考慮施工過程的軟弱破碎圍巖隧道管棚法超前支護的敏感性分析

郭柏里 楊源源

摘 要：隧道穿越破碎帶地層時，由于圍巖松散柔軟，自穩能力差，一般的先開挖后支護會對開挖面圍巖造成擾動，使隧道結構發生較大的變形和沉降。超前大管棚支護用在軟弱地層隧道中施工能有效抑制隧道結構和圍巖的變形，支護工藝所需材料由鋼管和水泥砂漿組成。在工程實踐中，管棚法的應用效果主要取決于管棚直徑、布置范圍、環向間距等因素。本文依托實際隧道工程，對管棚直徑、布置范圍、環向間距三方面因素對隧道最大沉降的影響效果進行敏感性評價。

關鍵詞：隧道管棚最大沉降敏感性分析

Sensitivity Analysis of Pipe Roofing Method for Advanced Support of Tunnels in Weak and Broken Surrounding Rock Considering the Construction Process

GUO Baili ?YANG Yuanyuan

（Sinohydro Bureau 7 Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan Province， 610213 China）

Abstract： When the tunnel traverses the stratum in the fracture zone， the surrounding rock is loose and soft， so the self-stabilization ability is poor. Generally， excavation before support will disturb the surrounding rock of the excavation face， resulting in large deformation and settlement of the tunnel structure. The advanced large pipe shed support used in the construction of soft ground tunnels can effectively suppress the deformation of the tunnel structure and surrounding rock. The materials required for the support process are composed of steel pipes and cement mortar. In engineering practice， the application effect of the pipe shed method mainly depends on factors such as pipe shed diameter， layout range， and circumferential spacing. Relying on the actual tunnel project， this paper evaluates the sensitivity of the influence of the pipe shed diameter， the layout range， and the circumferential spacing on the maximum settlement of the tunnel.

Key Words： Tunnel; Pipe roof; Maximum settlement; Sensitivity analysis

隨著隧道工程越來越多的穿越軟弱破碎地層，隧道在開挖過程中越來越多的會遇到大變形災害[1]。超前支護能在隧道開挖前對隧道周圍不良圍巖進行預加固，管棚法作為超前支護中最常用的工藝之一，有不少學者對其預加固效果進行了研究[2～3]。張文濤[4]在市政工程隧道應用管棚法，提高了隧道結構整體的穩定和安全。王道遠[5]基于Winkler彈性地基梁理論，對管棚法支護進行了敏感性分析。臺啟民[6]和姜平偉[7]通過數值模擬，研究了管棚的加固有效性。李永強[8]分析了管棚支護的作用機理，并依托實際工程，研究了管棚支護效果。本文基于數值模擬結果，進行不同管棚參數對超前支護效果的敏感性分析。

1 工程概況

都江堰至四姑娘山軌道交通工程連接了四川內地和青藏高原東部高山峽谷，是國內首條山地軌道交通項目。線路正線長123.18km，其中隧道85.7km/25座，占線路總長度的69.6%。施家山隧道位于都江堰市西北端，是都四山地軌道工程的起始段。隧道起訖里程為DK11+045～DK15+528，線路穿越二王廟斷裂帶，巖體破碎，節理發育，且以砂質泥巖、泥巖夾頁巖、泥巖夾砂巖、煤層等軟質巖體為主，屬于Ⅴ級圍巖。在隧道開挖時，存在大變形問題，特別是會產生較大的拱頂沉降，對施工造成困難。針對隧道穿越破碎圍巖時引起的拱頂較大沉降，對洞身開挖采用臺階法加臨時橫撐，并輔以管棚法工藝對隧道進行超前支護。隧道施工工序為首先弱爆破開挖1部土體，并施作初支和臨時支撐;再開挖2部土體，施作初支;最后拆除橫撐。

2 無超前支護下隧道開挖數值模擬

本文基于FLAC3D對施家山隧道DK13+000～DK13+120段開挖過程的拱頂最大沉降進行模擬分析與預測，對施工過程安全性進行初步評價。

為減小邊界效應，所有模型邊界到隧道的距離均設置為4倍洞涇，隧道支護結構及計算模型的網格劃分如圖1所示。模型正面尺寸為90m×82m，縱向長度40m，共有97240個單元和103238個節點。除模型頂面設置為自由面以外，其余側面與底面均限制法向位移。根據地勘資料確定圍巖和支護的材料參數，詳見表1，其中，巖土體采用Mohr-Column本構模型，支護結構采用線彈性模型。數值模擬過程中，不考慮地下水和巖土體蠕變對結果的影響，并只對初期支護進行模擬。

根據圖1所示的施工步驟，將臺階法開挖工法中的一個施工循環分為4步：（1）若采用管棚法支護，則激活相應加固區;若不采用則不激活;（2）上臺階土體開挖;（3）施作初支①1及臨時橫撐②;（4）拆除臨時橫撐。

