考慮動態(tài)施工超長管棚預支護力學特性及參數(shù)影響分析*

曹成威，石鈺鋒，詹 濤，范軍琳，陽軍生，徐騰飛

(1.華東交通大學 江西省巖土工程基礎(chǔ)設(shè)施安全與控制重點實驗室，江西 南昌 330013；2.南昌軌道交通集團有限公司，江西 南昌 330038；3.中鐵上海設(shè)計院集團有限公司，上海 200070；4.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

0 引言

管棚法作為淺埋暗挖隧道常用輔助方法，在防止隧道塌方和控制圍巖變形方面發(fā)揮重要作用，但在工程設(shè)計中主要以經(jīng)驗和工程類比法為主[1-5]。尤其針對復雜地層隧道下穿既有建筑物情況，管棚預支護隨動態(tài)施工其力學機制較為復雜，為控制變形和保障施工安全，參數(shù)合理化選擇顯得格外重要。

目前，管棚預支護研究方法主要有力學解析、現(xiàn)場試驗和數(shù)值計算。在力學解析方面：鄭俊杰等[6]建立變基床系數(shù)下管棚的地基梁模型，發(fā)現(xiàn)管棚力學行為與開挖面位置、開挖進尺及巖體泊松比等因素相關(guān)；王道遠等[7]基于彈性地基梁理論，探討管棚幾何和力學參數(shù)對支護效果影響。在現(xiàn)場測試方面：Ibrahim[8]、Song等[9]分別通過室外、室內(nèi)現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)，管棚能夠有效減小地表沉降；耿大新等[10]通過對管棚內(nèi)力進行現(xiàn)場測試分析，發(fā)現(xiàn)管棚受力為掌子面前方受拉、后方受壓、靠近洞口受拉，呈波形分布。在數(shù)值計算方法方面：陶祥令等[11]以地鐵淺埋暗挖隧道為背景，選用合適的數(shù)值模型對管棚結(jié)構(gòu)參數(shù)進行分析，研究其對地表沉降和拱頂沉降的影響；武松等[12]基于數(shù)值法研究超前管棚作用機制，同時開展室內(nèi)物理模型試驗，探究2種不同直徑管棚支護效果，并成功指導高速公路大斷面軟巖公路隧道下穿既有公路工程。目前，有關(guān)管棚力學機制的研究比較復雜，影響因素較多，尤其對超長管棚動態(tài)施工影響關(guān)注度較低，復雜地層中管棚合理化參數(shù)選擇缺乏依據(jù)。

鑒于此，本文依托某下穿高速公路淺埋暗挖隧道工程，建立三維動態(tài)數(shù)值模型，通過結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析超長管棚隨動態(tài)施工過程受力和變形行為特點，探究超長管棚在不同直徑、間距、加固層厚度和開挖進尺等多因素下對隧道穩(wěn)定性影響，研究結(jié)果可為類似工程施工和設(shè)計提供合理化參數(shù)。

1 工程概況

某鐵路隧道下穿既有高速公路，隧道與高速公路中線夾角約45°，隧道埋深6～8 m，土層由上至下依次為膨脹土和灰?guī)r，地下水位在隧道輪廓線以下，屬于典型上軟下硬復雜地層。為減小隧道開挖對高速公路影響，采用一次性跟管鉆進85 m超長直徑159 mm管棚進行超前預支護。隧道斷面支護示意如圖1所示。

圖1 隧道斷面支護示意

沿隧道外輪廓進行水平導向鉆孔施作管棚，通過鋼管梅花孔進行注漿，注漿材料為M30水泥砂漿液，水灰比為1∶1，注漿壓力控制低于0.4 MPa，管棚外插角為0°，內(nèi)插3根?18鋼筋束，砂漿填充。隧道采用三臺階預留核心土開挖方式，上臺階開挖進尺2 m，核心土預留長度4～6 m，每開挖下一步之前施作好支護，初支采用雙層加強型鋼架，C25噴混厚0.55 m，二襯為C35噴混厚度0.30 m。

為掌握管棚預支護結(jié)構(gòu)受力和變形實時動態(tài)情況，采用應變計對隧道中線頂部管棚進行監(jiān)測，水泥砂漿和管棚視為緊密填充，認為鋼管和水泥砂漿符合應變協(xié)調(diào)方程。管棚監(jiān)測點布置如圖2所示。同時，為對既有高速公路進行實時動態(tài)監(jiān)測，沉降監(jiān)測點布設(shè)于道路與隧道投影交點斷面，監(jiān)測點向兩側(cè)每間隔3 m布設(shè)測點，共布設(shè)9個測點。

圖2 管棚測點布置

2 數(shù)值計算模型

2.1 模型建立

采用Midas/GTS有限元軟件進行建模，為減小邊界效應影響，模型寬度取大于5倍洞徑，縱向長度取管棚相當長度，隧道網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圍巖采用三維實體單元模擬，本構(gòu)按照Mohr-Coulomb屈服準則考慮，注漿加固區(qū)用實體單元，管棚采用梁單元，初支和二襯采用板單元模型，開挖完1個進尺隨即施加支護。四周約束法向位移，底部為固定約束，為模擬洞口處套拱對管棚影響，約束管棚進洞端位移和轉(zhuǎn)角形成固定端。由于隧道在施工期間上方高速公路車輛交通采取繞行措施，高速公路路面暫不考慮汽車荷載作用影響。

