隧道下穿高速公路長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)技術(shù)研究

李志強(qiáng)

（中鐵二十二局集團(tuán)第五工程有限公司，重慶 400042）

1 研究背景

隨著高速鐵路建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，高鐵線路不可避免地要與公路進(jìn)行交叉，線路交叉施工極易引起塌方、變形等工程病害問(wèn)題，因此對(duì)交叉施工中縱橫沉降、開(kāi)挖圍巖變形控制已然是各方關(guān)注和研究的重點(diǎn)。受施工區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造及水文情況影響，碎裂圍巖、不規(guī)則裂隙發(fā)育、涌水等情況通常會(huì)加劇下穿隧道的坍塌、變形侵限等問(wèn)題。隧道施工引起的沉降情況如圖1 所示。

圖1 隧道施工沉降情況三維示意圖

有研究表明，隧道施工沉降量的30%～40%以及拱頂沉降的40%～50%是在施工初期預(yù)支護(hù)未完全發(fā)生作用時(shí)產(chǎn)生的1。因此在隧道下穿高速公路項(xiàng)目暗挖施工中，可采用長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)技術(shù)控制地表、隧道拱頂?shù)淖冃危瑢⑺淼纼艨兆冃?、地表變形等指?biāo)降到最低。鑒于本工程淺埋偏壓隧道下穿高速公路的特性，有必要開(kāi)展長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)技術(shù)對(duì)這類地層的力學(xué)效應(yīng)分析，以期獲得隧道變形特征及支護(hù)參數(shù)，為同類工程建設(shè)提供借鑒。

2 工程概況

HK 客專某段隧道工程位于G 省六盤水紅果市，總長(zhǎng)度為1428m，其背陰坡隧道洞身下穿G60 鎮(zhèn)勝高速公路，線路交叉角為22°，隧道拱頂至公路路基路面相對(duì)高差僅18.4m，距高速公路路肩擋墻基礎(chǔ)底最小距離僅4m，與高速公路橋梁樁基凈距僅有6.5m。具體工程平面圖如圖2 所示。

圖2 HK 客專某隧道下穿高速公路段平面圖

隧道施工區(qū)基巖大多裸露，巖性有灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r夾砂巖等。施工區(qū)域內(nèi)孔隙水、巖溶水富水程度高，并且分布不連續(xù)，巖性變化較大、自穩(wěn)能力差，且隧道小交角淺埋下穿高速公路，施工難度極大，是全線重、難點(diǎn)工程，縱斷面圖如圖3 所示。

圖3 HK 客專某段隧道下穿高速公路段縱斷面圖

3 長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)體系力學(xué)效應(yīng)分析

3.1 研究思路

隧道開(kāi)挖是一個(gè)三維的動(dòng)態(tài)力學(xué)過(guò)程，根據(jù)大量的測(cè)試結(jié)果、理論推導(dǎo)、現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)等方面得出，不論是超前支護(hù)的受力與變形，還是隧道掌子面的應(yīng)力應(yīng)變波動(dòng)過(guò)程，或是施工對(duì)圍巖支護(hù)的擾動(dòng)均是空間范圍內(nèi)且與時(shí)程有關(guān)的變動(dòng)。HK 某客專隧道下穿高速公路段工程采用“三臺(tái)階七部”開(kāi)挖法，每部開(kāi)挖進(jìn)尺為0.5m，此段管棚長(zhǎng)度40m（含5m 重疊區(qū)域），圍巖較破碎，下穿段正好位于鎮(zhèn)勝高速下方，管棚頂端距離高速路擋墻基礎(chǔ)下端最小距離只有4m～6m。因此，重點(diǎn)研究管棚預(yù)支護(hù)對(duì)于隧道穩(wěn)定性的影響，建立有限元分析模型對(duì)管棚預(yù)支護(hù)條件下的開(kāi)挖和施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)管棚支護(hù)效果及隧道圍巖應(yīng)力應(yīng)變、管棚鋼管內(nèi)力、地表沉降、凈空變形的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。

