管棚支護作用機理及數(shù)值分析

李世琦

(西南交通大學，四川成都 610031)

管棚作為隧道施工中常用的超前預支護工法，能有效地防止掌子面破壞和限制圍巖變形，主要應用于隧道洞口施工和穿越軟弱地層、松散帶、破碎帶、涌水、涌砂等地段時，預防冒頂事故、控制地表沉降等，為隧道施工提供安全保障，被視為實用、高效、方便的隧道施工輔助工法之一。近年來，管棚被廣泛運用于淺埋暗挖城市地鐵、下穿隧道、近接施工等對變形、沉降敏感的復雜工程中，國內(nèi)外學者對管棚的作用機理、加固效果等進行了深入的理論、數(shù)值模擬、實驗和現(xiàn)場研究[1-9]，其中楊光[1]介紹了大管棚超前注漿支護的作用和原理以及大管棚超前注漿支護的施工工藝；王道遠[2]根據(jù)Pasternak地基梁與Winkler彈性地基梁理論建立了力學模型從解析的角度分析了管棚的受力機制并據(jù)此預測了洞口管棚變形；孫志杰[3]建立了考慮管棚預加固效應的FLAC3D三維有限差分數(shù)值仿真模型，利用管棚整體剛度等效的方法模擬分析了隧道洞口段管棚支護體系對地層穩(wěn)定的控制效果進行；滿帥[4]根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)研究了淺埋偏壓洞口加固效果。

然則，管棚作用機理的理論研究僅考慮單根管棚情況下的作用，而未考慮管棚的棚架效應，與實際情況有出入[10]。在數(shù)值模擬研究中，則多采用等效剛度理論[11]，提高管棚加固區(qū)圍巖土體參數(shù)的方法來近似模擬管棚功能，無法準確體現(xiàn)管棚受力特性與加固效果。針對上述問題，本文結合某高速公路隧道，采用FLAC3D有限差分軟件建立了實體管棚三維彈塑性數(shù)值模擬模型，分析了管棚超前支護體系對隧道洞口段開挖時，管棚受力變形特性以及控制圍巖穩(wěn)定的效果，結果可為同類工程設計提供參考。

1 管棚支護作用機理力學模型

單根管棚在隧道洞口施工時的支護作用機理可用圖1表示，管棚在隧道洞口端有混凝土套拱固定，可視為固端，其余部分沿隧道開挖方向可以分為3個區(qū)段：已開挖支護段、已開挖未支護段、未開挖段。由于隧道洞口圍巖自承力差，可以不考慮其承載力，故上覆巖土體對管棚的作用力為重力q(x)。已開挖支護段中初期支護鋼架以一定剛度的彈簧表示，已開挖未支護段無承載力，未開挖段巖土體產(chǎn)生彈性抗力p(x)。

圖1 單根管棚支護作用機理

而分析管棚體系支護作用機理時，需充分考慮通過鋼管向周邊圍巖注漿形成的如圖2所示圍巖加固區(qū)，加固區(qū)與管棚一同起到“承載拱”的作用，在隧道開挖后承載上部圍巖重量，使拱上圍巖保持穩(wěn)定，拱內(nèi)部圍巖與支護系統(tǒng)所受的上部荷載大幅減小，保障隧道安全進洞。而這種支護作用機理難以通過建立簡單的力學模型計算，故通過建立實體管棚三維數(shù)值模型分析管棚加固效果和管棚受力變形特性。

圖2 管棚注漿圍巖加固區(qū)

2 實體管棚三維數(shù)值模型的建立

某高速公路隧道，洞口第四系覆蓋層較厚，下伏強風化砂巖，巖質較軟，巖體破碎。隧道洞口從第四系覆蓋層穿過，覆土厚度22.75 m，土體自穩(wěn)能力差開挖后不及時支護易坍塌，對隧道進洞造成了很大的困難，因此必須采用超前支護的措施進洞。根據(jù)地質條件，在洞口采用型號為108 mm×8 mm，長度為18 m，環(huán)向間距為0.25 m，布置范圍為拱部180 °，注漿加固區(qū)厚度為0.7 m的管棚超前支護體系輔助進洞。

