直墻拱型引水隧洞洞口段管棚預(yù)加固技術(shù)分析

鄒增富 唐世祿 廖云朋 代榮 謝昌志

摘要：為明確管棚預(yù)加固工法在直墻拱型引水隧洞洞口段的加固效果，建立管棚預(yù)加固三維有限元模型，研究管棚在直墻拱型引水隧洞開(kāi)挖過(guò)程中全過(guò)程力學(xué)演變。研究結(jié)果表明：管棚沉降總體上呈凹槽形分布，在掌子面附近，管棚沉降值達(dá)到最大；管棚起始端始終具有較大的彎矩值，掌子面附近的彎矩變化比較明顯，管棚的梁效應(yīng)作用位置隨掌子面的推進(jìn)而變化；管棚超前支護(hù)能顯著減小隧道開(kāi)挖引起圍巖的擾動(dòng)范圍和擾動(dòng)程度，限制隧道周邊位移。

關(guān)鍵詞：管棚；預(yù)加固；直墻拱型；引水隧洞；數(shù)值模擬

中圖分類(lèi)號(hào)：U453.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

斷層破碎帶作為一種常見(jiàn)的地質(zhì)構(gòu)造，長(zhǎng)大隧道施工過(guò)程中難免要經(jīng)常穿越斷層破碎帶。斷層破碎帶巖體自穩(wěn)能力差，開(kāi)挖擾動(dòng)會(huì)引起較大的圍巖變形，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致掌子面失穩(wěn)和隧道塌方［1-3］。管棚作為一種有效的超前支護(hù)輔助工法，已經(jīng)在不良地質(zhì)條件下的隧道施工中得到了廣泛的應(yīng)用［4-5］。目前眾多學(xué)者對(duì)管棚加固機(jī)理和預(yù)加固效果開(kāi)展了研究。高鑫、曹成威等［6-7］研究了管棚預(yù)支護(hù)力學(xué)特性和參數(shù)影響。余俊、陽(yáng)超等［8-9］分析了松散地層隧道管棚注漿加固效應(yīng)。王文等［10］研究了預(yù)支護(hù)段開(kāi)挖時(shí)管棚的受力和變形。本文以G4216線高速公路卡哈洛綜合體把堡河河道改道工程泄水隧洞為工程依托，建立了直墻拱型引水隧洞洞口段管棚預(yù)加固三維有限元模型，分析了管棚的超前支護(hù)作用，明確管棚在隧道進(jìn)洞開(kāi)挖過(guò)程中的力學(xué)行為，以期為管棚預(yù)加固施工提供參考。

1工程背景

卡哈洛互通式立交綜合體為G4216線屏山新市至雷波段高速公路控制性工程之一。由于卡哈洛互通綜合體填方區(qū)域?qū)⒖ü遴l(xiāng)場(chǎng)鎮(zhèn)東側(cè)把堡河段全部侵占，需改移河道以恢復(fù)把堡河行洪能力，保障下游卡哈洛互通式立交綜合體及卡哈洛鄉(xiāng)場(chǎng)鎮(zhèn)行洪安全，故需新建泄水隧洞。卡哈洛泄洞進(jìn)口長(zhǎng)6 m，出口明洞長(zhǎng)12.93 m。進(jìn)口縱斷面為斜面，坡比1∶0.5，與洞軸線夾角65.61°；隧洞洞身長(zhǎng)1 216.07 m。泄水隧洞比降為4.4%，進(jìn)口高程784.00 m，出口高程729.66 m。隧洞為城門(mén)洞型，底寬9.0 m，直墻高7.5 m，頂拱半徑4.5 m，角度180°。

卡哈洛泄水隧洞進(jìn)口端采用全斷面法開(kāi)挖。開(kāi)挖前采用108 mm大管棚超前支護(hù)，管棚長(zhǎng)28 m，打設(shè)范圍為拱頂120°范圍內(nèi)，單層共42根?？ü逍顾矶炊纯谠孛惨?jiàn)圖1。

2管棚力學(xué)模型

2.1管棚作用效果分析

管棚超前支護(hù)是在地下工程的開(kāi)挖輪廓線外，以一定間距、沿洞軸以一定外插角鉆孔插入或直接插入鋼管，通過(guò)鋼管上布置的注漿孔向地層注漿，來(lái)增加鋼管外周?chē)鷰r的強(qiáng)度。管棚支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)效果：