3.2 建立有限元模型

3.2.1 模型的建立

建立MIDAS/GTS 有限分析模型：隧道X 方向取150m，隧道底面豎直向下取70m，沿隧道軸向取一段管棚長(zhǎng)度40m。模擬隧道橫向最大距離15m，隧道凈高取10m，隧道圍巖按勻質(zhì)彈塑性材料考慮。采用Mohr-Coulomb 本構(gòu)模型進(jìn)行預(yù)支護(hù)結(jié)構(gòu)的彈性計(jì)算；圍巖采用四面體與六面體混合實(shí)體單元，初期預(yù)支護(hù)為16cm 厚C20 噴射混凝土配合工字鋼及錨桿，采用板單元模擬；管棚為直徑108、壁厚6mm、環(huán)形間距為40cm、長(zhǎng)度40m 的鋼管，采用梁?jiǎn)卧M；整體模型按重力應(yīng)力場(chǎng)考慮忽略構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，同時(shí)，模型兩側(cè)約束X 方向位移，前后面約束Y 方向位移，底部約束Z 方向位移，頂部不加約束，為自由面。具體模型建立如圖4 所示。

圖4 模型各部分網(wǎng)格圖

隧道外輪廓線內(nèi)網(wǎng)格軸向劃分，其余圍巖部分網(wǎng)格傾斜22°，重點(diǎn)側(cè)重于各應(yīng)力數(shù)據(jù)計(jì)算的離散化。如圖5 所示。

圖5 模型對(duì)隧道與上行高速公路交角表現(xiàn)示意圖

3.2.2 物理力學(xué)參數(shù)

模型中力學(xué)計(jì)算的參數(shù)（包括巖體參數(shù)），如表1 所示。

表1 圍巖及支護(hù)材料計(jì)算參數(shù)

表2 噴射混凝土的力學(xué)參數(shù)

3.2.3 與施工方法協(xié)同模型建立

隧道開(kāi)挖采用“三臺(tái)階七部”法進(jìn)行，長(zhǎng)管棚注漿后施工圍巖固化成殼狀，類似于拱形支護(hù)結(jié)構(gòu)，將拱頂處圍巖產(chǎn)生的壓力荷載分散至周邊圍巖，減小隧道拱頂進(jìn)入塑性區(qū)的可能性，保證掌子面附近穩(wěn)定性。如圖6、圖7 所示。

圖6 三臺(tái)階七部開(kāi)挖方法示意圖

圖7 錨桿初期支護(hù)圖

先將相應(yīng)參數(shù)帶入模型進(jìn)行長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)各彈性模量的模擬計(jì)算，模擬中將管棚視為各向同性彈性結(jié)構(gòu)，將管棚的彈性模量折算成整個(gè)斷面的彈性模量，式（1）：

式（1）中:E 為長(zhǎng)管棚折算后整體斷面的彈性模量；E0在施工中所選用混凝土的彈性模量；Sg選用鋼管的截面積;Sc為選用混凝土的截面積；Eg為選用鋼管的彈性模量。管棚加固區(qū)徑向?qū)挾热?.6～0.7 倍的鋼管間距，即：2×0.4×0.7+0.108=0.668m，取0.8m，管棚網(wǎng)格圖如圖8。

圖8 管棚網(wǎng)格圖

3.3 管棚及隧道施工模擬結(jié)果

將圍巖材料參數(shù)賦值給計(jì)算模型后，根據(jù)圍巖自重應(yīng)力場(chǎng)初始條件求解圍巖主應(yīng)力初始值，即得到模型的初始應(yīng)力場(chǎng)如圖9所示。

圖9 圍巖初始應(yīng)力場(chǎng)矢量圖

3.3.1 管棚受力狀態(tài)分析

對(duì)隧道不同開(kāi)挖進(jìn)尺的管棚受力狀態(tài)進(jìn)行模擬分析，如圖10。

由圖10 分析可知，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，管棚的軸向力F 的作用面積隨著掌子面向前推進(jìn)逐漸向管棚左右兩側(cè)以及隧道軸向擴(kuò)大。上臺(tái)階掌子面后方3～5m 處，管棚一側(cè)鋼管內(nèi)力出現(xiàn)較大的拉力集中現(xiàn)象，上臺(tái)階掌子面后方5m 范圍內(nèi)，同一側(cè)的鋼管出現(xiàn)較大的壓力集中現(xiàn)象。分析原因?yàn)椋菏軠\埋偏壓影響，開(kāi)挖方向右側(cè)即為偏壓一側(cè)，掌子面前方鋼管嵌入圍巖中相當(dāng)于“懸臂梁”的固定端，鋼管截面出現(xiàn)壓力，掌子面后方鋼管受圍巖橫向偏壓作用影響，截面出現(xiàn)拉力。

