隧道洞口浅埋段大管棚受力分析

李 毅，刘智勇，陈炜韬

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院 交通分院，四川 成都 610072)

1 前 言

随着我国交通和隧道施工技术的发展，越来越多的隧道穿越软弱围岩破碎带。在这些围岩地质情况差的地段，特别是隧道洞口浅埋段，多采用注浆管棚作为超前支护措施，以防止土层坍塌和地表大量下沉。

管棚预加固技术，主要以梁理论、拱壳理论和弹性地基梁理论分析管棚的受力变形特征，这三种理论分析方法各有其优缺点[1]，因此实际运用中常借助有限元分析方法获得管棚的设计参数和受力状态[2，3]。本文以溪洛渡水电站交通工程某公路隧道洞口浅埋段管棚预加固为工程实例，通过有限差分法数值计算，研究掌子面开挖时不同位置管棚的内力、位移变化规律及围岩内塑性区变化规律。

2 工程概况及计算基础

2.1 工程概况

溪洛渡水电站交通工程某公路隧道进洞口段最小埋深为11m，围岩由坡积亚黏土，全﹑强风化炭质泥岩，弱风化炭质泥岩组成。岩层呈灰黑色，夹碎块，松散结构，属Ⅴ级围岩，洞顶易产生大规模坍塌，为此进行大管棚预支护。

本隧道采用台阶法施工，隧道拱部120°范围采用φ108大管棚进行超前预加固，管棚长L=32m，搭接长度3m，环向间距40cm。初期支护为喷锚型钢钢架支护，其中喷射C25混凝土厚度28cm；锚杆采用φ25中空注浆杆，L=4m，间距80cm×80cm，梅花形布置；型钢钢架采用I18工字钢，间距0.75m；φ8钢筋网，间距15cm×15cm。

2.2 计算分析基础

(1)计算参数。围岩的物理力学指标见表1。

表1 围岩的物理力学参数

(2)计算模型。计算模型范围：上部至地表，最小埋深11m，仰坡为28°；下部取至隧道仰拱以下30m；隧道中心线左右各取35m。沿隧道纵向取35m进行三维计算，隧道左、右有水平约束，下部有垂直约束，地表为自由边界。模型中，用实体单元模拟围岩、初期支护及管棚。根据管棚实际直径以及浆液扩散范围取管棚单元面积为20cm×20cm，管棚轴心间距为40cm。初期支护中的钢架通过等效提高初期支护参数进行模拟[4]。计算整体模型见图1。

计算中每循环进尺1.4m，初期支护紧跟掌子面开挖。下台阶滞后上台阶30.8m，循环进尺也为1.4m。

3 计算结果及分析

为了分析方便，取拱顶、拱部左侧30°、60°三根管棚(分别对应1号、2号、3号管棚)为分析对象，每根管棚纵向单元长度1.4m。根据计算结果，分析掌子面上台阶为14.0m(对应于管棚11号单元处，此时模型中下台阶未开挖)和下台阶为11.2m(对应于管棚8号单元处，此时模型中上台阶已全部开挖)时1号、2号、3号管棚的纵向内力及位移变形规律。

图1 浅埋洞口段大管棚受力分析模型

3.1 大管棚内力变化规律

3.1.1 管棚剪力

1号、2号、3号管棚剪力大小在管棚纵向长度上分布规律见图2。分析图2可知：

(1)上台阶开挖将引起管棚剪力剧烈变化，下台阶开挖影响不大。

(2)管棚剪力值大小为1号>2号>3号，最大值位于掌子面前方[1.5m,3.0m]范围内。1号管棚剪力最大值为24kN，2号管棚剪力最大值16kN，3号管棚剪应力最大值12kN。