（1）管棚超前支護(hù)通過(guò)鋼管向周?chē)鷰r體注漿，使周?chē)鷰r體裂隙充滿漿液，提高圍巖的物理力學(xué)參數(shù)。

（2）在隧道周邊一定范圍布置的管棚，與圍巖、注漿體相互作用，環(huán)繞隧道輪廓形成筒狀加固圈，加固圈將起到“承載拱”的作用。

（3）管棚超前支護(hù)能夠有效地從空間、時(shí)間上調(diào)整隧道開(kāi)挖引起的圍巖應(yīng)力分布，將上部圍巖傳來(lái)的比較集中地荷載分散到掌子面前方的圍巖及后方支護(hù)結(jié)構(gòu)上，從而減小了掌子面前方圍巖所受壓力的強(qiáng)度，提高了隧道掌子面的穩(wěn)定性。

（4）管棚超前支護(hù)能促進(jìn)隧道上部圍巖地層拱的形成，促進(jìn)由開(kāi)挖前的初始平衡狀態(tài)盡快轉(zhuǎn)移到開(kāi)挖后的最終平衡狀態(tài)。

（5）管棚超前支護(hù)對(duì)地層變形抑制效果始于掌子面前方一定距離，起到良好的地層控制效果。

（6）管棚超前支護(hù)在隧道縱軸方向上可視為梁，在橫向上可視為拱，且梁拱主要承受壓力。由于這一結(jié)構(gòu)的支撐作用，限制了圍巖應(yīng)力的釋放。

2.2管棚荷載解析

王海濤［11］基于圍巖松動(dòng)區(qū)理論分析了深埋和淺埋隧道條件的管棚荷載。設(shè)隧道開(kāi)挖引起的圍巖松動(dòng)區(qū)域如圖2所示。根據(jù)微分條帶dz的平衡條件ΣV=0，得到式（1）～式（3）。

