超前管棚支護隧道CRD法施工數值模擬研究

聶建省

摘要：本文分析了超前管棚支護機理，并運用有限元分析軟件對該隧道淺埋破碎段進行了仿真數值模擬，分別對不采用和采用超前管棚時圍巖的位移情況、應力變化情況進行了模擬，定量分析了超前管棚在淺埋破碎地層中的加固效果。結果表明：超前管棚“簡支梁”支護效果明顯;采用超前管棚注漿支護能顯著抑制軟弱破碎圍巖的變形及沉降，減少隧道支護結構的受力;CRD工法與超前管棚預支護相結合的施工方法能很好的控制圍巖變形，可大大滿足隧道的運營安全和沉降要求。

Abstract： In view of the Jituhui railway passenger dedicated line which across the shallow buried tunnel broken section， the CRD method combined with a method of pipe-shield pre-support is adopted in the design. In this paper， the finite element analysis software is used to simulate numerical model of shallow buried tunnel broken section， the displacement and stress of surrounding rock is simulated when advanced pipe roof is used or not used， and quantitative analysis of reinforcement effect of the advanced pipe roof in shallow buried and broken formation is carried out. The results show that supporting effect of the advanced tube shed "beam" is obvious; the use of advanced pipe shed grouting support can significantly inhibit the deformation and settlement of weak broken surrounding rock and reduce the stress of the tunnel supporting structure; CRD method combined with a method of pipe-shield pre-support can control the surrounding rock deformation well and satisfy the requirement of safety and settlement of the tunnel operation.

關鍵詞：CRD工法;超前管棚預支護;支護機理;數值模擬;ANSYS

Key words： CRD method;pipe-shield pre-support;the supporting mechanism;numerical simulation;ANSYS

0? 引言

破碎巖體是公路隧道工程中常見的地層條件，在類型劃分中位居穩定性較差的III、IV、V級[1]。其自穩性差，在隧道開挖失去支承后極易發生坍塌，圍巖自穩時間很短或基本沒有自穩時間，來不及完成臨時支護。如何在此類巖體中安全經濟地施工隧道一直是工程界關注的問題之一。

工程實踐和研究表明[2]，當隧道施工中遇到穩定性較差的III、IV、V級圍巖、嚴重偏壓地段，尤其是隧道洞口段，圍巖自穩能力極差，需采用超前支護工法才能順利進行開挖。其中超前管棚法是抑制洞口、拱頂先行位移、地表面下沉，保護周邊環境的一種有效方法[3]。而采用雙側壁導坑法、三臺階七步開挖法、CD工法或CRD工法可以抑制高鐵隧道這類大斷面隧道的圍巖變形。針對V級圍巖，尤以CRD工法更適合于破碎圍巖段的大斷面隧道。應當注意到，明確采用CRD工法超前管棚的支護時，對工程做出更為有效的指導是迫切和有意義的。

對此，本文首先分析超前管棚支護的機理，并結合金峰公路隧道實際采用的CRD工法與超前管棚預支護相結合的施工方法，針對隧道破碎的淺埋段施工過程，應用有限元軟件分析及數值模擬。在考察不同施工方案后，對洞周圍巖位移及應力在施工過程中的變化情況作出了分析，量化地評價了超前管棚支護對隧道在破碎圍巖中開挖的支護效果，將取得的經驗做以總結，為類似地質條件下的隧道破碎圍巖穩定控制提供參考和借鑒。

1? 管棚超前支護機理

管棚的超前支護原理為很好的減小了掌子面前方土體承受的壓力大小，格柵（鋼）拱架的受力降低了掌子面前方土體受力強度，分散了上部巖層傳來的荷載，從而保證了掌子面前方土體的穩定。超前管棚支護機理可以從超前管棚的梁效應和圍巖加固效應兩方面進行理解。

1.1 超前管棚的梁效應

在加固圍巖時，超前管棚能形成一圈穩固的“承載拱”，承受著拱圈外部傳來的荷載，從而很好的保護著內部圍巖和支撐系統不受圈外荷載的影響，承受拱內部圍巖和支撐系統只是承受因隧道向徑向發生變形而產生的形變壓力。即大大減小了隧道支撐系統所承受的上部荷載。

從另一方面來說，超前管棚還能形成“簡支梁”支護結構（如圖1）[4]。通常情況下管棚外端加有套拱基礎，另一端插入到完整、堅硬的隧道圍巖里，能很好的對破碎軟弱的上部圍巖形成穩定支護。而兩端的支撐梁為管棚提供了“簡支梁”的彈性變形，其與管棚的撓曲變形量共同抵消了上覆地層的形變量。