2.2 材料參數(shù)確定

鋼管、鋼筋束、砂漿參數(shù)可通過標號參數(shù)直接獲取，最終管棚剛度和重度可根據(jù)等效剛度和重度計算，如式(1)～(2)所示：

E(I1+I2+I3)=E1I1+E2I2+E3I3

(1)

γ(A1+A2+A3)=γA1+γA2+γA3

(2)

式中：E為管棚等效剛度，GPa；γ為管棚重度，kN/m3；E1，E2，E3分別為鋼管、砂漿和鋼筋的彈性模量，GPa；

I1，I2，I3分別為鋼管、砂漿和鋼筋的慣性矩，m4；γ1，γ2，γ3分別為鋼管、砂漿和鋼筋的重度，kN/m3；A1，A2，A3分別為鋼管、砂漿和鋼筋斷面面積，m2。

圍巖土層參數(shù)通過地質(zhì)報告可直接獲取，注漿加固區(qū)強度參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場所取注漿后巖體參數(shù)測得。其中，最終參數(shù)把管棚按照面積等效法折算到加固區(qū)土層，加固厚度值依據(jù)漿液擴散半徑和注漿孔半徑得到[13-14]，如式(3)所示：

D=2[R2-(S/2)2]0.5

(3)

式中：D為加固層厚度，m；S為相鄰注漿孔間距，m；R為漿液擴散半徑，R=(0.6～0.7)S，m。

初期支護通過等效方法把型鋼鋼架折算給噴混結(jié)構(gòu)[15]，如式(4)所示：

(4)

式中：E為復合彈性模量，GPa；E0為原噴混彈模，GPa；Ag為鋼架截面積，m2；Es為鋼架彈模，GPa；Ac為噴混截面積，GPa。最終數(shù)值模型計算參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模型計算參數(shù)

3 現(xiàn)場監(jiān)測和計算結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模型結(jié)果驗證

現(xiàn)場沉降監(jiān)測和數(shù)值結(jié)果對比如圖4所示(隧道中線與公路投影交點所在斷面)。

圖4 現(xiàn)場沉降監(jiān)測和數(shù)值結(jié)果對比

由圖4可知，實測沉降槽范圍略大于模擬結(jié)果，但2者數(shù)值相差較小，且當隧道掌子面到達所在測點時，地表沉降值達到最大。模擬結(jié)果顯示該數(shù)值模型具有較好的適用性。

管棚中性軸應變結(jié)果對比如圖5所示。由圖5可知，管棚應變整體呈波浪形分布，實測值總體趨勢與數(shù)值模擬結(jié)果一致，最大應變發(fā)生在掌子面附近，以掌子面為界大體可分為前方受拉區(qū)、后方受壓區(qū)、靠近洞口受拉區(qū)3個區(qū)段，與前人研究結(jié)果一致，驗證數(shù)值模型的可靠性。

圖5 管棚應變監(jiān)測和數(shù)值結(jié)果對比

3.2 管棚變形與受力分析

1)管棚撓度分析

拱頂部管棚和拱腰部管棚撓度對比曲線如圖6所示。由圖6可知，撓度曲線整體呈魚腹形分布，隨開挖進尺增加，撓度曲線凹槽不斷向前和向下推移，當開挖進尺相同時，拱腰部管棚撓度峰值和曲線范圍均小于拱頂部管棚，最大值發(fā)生在掌子面附近。其中，隨后方初支和二襯結(jié)構(gòu)施作，拱頂部管棚撓度峰值穩(wěn)定于10.7 mm，拱腰部管棚撓度峰值穩(wěn)定于2.9 mm，且在掌子面后方區(qū)域管棚撓度值略有減小，即管棚出現(xiàn)小范圍回彈，說明隧道后期支護結(jié)構(gòu)共同承擔上部圍巖壓力，管棚起到良好的預支護效果。

圖6 管棚撓度曲線

2)管棚軸力分析

為分析管棚隨隧道開挖受力變化情況，同時考慮管棚所處位置不同的響應差異，在模型中選取代表性測點進行受力分析，測點提取示意如圖7所示。

管棚各測點軸力隨施工過程中隧道開挖進尺量如圖8所示。由圖8可知，對于拱頂部管棚，當隧道開挖進尺較小時，管棚所受軸力較小，開挖面未達測點時，隨進尺增加，管棚受拉力數(shù)值逐漸增大；達到一定峰值時，管棚軸力由受拉轉(zhuǎn)向受壓，當開挖面通過各測點時，受壓區(qū)軸力值逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定趨勢。對于拱腰部管棚，軸力隨施工變化曲線規(guī)律與拱頂部管棚大體一致，但受拉和受壓峰值相對較平緩，總體表現(xiàn)為開挖面距離測點較遠時管棚受拉力，當靠近測點時軸力轉(zhuǎn)向受壓。隨動態(tài)施工進行，管棚各測點經(jīng)歷由受拉到受壓的變化過程，且拱頂部管棚受力更大，動態(tài)響應更為明顯。