s1（σV+dσV）-s1σV+2τdz-γs1dz=0（1）

即：

dσV/dz=γ-2τ/s1（2）

式中：σV為距松動(dòng)區(qū)頂部z處的豎直應(yīng)力；γ為土的容重；τ為作用在破裂面上的剪應(yīng)力。

s1=s+2htan（45°-φ/2）（3）

式中：s為隧道無(wú)支護(hù)區(qū)域距離。

假設(shè)破壞時(shí)符合莫爾-庫(kù)侖條件，則有式（4）。

τ=λσVtanφ+c（4）

式中：λ為側(cè)壓力系數(shù)。

把式（4）代人式（2），得到式（5）。

dσVdz=γ-2cs1－2λσVtanφs1（5）

由松動(dòng)頂部邊界條件，σVz=0=γ（H-h0），得到式（6）。

σV=s1γ-2c2λtanφ（1-exp（-2λztanφ/s1））+

γ（H-h0）exp（-2λztanφ/s1）（6）

考慮產(chǎn)生最大松動(dòng)范圍時(shí)洞頂不受力，σVz=h0=0，代入式（6）得到式（7）。

e-2λh0tanφ/s1·s1γ-2c-2λγtanφ（H-h0）2λtanφ=s1γ-2c2λtanφ

h0=s12λtanφl(shuí)n2λγtanφH+2c-s1γ2c-s1γ（7）

在深埋時(shí)，h0H，1－h(huán)0/H≈1，得最大松動(dòng)高度為式（8）。

h0=s12λtanφl(shuí)n2λγtanφH+2c-s1γ2c-s1γ（8）

作用在管棚上的圍巖壓力為式（9）。

P=γh0=γs12λtanφl(shuí)n2λγtanφH+2c-s1γ2c-s1γ（9）

當(dāng)淺埋隧道時(shí)（圖3），圖中深度為z處微分條帶dz的靜力平衡條件為式（10）。

dσV/dz=γ-2τ/s1（10）

假設(shè)破壞時(shí)符合莫爾-庫(kù)侖條件，見(jiàn)式（11）、式（12）。

τ=λσVtanφ+c（11）

dσVdz=γ-2cs1－2λσVtanφs1（12）

引人邊界條件（當(dāng)z=0時(shí)，σv=0），解上述微分方程得到式（13）。

巖土工程與地下工程鄒增富， 唐世祿， 廖云朋， 等： 直墻拱型引水隧洞洞口段管棚預(yù)加固技術(shù)分析

σV=γs1-2c2λtanφ1-e-2λHtanφ/s1（13）

所以作用在管棚上的圍巖壓力為式（14）、式（15）。

P=γs1-2c2λtanφ1-e-2λHtanφ/s1（14）

s1=s+2htan（45°-φ/2）（15）

式中：γ為土的容重；H為隧道埋深；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角；λ為側(cè)壓力系數(shù)；s為隧道無(wú)支護(hù)區(qū)域距離。

3管棚預(yù)加固數(shù)值模型分析

3.1模型參數(shù)

基于ABAQUS軟件建立三維有限元數(shù)值計(jì)算模型。三維計(jì)算模型的邊界為：沿隧道延伸方向尺寸為42 m、水平方向尺寸取80 m、垂直方向尺寸取60 m。三維數(shù)值模型見(jiàn)圖4。計(jì)算模型中，圍巖、管棚注漿加固區(qū)、初期支護(hù)均采用采用C3D8R單元（三維六面體減縮積分單元）進(jìn)行模擬。管棚采用B31單元（梁?jiǎn)卧┻M(jìn)行模擬。管棚注漿通過(guò)提高管棚加固范圍的圍巖力學(xué)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管棚注漿效果，取管棚加固區(qū)圍巖厚度為1 m。假定鋼管與注漿加固區(qū)之間黏結(jié)性很強(qiáng)，二者無(wú)相對(duì)滑移。采用Embedded Region相互作用方式將管棚單元嵌入實(shí)體模型。整個(gè)模型共劃分130 640個(gè)實(shí)體單元，1 148個(gè)梁?jiǎn)卧Ｔ谒淼澜Y(jié)構(gòu)附近對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密。由于隧道埋深較淺，數(shù)值計(jì)算時(shí)只考慮自重應(yīng)力場(chǎng)。

隧道圍巖、管棚加固區(qū)圍巖、初期支護(hù)材料參數(shù)見(jiàn)表1。隧道圍巖采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用理想彈性本構(gòu)模型。

3.2管棚沉降分析

不同開(kāi)挖階段拱頂鋼管的沉降曲線如圖5所示。由圖5可以看出，當(dāng)隧道開(kāi)挖4 m時(shí)，拱頂鋼管最大沉降位于掌子面附近，最大沉降值為3.15 mm；當(dāng)隧道開(kāi)挖8 m時(shí)，拱頂鋼管棚78002100.25——管最大沉降位于掌子面附近，最大沉降值為5.00 mm；當(dāng)隧道開(kāi)挖12 m時(shí)，拱頂鋼管最大沉降位于掌子面附近，最大沉降值為6.04 mm；當(dāng)隧道開(kāi)挖16 m時(shí)，最大沉降值為6.59 mm；當(dāng)隧道開(kāi)挖20 m時(shí)，拱頂鋼管最大沉降位于掌子面附近，最大沉降值為6.55 mm。上述分析表明，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，由于起始端套拱的約束作用，管棚沉降值較??；遠(yuǎn)離起始端時(shí)管棚沉降總體上呈凹槽形分布。管棚沉降值在掌子面附近達(dá)到最大，掌子面前方一定距離后，鋼管撓度明顯減小。表明管棚能夠有效將上方荷載轉(zhuǎn)移到開(kāi)挖面附近一定范圍內(nèi)。

3.3管棚受力分析

不同開(kāi)挖狀態(tài)時(shí)管棚內(nèi)力狀況見(jiàn)圖6。由圖6可以看出，在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，管棚起始端始終具有較大的彎矩值，表明套拱對(duì)管棚起到了約束作用，也說(shuō)明了套拱在整個(gè)管棚預(yù)支護(hù)體系中的重要作用。在實(shí)際施工中，應(yīng)嚴(yán)格保證套拱的施工質(zhì)量。