(3)管棚剪力在掌子面前后[-1m,6m]范围内为正，其它部位为负且基本稳定。

3.1.2 管棚轴力及弯矩

1号、2号、3号管棚轴力及弯矩大小在管棚纵向长度上分布规律见图3、4。轴力为正表示轴向受拉，弯矩为正表示管棚下侧受拉。

由图3、4可知：

(1)上台阶开挖将引起管棚轴力和弯矩变化，下台阶开挖对管棚轴力和弯矩影响不大。

(2)管棚轴力最大值变化不大，最大值位于掌子面开挖处。1号管棚轴力最大值为44kN，2号管棚轴力最大值为42kN，3号管棚轴力最大值为45kN。

图2 掌子面推进时管棚剪力纵向分布规律

图3 掌子面推进时管棚轴力纵向分布规律

图4 掌子面推进时管棚弯矩纵向分布规律

(3)管棚轴力分布以掌子面为分界点，掌子面前方受拉，后方受压。掌子面对管棚轴力影响范围：在掌子面前方大约6m范围，掌子面后方大约2m范围。

(4)管棚弯矩最大值变化不大，最大值位于掌子面附近。1号管棚弯矩最大值为0.7kN·m，2号管棚弯矩最大值为0.6kN·m，3号管棚弯矩最大值为0.5kN·m。

(5)掌子面对管棚弯矩影响范围：在掌子面前方大约5m范围、掌子面后方大约7m范围。

3.2 大管棚位移变化规律

1号、2号、3号管棚位移在管棚纵向长度上分布规律见图5。位移为负表示管棚向隧道内变形。

分析图5可知：

(1)上台阶开挖将引起管棚位移变化，下台阶开挖对管棚位移影响不大。位移在纵向是连续光滑分布的，在掌子面处没有出现位移的突变。

(2)开挖过程中，管棚最大位移位于进口处。1号管棚位移最大值为2.4mm，2号管棚位移最大值为2.9mm，3号管棚位移最大值为3.2mm。

(3)掌子面对管棚位移影响范围：在掌子面前方大约15m范围，变化剧烈段大约为7m；掌子面后方大约10m范围，变化剧烈段大约为5m左右。

图5 掌子面推进时管棚位移纵向分布规律

3.3 围岩内塑性区

围岩内塑性区的发展情况见图6、7。

由图6、7可以看出：

(1)掌子面前方已出现受拉破坏和受剪破坏，其塑性区范围超过4m，说明大管棚的搭接长度应该在4m以上，设计的管棚搭接长度为3m显然不合适，应增加搭接长度。

(2)隧道边墙和墙脚围岩出现了小范围的塑性区，深度在2m左右，故系统锚杆的设置长度应大于2m。

(3)隧道拱部没有产生塑性区，说明通过大管棚预支护的加固作用，提高了拱部围岩的自稳能力，加固效果很好。

4 结 论

(1)管棚剪力、轴力、弯矩及位移变化受上台阶掌子面开挖影响明显，受下台阶开挖影响较小。

(2)掌子面开挖至一定时，拱顶管棚的剪力值最大，从拱顶向左、右侧逐渐减小；各管棚剪力最大值位于掌子面前方[1.5m,3.0m]范围内。

(3)管棚轴力和弯矩最大值位于掌子面开挖处。掌子面开挖对管棚轴力影响范围为掌子面前后[-2m,6.0m]，对管棚弯矩影响范围为掌子面前后[-7m,5.0m]。

图6 上台阶开挖至19.6m时围岩内塑性区

图7 下台阶开挖至21.0m时围岩内塑性区

(4)掌子面开挖过程中，位移曲线呈连续光滑分布，掌子面开挖对管棚位移的影响范围为掌子面前后[-10m,15.0m]。

(5)掌子面前方围岩塑性区范围超过4m，说明管棚搭接长度应大于4m；同时根据边墙和墙脚围岩塑性区范围确定系统锚杆长度应大于2m。

参考文献：

[1] 关宝树.隧道及地下工程专题技术一辅助工法概论[M].成都：西南交通大学出版社，1998.

[2] W L Tan，P G Ranjith.Numerical Analysis of Pipe Roof Reinforcement in Soft Ground Tunnelling[C]∥Proc.of the 16th International Conference on Engineering Mechanics.ASCE,Seattle,USA,2003.

[3] 程小彬.地下工程管棚支护有限元分析[D].西安：西北工业大学,2007.

[4] 李术才,朱维申.弹塑性大位移有限元方法在软岩隧道变形预估系统研究中的应用[J].岩石力学与工程学报，2002，21(4):466-470.