3)管棚彎矩分析

管棚彎矩隨隧道開挖曲線如圖9所示。由圖9可知，隨隧道開挖掌子面推進，彎矩作用范圍逐漸向前擴張，管棚長度方向受力范圍逐級推進。在掌子面處，管棚彎矩為負值，向下發(fā)生撓曲變形，原因是管棚承受隧道開挖臨空面上方豎向荷載，使其向前后兩端傳遞荷載，以保障開挖面圍巖穩(wěn)定性；在橫向上，掌子面拱頂處管棚彎矩值在-18～16 kN·m范圍內(nèi)浮動，拱腰處管棚彎矩值在-8～7 kN·m范圍浮動，拱腰部管棚彎矩整體小于拱頂部管棚，隨開挖進尺增大2者彎矩規(guī)律相似；管棚最大彎矩發(fā)生在洞口套拱處，最大值超過35 kN·m。因此，在施工過程應嚴格把控套拱質(zhì)量，必要時對套拱做加強處理，以保證管棚預支護效果。

圖9 管棚彎矩曲線

4 參數(shù)影響分析

由于地下巖土體復雜多變，為尋求科學合理化參數(shù)以實現(xiàn)安全和效益共贏，針對管棚自身參數(shù)對支護效果的影響展開研究。

4.1 管棚直徑影響

假定管棚各參數(shù)不變，只分析管棚直徑對其支護效果影響，為契合實際工程，選用工程常用直徑參數(shù)89，108，129，159，219，300 mm進行分析，同時考慮不同開挖進尺影響，分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 管棚直徑影響分析結(jié)果

由圖10可知，隨管棚直徑增加，最大地表沉降和管棚撓度有效減小。當管棚直徑超過159 mm時，單獨增大直徑，支護效果提高不明顯；且隨1次開挖進尺增加，最大沉降和最大撓度值均增大，即管棚支護效果降低，尤其開挖進尺大于2 m后，影響程度更為顯著；考慮施工進度、鉆孔難度和造價因素，當管棚直徑在129～159 mm、開挖進尺在1～2 m時，其預支護效果較為合理。

4.2 管棚間距影響

管棚間距對其支護效果影響如圖11所示，隨管棚間距增大，最大地表沉降和管棚撓度增大，當管棚間距大于0.5 m時，增大間距對隧道影響較大，當間距小于0.4 m時，減小管棚間距對支護效果不明顯，綜合考慮間距在0.4～0.5 m比較合適。相同間距條件下，隨1次開挖進尺增加，其沉降和撓度隨之增大，這是由于管棚間距較大，預支護形成上部拱效應降低支撐效果，相較于地表沉降影響，間距對管棚撓度敏感性更高。

圖11 管棚間距影響分析結(jié)果

4.3 注漿區(qū)厚度影響

管棚注漿加固厚度對隧道穩(wěn)定影響如圖12所示，當加固區(qū)厚度小于0.4 m時，注漿區(qū)厚度變化對地層沉降和管棚撓度影響較大，當管棚不注漿時，最大地表沉降和管棚最大撓度分別超過15 mm和38 mm。當注漿區(qū)厚度大于0.5 m時，開挖進尺對支護能力影響較小。綜上，管棚注漿區(qū)厚度和開挖進尺存在1個最優(yōu)值，可使控制地層變形和施工效益達到某種平衡。分析結(jié)果表明，1次開挖進尺為1～2 m、注漿區(qū)厚度為0.4～0.5 m為最佳取值參數(shù)范圍。

圖12 注漿區(qū)厚度影響分析結(jié)果

5 結(jié)論

1)通過三維有限元建模分析，地表沉降、管棚應變數(shù)值結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)吻合程度較好，并與前人研究成果相互印證，證明數(shù)值模型的適用性和可靠性。

2)管棚撓度曲線整體呈魚腹形分布，隨進尺增加呈向前發(fā)展趨勢，拱頂部管棚撓度穩(wěn)定在10.7 mm，拱腰部管棚撓度穩(wěn)定在2.9 mm，且在掌子面后方區(qū)域出現(xiàn)小范圍回彈，說明管棚起到良好的預支護效果。

3)動態(tài)施工過程中，隨開挖面距離管棚測點距離由遠即近，各測點受力變化為由受拉力變?yōu)槭軌毫ψ饔?，拱頂部動態(tài)響應更明顯；管棚彎矩主要集中于開挖面前后區(qū)域，隨開挖面推進作用范圍逐級擴張，最大彎矩發(fā)生在洞口套拱處，施工應嚴格把控套拱質(zhì)量，以保證發(fā)揮管棚預支護承載能力。

4)管棚直徑、間距、注漿加固區(qū)厚度、開挖進尺均會影響隧道穩(wěn)定性，當隧道采用短進尺開挖時，管棚直徑取129～159 mm、管棚間距0.4～0.5 m、注漿加固區(qū)厚度0.4～0.5 m時圍巖變形和管棚撓度值控制在科學合理范圍，可保證上方高速公路安全。