施工過程：

① 按6m步距開挖一部（0～6m），求解平衡，然后用殼單元模擬初期支護和臨時支護；

② 按6m步距開挖一部（6～12m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護和臨時支護；按6m步距開挖二部（0～6m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護和臨時支護；

③ 按6m步距開挖一部（12～18m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護和臨時支護；按6m步距開挖二部（6～12m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護和臨時支護；按6m步距開挖三部（0～6m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護和臨時支護；

④ 按6m步距開挖一部（18～24m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護和臨時支護；按6m步距開挖二部（12～18m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護和臨時支護；按6m步距開挖三部（6～12m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護和臨時支護；按6m步距開挖四部（0～6m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護和臨時支護；

⑤ 按6m步距開挖一部（24～30m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護和臨時支護；按6m步距開挖二部（18～24m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護和臨時支護；按6m步距開挖三部（12～18m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護和臨時支護；按6m步距開挖四部（6～12m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護和臨時支護；按6m開挖仰拱（0～6m），求解平衡，刪除臨時支護，恢復仰拱的材料參數模擬仰拱澆筑；

⑥ 按6m步距開挖二部（24～30m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護和臨時支護；按6m步距開挖三部（18～24m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護和臨時支護；按6m步距開挖四部（12～18m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護和臨時支護；按6m開挖仰拱（6～12m），求解平衡，刪除臨時支護，恢復仰拱的材料參數模擬仰拱澆筑；

⑦ 按6m步距開挖三部（24～30m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護和臨時支護；按6m步距開挖四部（18～24m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護和臨時支護；按6m開挖仰拱（12～18m），求解平衡，刪除臨時支護，恢復仰拱的材料參數模擬仰拱澆筑；

⑧ 按6m步距開挖四部（24～30m），求解平衡，用殼單元模擬初期支護和臨時支護；按6m開挖仰拱（18～24m），求解平衡，刪除臨時支護，恢復仰拱的材料參數模擬仰拱澆筑。

⑨ 按6m開挖仰拱（24～30m），求解平衡，刪除臨時支護，恢復仰拱的材料參數模擬仰拱澆筑。

根據上述開挖和支護模擬方法，可以模擬整個隧道施工過程，在模擬過程中分別對設置管棚和不設置管棚兩種情況進行模擬計算，并對比兩種模擬結果分析評價管棚的支護效果。

4、數值模擬結果及對比

4.1 隧道圍巖的變形

圖4為不同工況下設置管棚隧道的豎向（z向）位移，圖5為不同工況下不設管棚隧道的豎向（z向）位移。其中正值表示位移與z軸方向相同，負值表示位移與z軸相反。

從圖4可看出：在隧道開挖過程中，由于隧道埋深較淺，隧道掌子面前方一定范圍內的圍巖會發生變形，且變形范圍達到地表，表現為地表沉降；由于一部的開挖，三部圍巖松弛，圍巖位移較大，二部的開挖加劇了圍巖的變形，但影響有限。因此，在施工過程中，要保證在一部、三部一定范圍內預留核心土，穩定工作面；在隧道開挖過程中，對比各部開挖引起的圍巖變形，一部、三部的開挖對圍巖的變形較大，為防止圍巖的過大變形，在施工中應及時施作臨時支護；隧道上方圍巖的變形與隧道開挖斷面呈遞增關系，隨著各部的開挖，圍巖的變形逐步增大。

從圖5可看出：由于一部的開挖，隧道圍巖的最大變形出現在開挖面的上方，此時沒有了管棚預支護，初期支護支承全部松弛的圍巖壓力，變形也比在管棚預支護下大20mm。因此在不設管棚情況下，隧道開挖引起的圍巖變形較大，不利于隧道的安全開挖。在隧道開挖過程中，一部、三部的開挖對圍巖的變形影響較大，而且隨著開挖斷面的增大，圍巖的變形也增大，同在管棚預支護下的規律相似。

對比圖4和圖5可得出如下結論：在管棚預支護下進行隧道開挖，可有效的減少圍巖的變形，抑制地表沉降；在不設管棚的情況下，圍巖的變形比設置管棚情況下大很多，說明管棚對圍巖的影響很大，管棚能有效的抑制圍巖的變形。

4.2 隧道圍巖應力分布

圖6為不同工況下設置管棚隧道的豎向（z向）應力 ，圖7不同工況下設置管棚隧道的水平向（x向）應力 。圖8為不同工況下不設管棚隧道的豎向（z向）應力 ，圖9為不同工況下不設管棚隧道的水平向（x向）應力 。其中負值表示壓應力，正值表示拉應力，單位Pa。

從圖6和圖7可看出：在大斷面隧道開挖中，洞周圍巖應力隨著隧道的開挖逐步釋放，釋放的荷載作用在支護結構上，支護結構的應力大于洞周圍巖的應力，并且拱腳和仰拱的豎向應力比其他部位要大，而仰拱的水平應力也比其他部位的要大。仰拱施作以后，仰拱應力增幅較快，說明仰拱在軟弱圍巖中的支護效果比較明顯。因此，在隧道施工中應及時施作仰拱。

從圖8和圖9并對比圖6和圖7可看出：在不設管棚的情況下，得到的應力變化規律與在設置管棚情況下的相似，在拱腳及仰拱位置表現出較大的應力。在設置管棚的情況下，洞周圍巖應力相對在不設管棚情況下要小，說明管棚支護對洞周圍巖的應力分布產生了很大影響。

5結論

利用FLAC3D數值模擬技術，對隧道工程中的管棚支護作用效果進行了數值模擬。基于管棚加固圍巖的作用原理，管棚支護采用殼單元模型進行計算，通過對圍巖變形和應力的分析，得到如下主要結論：

（1）在采用CRD工法開挖隧道時，對比有無管棚支護的隧道開挖，發現管棚支護隧道可有效的減少圍巖的變形、抑制地表沉降。同時，一部和三部的開挖引起圍巖位移較大，二部的開挖加劇了圍巖的變形，但影響有限。為防止圍巖的過大變形，在一部和三部施工中應及時施作臨時支護。

（2）在隧道開挖過程中，無管棚支護時，隧道拱腳及仰拱位置表現出較大的應力；而在設置管棚支護后，隧道圍巖應力明顯減小，這表明管棚支護對隧道圍巖的應力分布產生了影響，減小了隧道拱腳及仰拱位置的應力集中。

（3）基于管棚加固地層的作用原理，采用殼單元模擬管棚支護是合理的。它為類似地層的管棚支護數值計算提供了依據。

參考文獻

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