淺埋隧道施工工法及超前管棚支護(hù)技術(shù)分析

汪軍鵬

(中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

淺埋隧道施工中往往面臨圍巖風(fēng)化程度強(qiáng)、巖體破碎、隧道施工期變形大等問題，極易引發(fā)隧道坍塌等工程事故。淺埋隧道施工是需要重點(diǎn)研究的問題。Atkinson等[1]結(jié)合上下限分析原理，利用模型試驗(yàn)對淺埋隧道的穩(wěn)定性開展了研究；Davis[2]假定了不同隧道破壞模式，并分析了不排水條件下淺埋隧道的穩(wěn)定性；Leca等[3]對隧道的三維穩(wěn)定性進(jìn)行了研究；姜功良[4]對隧道穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行了求解；韓煊等[5]對Peck公式的計(jì)算參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化建議；楊峰、陽軍生[6]提出了針對淺埋隧道圍巖壓力的理論計(jì)算方法。超前管棚是控制圍巖變形、保證隧道施工穩(wěn)定性的重要工程措施。茍德明等[7]提出了彈性固定端的雙參數(shù)地基梁模型。以上針對淺埋隧道荷載計(jì)算、隧道失穩(wěn)破壞模式、超前管棚作用的理論研究，對淺埋隧道施工具有很重要的指導(dǎo)意義。本文以寧夏東毛高速六盤山隧道為依托工程，采用數(shù)值模擬的手段，研究臺階法、CD法和雙側(cè)壁法在淺埋隧道施工中的變形控制效果，分析超前管棚對隧道變形控制作用，研究成果可提出淺埋隧道施工的合理工法及超前管棚支護(hù)參數(shù)[8]。

1 工程概況

寧夏六盤山隧道是青島至蘭州公路(寧夏境)東山坡至毛家溝段高速公路控制性工程，設(shè)計(jì)為分離式隧道，隧道左線起迄樁號為ZK6+270～ZK15+760，長度9 490 m，隧道右線起迄樁號為K6+230～K15+71隧道長度9 480 m，是全國海拔2 000 m以上高原地區(qū)的高速公路特長隧道。隧道所經(jīng)區(qū)域年平均氣溫-0.8 ℃，極端最低溫度-25.7 ℃，從10月底至來年4月份，每年冬期長達(dá)6個(gè)月。不良地質(zhì)主要有涌水突泥、軟巖大變形和巖層不整合接觸帶等。

2 不同施工工法隧道變形數(shù)值模擬

2.1 模型建立和計(jì)算參數(shù)

在數(shù)值模擬軟件FLAC3D中建立淺埋隧道變形計(jì)算模型，施工工法分別為臺階法、CD法和雙側(cè)壁法，如圖1所示。其中，隧道埋深20 m，左右邊界和下邊界為40 m，計(jì)算采用彈塑性模型和Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。計(jì)算采用的圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2.2 計(jì)算結(jié)果

淺埋隧道不同施工方法的隧道橫斷面位移如圖2～圖4所示。

不同施工方法下的隧道拱頂沉降、水平收斂以及仰拱隆起計(jì)算結(jié)果如圖5所示。圖5表明在拱頂沉降的控制上雙側(cè)壁法優(yōu)于臺階法優(yōu)于CD法，在仰拱隆起上，雙側(cè)壁法和臺階法效果接近但是優(yōu)于CD法，在水平收斂的控制上，臺階法優(yōu)于雙側(cè)壁法優(yōu)于CD法。綜合考慮隧道變形的控制效果和施工的操作難易程度，選取臺階法施工較為合適。

隧道地表沉降變化如圖6所示。表明在隧道10 m和20 m斷面上，對于地表沉降的控制上，雙側(cè)壁法優(yōu)于臺階法優(yōu)于CD法，在隧道30 m,40 m和50 m斷面處，臺階法優(yōu)于雙側(cè)壁法優(yōu)于CD法。

3 超前管棚支護(hù)參數(shù)下的控制技術(shù)研究

3.1 模型建立和計(jì)算參數(shù)