1.2 圍巖加固效應

根據普氏理論，隧道開挖對圍巖卸荷，頂部巖體破碎，塌落，形成自然拱。同時側幫及拱腳位置應力較大，極易發生破壞。頂部巖體隨之進一步擴大形成塌落拱。對于圍巖破碎、淺埋的隧道而言，為防止隧道拱部冒落，進行超前支護尤其是針對拱頂的超前支護是有必要的。

超前管棚注漿法使用水泥、水玻璃或泡沫尿烷等材料作為漿液通過鋼管經壁孔注入前方圍巖的縫隙或裂隙中，減少圍巖孔隙率，提高破碎巖體的整體性，使注入漿液形成支護殼體，即所謂的“承載拱”。“承載拱”將拱頂圍巖壓力分散，使掌子面前方巖體及支護系統處于免壓狀態，改善圍巖狀況，提高圍巖自穩能力。對頂部圍巖冒落、沉降的控制效果顯著。

在隧道工程領域，當遇到偏壓、地質條件不好、需加固的洞口和淺埋地段圍巖，超前管棚注漿法能夠起到“承載拱”和“簡支梁”的雙重作用，效果明顯，從而得到了普遍的應用[6]。

2? 工程概況

2.1 工程地質情況

金峰隧道地處保康縣城關鎮，為一座高速公路分離式長隧道，植被較發育，地形起伏較大，隧道進口位于保康縣城關鎮三溪溝村，出口位于保康縣城關鎮云溪溝村一組，隧道軸線方向約310°，呈南東—北西向展布，地層巖性主要為灰質白云巖、白云質灰巖夾頁巖，隧道右幅最大埋深254.2m，里程樁號YK98+650～YK101+013，全長2363m，其中Ⅴ級圍巖423m，Ⅳ級圍巖750m，Ⅲ級圍巖1190m;左幅最大埋深約264.8m，里程樁號ZK98+678～ZK101+045，全長2367m，其中Ⅴ級圍巖427m，Ⅳ級圍巖750m，Ⅲ級圍巖1190m。

2.2 超前管棚設置

金峰隧道進出口及洞身破碎段采用超前管棚注漿加固，超前管棚由?108×6mm熱軋無縫鋼管和鋼花管組成，進出口管棚長35m，環向間距40cm，外插角1～3°。管棚管壁上鉆孔，并呈梅花形布置其縱向、橫向間距為15cm，尾部為不鉆孔的止漿段110cm。

3? 動態施工仿真模擬

3.1 計算模型建立

本文采用ANSYS有限元分析軟件，并依據金峰隧道設計圖紙建立三維模型，隧道計算范圍：橫向取隧道中線兩側各50m，豎向頂端取地表，底端取隧道底部以下40m處，縱向長度取66m。三維計算模型及網格劃分如圖3所示。

模型側面和底面為位移邊界，側面和地面分別施加水平位移約束和固定約束以限制水平方向位移和豎向位移，模型上部采用自由邊界，不限制位移。

計算中，巖石、土體均采用均質彈塑性模型，符合Drucker-Prager屈服準則，巖土單元使用SOLID45單元模擬，初期支護和中橫支撐采用彈性模型，使用SHELL181單元模擬，模型不考慮構造應力，其主要荷載為初始地應力，采用自重應力計算迭代。根據實際情況，圍巖等材料參數按照勘察報告依據表1選取。

3.2 CRD工法施工過程控制

金峰隧道進出口段采用CRD法開挖，施工作業程序如圖4所示，施工要點為：采用超前管棚注漿預支護;開挖隧道上層的一側，施做中隔壁后再施做隧道的另一側，及時封閉掌子面;開挖時，同層左、右兩側縱向錯開9m，同側上、下縱向錯開15m;開挖循環進尺不宜大于初期支護鋼架設計的間距。鋼架的縱向連接鋼筋應及時施做，并封閉成環;逐段拆除靠近已完成二次襯砌6-8m，范圍內中隔壁底部鋼架;管棚長度35m，搭接4m。

3.3 模擬方法及施工方案

3.3.1 初始地應力模擬

在數值模擬中，僅考慮由重力引起的圍巖初始應力，忽略構造應力的影響。計算中，取重力加速度9.8m/s2，參照表1將圍巖力學參數賦值給計算模型，按彈塑性求解。

3.3.2 超前管棚注漿支護模擬

實際施工中，首先設置導向墻和導洞，然后通過導洞進行鉆孔，最后插入鋼管進行注漿。由于數值計算對超前管棚的實際施工過程很難進行模擬，并且超前管棚的施作對圍巖的擾動遠低于隧道開挖時的影響，因此數值模擬對超前管棚的施作進行了簡化處理，超前管棚按等效方法。

