軟弱破碎圍巖隧道中管棚超前預支護力學特征研究

尹超 張志強

【摘要】我國西部地區以高原山地地貌為主、構造應力強烈且斷層發育，在這種自然條件下的隧道圍巖勢必是軟弱破碎的。為保證施工與運營安全，超前預支護措施的合理采用就顯得尤為重要，而管棚作為一種工程中廣泛采用的超前預支護措施，對保證圍巖和掌子面的穩定具有顯著的作用。基于此，文章采用大型通用有限元軟件ANSYS對軟弱破碎圍巖隧道下管棚的力學行為進行研究，探明了管棚在軟弱破碎圍巖中的受力特征。

【關鍵詞】軟弱破碎圍巖隧道; 超前預支護; 管棚; 力學特性

【中國分類號】U455.49【文獻標志碼】A

管棚作為一種在實際工程廣泛采用的超前預支護手段，可以有效保證隧道圍巖及掌子面的穩定。但現階段對軟弱圍巖中管棚受力特征的研究還不夠充分，更多的是依靠工程經驗，因此有必要對其力學特性進行系統的分析探究。

宋戰平等[1]基于Winkler彈性地基梁理論建立了考慮注漿加固的管棚受力分析模型，提出了管棚撓度和內力的解析公式并進行了工程驗證;洪閏林[2]依托汶馬高速米亞羅3#隧道，采用有限元模擬計算軟件Midas /GTS 進行數值模擬，詳細研究了隧道開挖過程中圍巖穩定性、管棚內力及地表沉降的變化規律;陽超等[3]依托成都地鐵9號線武青車輛段暗挖隧道工程，系統研究了管棚超前預支護技術在砂卵石地層中的應用，分析了管棚預加固范圍和長度對隧道圍巖穩定性的影響;羅春[4]依托湖北恩施五峰山隧道，通過建立三維數值模型，對管棚超前預支護技術的作用原理、力學特點、管棚的變形特性以及預支護體系的設計參數進行了分析研究;黃華等[5]依托成昆線任山隧道下穿既有鐵路工程，研究了管棚變形隨未支護段長度、荷載水平的變化規律，并提出了合理的設計參數。

本文以某新建雙線鐵路隧道V級圍巖復合襯砌開挖斷面為例，通過建立管棚超前預支護的三維有限元模型，對該隧道在管棚超前支護條件下的開挖和施工過程進行全真分析，并根據計算結果對軟弱破碎圍巖中管棚力學行為特性進行較為全面的分析，旨在為類似地質條件下的相關工程應用提供參考。

1 數值計算

1.1 數值模型建立

參考結構設計與地質勘查資料，建立三維地層結構模型。為準確反映隧道開挖過程，本次數值模擬同時考慮錨桿、注漿加固區、噴混凝土初支、鋼拱架以及管棚的支護作用。根據不同結構的受力特性，對圍巖及注漿加固區采用8節點實體單元（Solid-Brick 8node 45）進行模擬（注漿加固區通過改變材料參數實現）;錨桿采用桿單元（Link-spar8）模擬;管棚采用梁單元（Beam4）模擬;噴混凝土采用殼單元（Shell-Elastic 4node63）模擬。

為消除邊界效應的影響，確定隧道橫向尺寸為5D（洞寬D=13 m），隧底尺寸取12 m，隧道埋深根據工程實際情況確定為50 m，模型沿隧道軸向取36 m。對模型左、右兩側施加水平約束，底面施加豎向約束，上表面自由。

建立三維模型如圖1所示，模型細部構造如圖2所示。

1.2 計算參數選取

依據《鐵路隧道設計規范》確定圍巖、注漿加固圈和噴混凝土材料的物理力學參數;錨桿、管棚的計算參數按照剛度等效和重度等效的原則計算確定;鋼拱架則作為安全儲備，不在數值模擬中作具體分析。根據以上得到有限元分析中的計算參數見表1。

在本次數值模擬中，基于分析的重點的不同，對圍巖采用理想彈塑性本構關系，Drucke-Prager屈服準則，對噴混凝土采用彈性本構關系。

2 計算結果分析

2.1 隧道開挖前后管棚內力分布

管棚在軟弱圍巖中主要憑借其梁效應承擔掌子面前方的松動荷載，發揮穩定圍巖和掌子面的作用，由于管棚主要承擔橫向荷載，所受軸力較小，所以本文主要針對管棚的彎矩進行分析研究。