圖10 不同開(kāi)挖尺下管棚軸向力云圖

3.3.2 圍巖變形分析

對(duì)隧道不同開(kāi)挖進(jìn)尺掌子面里程Z 軸方向位移進(jìn)行模擬分析，如圖11。

圖11 隧道工程某段開(kāi)挖后10m30m結(jié)束圍巖位移模擬云圖變化

由圖11 位移云圖分析，隨著隧道的開(kāi)挖，掌子面附近圍巖與掌子面前方的圍巖均會(huì)產(chǎn)生位移，且呈現(xiàn)拱頂向地表延伸，隧底向更深巖層延伸，位移延伸范圍會(huì)隨著開(kāi)挖過(guò)程的進(jìn)行而擴(kuò)大；當(dāng)斷面初期支護(hù)全周封閉距離掌子面2～3 倍洞徑距離時(shí)，斷面處圍巖的位移情況具有明顯減緩趨勢(shì)；隧道開(kāi)挖時(shí)隧底存在向上擠壓位移，拱頂為向下沉降位移，且隧底向上擠壓位移值要略大于拱頂?shù)某两抵?；通過(guò)管棚預(yù)支護(hù)技術(shù)后，開(kāi)挖起點(diǎn)處拱頂圍巖的最終沉降值為22.25mm，在開(kāi)挖過(guò)程中拱腰偏壓側(cè)圍巖的最大位移值為25.84mm。

選取擋墻基礎(chǔ)底部、左/右幅路基的中央節(jié)點(diǎn)參數(shù)若干，將節(jié)點(diǎn)位移繪制成位移曲線圖如圖12 所示。

圖12 擋墻及路基各測(cè)點(diǎn)位移曲線圖

由圖12 分析可知，與左/右幅路基相比較，擋墻基礎(chǔ)底部所產(chǎn)生的位移更為顯著，其變形程度較大，塑性破壞可能更大；同時(shí)，左/右幅路基于擋墻基礎(chǔ)位移均小于20mm，說(shuō)明所采用管棚預(yù)支護(hù)體系發(fā)揮了支護(hù)穩(wěn)定作用。

3.3.3 與施工實(shí)際情況比對(duì)

為了驗(yàn)證背陰坡隧道管棚施工的合理性與數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確性，將拱頂下沉、水平收斂值和管棚鋼管內(nèi)力的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)值和有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表3。在工程結(jié)束后，選取模擬數(shù)據(jù)相同段實(shí)景情況進(jìn)行比對(duì)，其具體情況如圖13所示。擋墻產(chǎn)生貫通斜裂縫最大寬度2～3mm，這驗(yàn)證了擋墻基礎(chǔ)的變形導(dǎo)致了微小的不均勻沉降效果，右幅路基無(wú)裂縫，左幅路基出現(xiàn)較小裂縫且未貫通，寬度小于0.5mm，以上現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景情況均與模擬結(jié)果相吻合，這驗(yàn)證了長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)體系對(duì)控制圍巖變形的有效性，模擬計(jì)算成果準(zhǔn)確。

表3 位移計(jì)算值對(duì)試驗(yàn)值對(duì)比

圖13 擋墻及路基實(shí)景情況

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)HK 客專某段隧道下穿高速公路工程項(xiàng)目中有限元模擬計(jì)算與長(zhǎng)管棚支護(hù)工藝結(jié)合的相關(guān)分析研究，以及與工程后實(shí)景情況的比對(duì)，驗(yàn)證了作為穩(wěn)固隧道施輔助施工工藝長(zhǎng)管棚預(yù)支護(hù)技術(shù)對(duì)地面沉降的有效控制。同時(shí)，對(duì)長(zhǎng)管棚荷載情況進(jìn)行模擬、解析及計(jì)算可以作為施工中對(duì)掌子面穩(wěn)定性控制的重要參考依據(jù)。

注釋

1 張頂立，黃俊.地鐵隧道施工拱頂下沉值的分析與預(yù)測(cè)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005(5):1704.