在數(shù)值模擬軟件MIDAS中建立淺埋隧道超前管棚支護(hù)計(jì)算模型，如圖7所示。其中：注漿管棚的等效彈性模量Ep按受彎構(gòu)件進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)鋼管混凝土規(guī)范提供的抗彎剛度表達(dá)式為：

EpIp=EsIs+kwEcIc。

其中,Es，Is分別為鋼管的彈性模量和慣性矩；Ec,Ic分別為管內(nèi)砂漿的彈性模量和慣性矩；Ep,Ip分別為注漿管棚的等效彈性模量和慣性矩；kw為考慮管棚砂漿開裂引起砂漿剛度折減的系數(shù)，本次計(jì)算取0.6。

為探究超前管棚對隧道變形的控制效果，分別分析超前管棚直徑、布置范圍和管棚間距對隧道變形的影響，計(jì)算工況見表2。

表2 管棚影響計(jì)算工況

3.2 計(jì)算結(jié)果

淺埋隧道超前管棚支護(hù)的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果如圖8～圖10所示。

圖8表明，隨著管棚直徑和范圍的增大，拱頂沉降逐漸減小，而拱頂沉降隨著管棚間距的增大而增大。當(dāng)管棚直徑由64 mm增加至84 mm時(shí)，拱頂沉降分別為27.45 mm，23.41 mm，20.85 mm，19.34 mm，18.56 mm和18.12 mm。當(dāng)管棚范圍由140°增加至240°時(shí)，拱頂沉降分別為26.41 mm,22.36 mm,19.34 mm,17.61 mm,16.59 mm和15.89 mm。當(dāng)管棚間距由0.2 m增加至0.7 m時(shí)，拱頂沉降分別為18.45 mm,18.84 mm,19.34 mm,21.02 mm,23.26 mm和27.41 mm。

圖9表明，隨著管棚直徑和范圍的增大，水平收斂逐漸減小，而水平收斂隨著管棚間距的增大而增大。當(dāng)管棚直徑由64 mm增加至84 mm時(shí)，水平收斂分別為9.94 mm,8.96 mm,8.21 mm,7.69 mm,7.45 mm和7.21 mm。當(dāng)管棚范圍由140°增加至240°時(shí)，水平收斂分別為9.14 mm,8.35 mm,7.69 mm,7.12 mm,6.88 mm和6.74 mm。當(dāng)管棚間距由0.2 m增加至0.7 m時(shí)，水平收斂分別為6.89 mm,7.11 mm,7.69 mm,8.65 mm,9.98 mm和11.58 mm。

圖10表明，隨著管棚直徑和范圍的增大，仰拱隆起逐漸減小，而仰拱隆起隨著管棚間距的增大而增大。當(dāng)管棚直徑由64 mm增加至84 mm時(shí)，仰拱隆起分別為49.69 mm,44.98 mm,41.25 mm,38.35 mm,37.11 mm和34.65 mm。當(dāng)管棚范圍由140°增加至240°時(shí)，仰拱隆起分別為44.98 mm，40.25 mm，38.11 mm，37.58 mm，37.12 mm和36.89 mm。當(dāng)管棚間距由0.2 m增加至0.7 m時(shí)，仰拱隆起分別為36.84 mm，37.19 mm，38.11 mm，39.43 mm，41.36 mm和44.89 mm。

4 結(jié)語

本文依托寧夏東毛高速六盤山隧道，采用數(shù)值模擬手段，研究了淺埋隧道采用臺階法、CD法和雙側(cè)壁法施工中隧道變形規(guī)律，分析了超前管棚支護(hù)對隧道變形的影響，得到如下結(jié)論：

1)淺埋隧道施工工法對隧道變形控制效果，對拱頂沉降的控制，雙側(cè)壁法優(yōu)于臺階法、CD法；對于仰拱隆起，雙側(cè)壁法和臺階法效果接近，優(yōu)于CD法；對于水平收斂，臺階法優(yōu)于雙側(cè)壁法優(yōu)于CD法。綜合考慮隧道變形控制效果和施工難易程度，采用臺階法施工較為合適。

2)淺埋隧道施工超前管棚支護(hù)中，隨著管棚直徑和范圍的增大，拱頂沉降、仰拱隆起逐漸減小，而拱頂沉降、仰拱隆起隨著管棚間距的增大而增大。