參考國內(nèi)外目前的研究現(xiàn)狀[12-15]，考慮采用FLAC3D進行數(shù)值模擬，其中：土體視為均勻彈塑性材料，采用Mohr-Coulomb實體單元模擬；初期支護為鋼架+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土，用shell結構單元模擬，其材料參數(shù)按抗彎剛度等效方法計算；管棚及注漿材料采用Elastic實體單元模擬。圍巖和初期支護的力學參數(shù)見表1。

表1 圍巖和初期支護的力學參數(shù)

數(shù)值模型的尺寸為66.5 m×87.5 m×30 m(長×高×寬)，模型共劃分為212 346個單元和175 923個節(jié)點(圖3、圖4)。模型上表面為自由邊界，并限制側面及底面的法向位移。

圖3 數(shù)值計算模型

圖4 實體管棚細部

假定圍巖為均質的，且不考慮巖土體的蠕變效應和地下水的影響。因本次研究的是隧道施工期的安全性，故只對初期支護進行模擬。隧道施工采用短臺階法開挖，開挖進尺為1.75 m，臺階長度為7 m，開挖示意如圖5所示。

圖5 開挖示意

3 管棚加固效果與受力變形分析

3.1 圍巖穩(wěn)定情況

FLAC3D中圍巖塑性區(qū)的判別是根據(jù)單元的應力狀態(tài)是否達到強度包絡線。處于塑性區(qū)的單元應力狀態(tài)達到強度包線，進入塑性狀態(tài)，承載力下降且產(chǎn)生不可逆的塑性變形。通過比較施加管棚與不施加管棚兩種工況下圍巖塑性區(qū)范圍的大小，可以直觀看出管棚的加固效果。如圖6、圖7所示，施加管棚情況相比不施加管棚情況幾乎不產(chǎn)生塑性區(qū)。

為了定量化研究管棚的支護加固效果，提取施加管棚與不施加管棚兩種工況下隧道拱頂沉降如圖8和圖9。無管棚情況下隧道拱頂沉降值47.6 mm，無管棚情況下隧道拱頂沉降值24.2 mm，減小了49.2 %，說明管棚超前支護能有效控制圍巖變形，保持隧道穩(wěn)定。

圖6 圍巖塑性區(qū)(無管棚)

圖7 圍巖塑性區(qū)(有管棚)

圖8 拱頂沉降(無管棚)

圖9 拱頂沉降(有管棚)

3.2 管棚受力變形特性

圖10為管棚在隧道開挖至管棚端部時的變形圖(半透明部分為初始管棚)：拱部處管棚呈現(xiàn)出如圖11所示變形特征[4]，這與Winkler彈性地基梁理論力學模型計算得到的撓度曲線規(guī)律是相同的，管棚最大變形為23.0 mm；拱腰處管棚受側向壓力往隧道內(nèi)偏移；拱肩處管棚變形相對較小，沒有明顯的向隧道內(nèi)部變形。

圖10 管棚變形

圖11 拱部單根管棚沉降曲線

4 結論

運用FLAC3D有限差分軟件建立實體管棚三維數(shù)值模型，模擬了有無管棚超前支護情況下隧道洞口的開挖，算得管棚受力變形特性和圍巖穩(wěn)定情況，并對比分析了管棚的加固效果，得到以下主要結論：

(1)管棚支護狀態(tài)下，圍巖應力大幅下降，塑性區(qū)顯著減小甚至不產(chǎn)生塑性區(qū)，增強了圍巖穩(wěn)定性。

(2)管棚支護狀態(tài)下，隧道拱頂沉降減少了49.2 %，對淺埋軟弱圍巖隧道洞口段施工開挖安全提供了有力的保障。

(3)建立實體管棚三維數(shù)值模型模擬隧道洞口的開挖，獲得了管棚體系受力變形特性，其研究成果可為管棚建模數(shù)值模擬及計算設計提供參考和借鑒。