在隧道開挖前后，管棚受到的約束會發生變化，那么其內力特征也會隨之改變，現以隧道拱部的鋼管作為主要對象進行研究，提取隧道開挖前后該鋼管彎矩如圖3所示。

通過彎矩圖可以看出，管棚彎矩分布特征為中間大，端部小，說明其在發揮超前支護作用的過程中表現出顯著的梁效應;分析其彎矩方向，管棚上側受拉，說明其承擔了隧道拱部上方的部分圍巖壓力;管棚在開挖前后彎矩最大值分別為69.6 N·m和337.4 N·m，表明隧道開挖前鋼管所受縱向彎矩很小，但開挖后鋼管縱向彎矩值比開挖前大幅增加，說明隧道開挖后管棚承擔了較大的荷載，對保證圍巖穩定發揮了積極作用。

2.2 隧道開挖過程中管棚內力變化

管棚施作完成后，隨著開挖、支護過程的循環進行，掌子面不斷向前推進，管棚的受力情況也會隨之變化。現主要針對這一空間效應分析管棚彎矩隨開挖過程的變化規律。

根據本次數值模擬的計算結果，分別提取開挖過程中單根鋼管的彎矩分布及最大彎矩的變化情況如下圖4、圖5所示。

各步開挖及支護后鋼管彎矩最大值如圖5所示。

分析管棚彎矩分布及變化情況可以看出：

（1）隧道開挖過程中，隨著掌子面的推進，單根鋼管彎矩的分布趨勢變化不大，施工各步下管棚彎矩分布特性幾乎一致，只是彎矩大小有所變化。

（2）通過對比隧道支護前后的彎矩最大值，可以看出除施工第二步外，第一步、第三步和第四步下鋼管彎矩均為減小，表明支護結構的施作往往會在一定程度上減小管棚內力，即隧道支護結構可以對管棚起到一定的約束作用，增強管棚的支護效果。

（3）由于管棚鋼管位于圍巖內部，通過注漿與圍巖形成一個整體結構，三者共同承擔圍巖荷載且協調變形，因而施工

過程中的空間效應對管棚受力特性有著復雜多變的影響;就本次計算而言，管棚在受力特性上更類似于Winkler彈性地基梁。

（4）在整個開挖過程中，管棚的彎矩在一定范圍內波動，但波動幅度僅在5 %左右，對其結構安全影響有限。

3 結論

本文通過ANSYS有限元軟件建立三維模型對軟弱破碎圍巖中管棚超前預支護進行數值模擬，分析其受力特性，得到以下結論：

（1）管棚在軟弱圍巖中主要憑借其梁效應承擔隧道拱部上方的部分圍巖壓力，發揮對圍巖和掌子面的加固作用。

（2）隧道支護體系可以對管棚結構起到一定的約束作用，保證其支護效果。

（3）管棚位于圍巖內部，通過注漿與周邊圍巖形成整體結構，共同承擔荷載并協調變形，因而其受力特性十分復雜，在本次計算中更多地體現出彈性地基梁的特性。

（4）隧道開挖前管棚就承擔了部分荷載，起到了預支護的效果，隨掌子面推進，管棚內力分布趨勢幾乎不變，僅數值大小在約5 %的范圍內小幅波動對整體結構的安全性影響不大。

參考文獻

[1] 宋戰平，田小旭，周冠南，等.隧道洞內管棚超前預支護力學行為的理論分析[J].中國公路學報，2020，33（4）：89-98.

[2] 洪閏林，張志強.管棚超前支護下隧道開挖圍巖穩定性分析[J].四川建筑，2020，40（3）：237-238+242.

[3] 陽超，王玉鎖，張雪松，等.砂卵石地層暗挖隧道超前管棚支護技術研究[J].現代隧道技術，2019，56（S2）：299-307.

[4] 羅春. 不良地質條件下隧道管棚預支護技術研究[D].重慶：重慶交通大學，2017.

[5] 黃華，鞏江峰，邸成，等.鐵路隧道超前管棚變形規律及參數研究[J].鐵道工程學報，2019，36（12）：65-70.