隧道開(kāi)挖后鋼管有承受了明顯的彎矩，在掌子面附近，拱頂處的鋼管承受的彎矩為300～400 N·m。當(dāng)隧道開(kāi)挖4 m時(shí)，管棚鋼管最大正彎矩為317.6 N·m，最大負(fù)彎矩為290.1 N·m；當(dāng)隧道開(kāi)挖8 m時(shí)，管棚鋼管最大正彎矩為299.4 N·m，最大負(fù)彎矩為176.8 N·m；當(dāng)隧道開(kāi)挖12 m時(shí)，管棚鋼管最大正彎矩為313.7 N·m，最大負(fù)彎矩為187.0 N·m；當(dāng)隧道開(kāi)挖16 m時(shí)，管棚鋼管最大正彎矩為313.2 N·m，最大負(fù)彎矩為282.2 N·m；當(dāng)隧道開(kāi)挖20 m時(shí)，管棚鋼管最大正彎矩為312.0 N·m，最大負(fù)彎矩為460.5 N·m；當(dāng)隧道開(kāi)挖24 m時(shí)，管棚鋼管最大正彎矩為310.2 N·m，最大負(fù)彎矩為546.4 N·m。管棚的彎矩隨隧道掌子面位置不斷發(fā)生變化。掌子面附近的彎矩變化比較明顯，且具有較大的彎矩值。以管棚下部受拉為正，正彎矩發(fā)生在已開(kāi)挖未支護(hù)段，原因在于該段管棚承受著臨空面上部豎向圍巖壓力；負(fù)彎矩主要表現(xiàn)在掌子面前方一定范圍，原因在于管棚將已開(kāi)挖未支護(hù)段的圍巖壓力傳遞給了后方初期支護(hù)和前方圍巖。在掌子面后方已施作支護(hù)段，管棚的豎向彎矩有正有負(fù)，在量值上相對(duì)較小。以上分析表明，管棚的梁效應(yīng)作用位置隨掌子面的推進(jìn)而變化，在掌子面附近管棚發(fā)揮了較好的梁效應(yīng)，在掌子面后方一段距離管棚梁效應(yīng)消失不再作為承載構(gòu)件。

3.4圍巖變形分析

以隧道縱向20 m處為研究斷面，分析有管棚支護(hù)和無(wú)管棚支護(hù)兩種工況下的圍巖變形情況。隧道貫通后目標(biāo)面圍巖總位移見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn)：無(wú)管棚支護(hù)時(shí)，圍巖最大位移為37.37 mm，主要表現(xiàn)為底部隆起，周邊最大收斂值為19.23 mm；有管棚支護(hù)時(shí)，圍巖位移明顯小于無(wú)管棚支護(hù)工況，圍巖最大位移為19.73 mm，主要也表現(xiàn)為底部隆起，周邊最大收斂值為9.25 mm。管棚超前支護(hù)對(duì)最大周邊收斂的減小達(dá)51.9%。且從位移分布上看，有管棚支護(hù)工況的位移梯度更小。上述分析表明，管棚超前支護(hù)能顯著減小隧道開(kāi)挖引起圍巖的擾動(dòng)范圍和擾動(dòng)程度，限制隧道周邊位移。

4結(jié)論

本文以卡哈洛直墻拱型泄水隧洞為工程依托，分析了管棚力學(xué)模和管棚在隧道進(jìn)洞開(kāi)挖過(guò)程中的力學(xué)行為。得出主要結(jié)論：

（1） 管棚沉降總體上呈凹槽形分布。在掌子面附近，管棚沉降值達(dá)到最大。

（2） 管棚起始端始終具有較大的彎矩值，掌子面附近的彎矩變化比較明顯。管棚的梁效應(yīng)作用位置隨掌子面的推進(jìn)而變化，在掌子面附近管棚發(fā)揮了較好的梁效應(yīng)，在掌子面后方一段距離管棚梁效應(yīng)消失。

（3） 管棚超前支護(hù)能顯著減小隧道開(kāi)挖引起圍巖的擾動(dòng)范圍和擾動(dòng)程度，限制隧道周邊位移。

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［作者簡(jiǎn)介］鄒增富（1984—），男，本科，高級(jí)工程師，主要從事橋隧工程建設(shè)與管理工作。