2.1 圍巖沉降分析

在不施作超前大管棚的情況下，隧道采用臺階法+臨時橫撐開挖工法的圍巖沉降計算結果如圖2所示。隧道最大沉降發生在拱頂處，最大值為S1=241.17mm。根據施工經驗，結合《鐵路隧道設計規范》（TB2005）中關于Ⅴ級圍巖預留變形量的規定，其量值應取80～120mm，本工程取100mm為隧道圍巖變形控制標準（S2）。

2.2 安全性評價

對于DK13+000～DK13+120段，隧道最大沉降值S1未控制在標準值S2以內。初期支護變形侵限，隧道施工安全將受到威脅。因此在采取臺階法進行隧道開挖之前，應采取管棚法等超前支護進行預加固。

3 超前大管棚支護的敏感性評價

選取單排長管棚對隧道進行預加固，采用beam單元對管棚進行模擬，其彈性模量和等效重度分別按式（1）和式（2）進行換算：

E=（E_1 I_1+E_2 I_2）/（I_1+I_2） ? ? ?（1）

式中：E為管棚等效模量;E_1和E_2為鋼管與填充砂漿的彈性模量，分別取210GPa和23GPa;I_1和I_2分別為鋼管與填充砂漿的慣性矩。

γ=（A_1 γ_1+A_2 γ_2）/（A_1+A_2） ? ?（2）

式中：γ_1和γ_2為鋼管與填充砂漿的重度，分別取79kN/m3和21kN/m3;A_1和A_2分別為鋼管與填充砂漿的斷面面積。

根據工程經驗，結合《鐵路隧道施工規范》（TB2002）中的相關參考，初步確定本次數值模擬中管棚相關參數不同工況的取值如表2所示。

分別對管棚直徑（d）、布置范圍（θ）和環向間距（L）取7種工況進行數值模擬試驗。在研究管棚直徑或布置范圍對隧道沉降的影響時，布置間距取0.6m，除此之外，在研究一參數的敏感性時，其余參數取最小值。

以管棚直徑為89mm、管棚布置范圍為120°、環向間距為0.6m時為例。在采用管棚法進行超前支護后，圍巖最大沉降控制在了92.0mm，小于控制標準S2=100mm。不同開挖施工階段下隧道圍巖的最大沉降累積變化如圖3所示，可以看出，在未采取超前支護下的臺階法加臨時橫撐開挖施工中，三個階段的沉降變化量為130.53mm、85.62mm、25.02mm;采用管棚法后，三個開挖階段的沉降變化量分別降低至47.74mm、24.94mm、19.32mm。計算結果說明超前大管棚對于圍巖最大沉降的降低具有顯著的效果，能有效保障施工安全。

對不同工況下管棚支護效果數值模擬結果進行分析，分別得到管棚直徑、管棚布置范圍以及環向間距與隧道圍巖最大沉降的關系如圖4所示。其中，將影響隧道沉降的各個管棚參數定義為fi，圖中橫坐標為fi/fmax，例如在管棚直徑對沉降的影響曲線中，第一點的橫坐標為89/600。

定義敏感系數ξ= Δs/Δf（Δf為參數取值差值，Δs為對應的沉降變化差值）。當直徑在89～300mm變化時，ξ=0.062;直徑在300～600mm變化時，ξ=0.024。兩直徑段內直徑的敏感系數相差2.58倍，說明在直徑300mm之后，再增大管棚直徑對于沉降的控制效果的提高不大，通過管棚直徑來控制隧道最大沉降的有效直徑范圍為0～300mm。同理，當管棚布置范圍在120°～180°時，ξ=0.292;當范圍在180°～240°內變化時，ξ=0.087。兩區段內布置范圍的敏感系數相差3.36倍，說明通過管棚布置范圍來控制隧道沉降的有效范圍為120°～180°。在環向間距對隧道最大沉降的影響研究中，隨著環向間距的增大，隧道沉降相應增大，并且近似與線性關系。但當間距超過0.7m時，曲線斜率略微增大，說明管棚環向間距宜控制在較小的范圍內。

4 結語

本文基于FLAC3D對管棚法超前支護對隧道開挖的最大沉降值影響進行了數值模擬，得到了超前大管棚支護能有效降低隧道圍巖的最大沉降。并進行不同管棚參數對最大沉降影響的敏感性分析，得到如下結論：管棚直徑（d）對于沉降的控制最佳值為0～300mm，在300mm之后，增大直徑對沉降的影響程度逐漸降低;最佳管棚布置范圍（θ）為120°～180°;環向間距（L）對于沉降的影響近似于線性關系，施工中根據實際工程進行選擇。

參考文獻

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