3.3.3 施工方案

分別按照超前管棚支護的有無兩種施工方案進行數值模擬，以便將結果分析對比，得到超前管棚的支護效果：

方案一：無預支護，圍巖注漿區與所在區域圍巖參數保持一致。

方案二：超前管棚支護，圍巖注漿區注漿后力學參數變化參照表1。

3.4 管棚預支護效果分析

3.4.1 施工方案數值分析

①無超前管棚支護的施工方案模擬

在無超前管棚支護，進行數值模擬分析，得出CRD法開挖后豎向位移，如圖5（a）所示。開挖完成后，隧道圍巖豎向位移與應力基本呈對稱分布。隨著隧道的開挖，隧道掌子面卸載形成低應力區，在拱腳處出現高應力區。由于該方案未采用超前管棚支護，隧道開挖引起圍巖變形量較大。隧道的豎向位移最大值出現在拱頂處，約4.62cm;仰拱處底鼓量約2.79cm;水平位移最大值出現在側墻處，約1.27cm。地面沉降達3.67cm，沉降影響范圍約3倍洞徑。

②采用超前管棚支護的施工方案模擬

當對隧道開挖施作超前管棚支護時，進行數值模擬分析，得出CRD法開挖后豎向位移，如圖5（b）所示。開挖完成后，隧道圍巖豎向位移與應力基本呈對稱分布。隧道的豎向位移最大值仍然出現在拱頂處，約2.68cm;仰拱處底鼓量約2.89cm;水平位移最大值出現在側墻處，約0.66cm。地面沉降約2.13cm，沉降影響范圍約1.5倍洞徑。

3.4.2 位移結果對比分析

由圖6可見，采用和不采用超前管棚兩種方案下，橫斷面地表沉降呈現相同的沉降槽形式，但超前管棚支護方案使地表最大沉降減少了1.9cm，約49%;由表2可見，采用超前管棚支護方案，隧道支護結構變形量分別降低了42%和48%。由此可見，超前管棚注漿支護對圍巖加固效果明顯，有效減少了圍巖變形，保證了隧道圍巖穩定性。

3.4.3 應力結果對比分析

隧道的開挖打亂了圍巖初始應力情況，使其應力重新得到分布，應力變化集中在隧道仰拱處、拱腳處，而應力的變化直接引起隧道支護結構的變形，嚴重時可以導致隧道圍巖失穩，威脅隧道的安全。通過對比分析隧道采用和不采用超前管棚支護時的隧道支護結構應力云圖（圖7、圖8），從而了解隧道超前管棚支護的效果。

由表3，對比兩種方案可以看出，最大主應力和最小主應力在施作超前管棚注漿支護時均較無預支護時有所減小。尤其是拱頂部位，由于管棚注漿區域的支護作用，使拱頂部位的最大主應力和最小主應力分別下降了92%和80%，拱頂支護基本處于免壓狀態。拱腳處應力僅有部分下降，施工中應避免拱腳處的破壞。拱頂中隔壁兩側的應力集中區得到了有效的擴散，應力分布趨于均勻，超前管棚注漿支護的“承載拱”效應明顯。可見超前管棚注漿通過注漿填充圍巖的裂隙和裂縫以提高圍巖的整體性，增大了圍巖的剛度，提高了圍巖的自承能力。

4? 結論

①由超前管棚支護機理分析知，超前管棚自身的受力特點類似于“簡支梁”的支撐效果，配合注漿，形成了支護“承載拱”。能夠有效加固拱頂圍巖，改善圍巖狀況，適用于松散、破碎地層及洞門開挖的超前支護。

②由計算模型對比無超前支護方案和超前管棚方案分析知，采用超前管棚方案時圍巖位移降低了40%以上;隧道開挖引起的圍巖應力也有所降低，尤其拱頂位置，應力降低了80%以上。可見，通過超前管棚注漿支護的區域，圍巖剛度增大，自承能力顯著提升，位移收斂得到有效抑制，充分發揮了超前管棚支護的“承載拱”效應。

③超前管棚注漿支護能很好的減小軟弱破碎圍巖的形變和下沉量，降低隧道支護結構的受力。超前管棚注漿支護法適用于隧道淺埋段、洞口段及節理裂隙發育，巖體破碎，巖土力學性質和整體穩定性差，地下水發育，易發生坍塌、突水、突泥現象等各種軟弱破碎圍巖。

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