隧道洞口段超前管棚预支护体系数值分析

2015-01-12辛润勤

山西交通科技 2015年5期

辛润勤

（山西省交通科学研究院，山西太原 030006）

0 引言

在不良地质或软弱地层条件下修建隧道时，为确保安全通过不良地层并保持隧道掌子面的稳定性和地表沉降在可控范围内，特别是在隧道进出口段，更需要对地层采取一些超前支护措施进行预加固[1]。管棚注浆法能提高土层的承载能力，结合隧道施工工法和隧道地层情况选择合理管棚施作参数进行预支护，是当前隧道洞口普遍采用的超前预支护技术[2]。

近年来，国内学者对超前管棚预支护机理进行了一系列研究。展宏跃等[3]分析了浅埋偏压黄土隧道洞口段开挖后隧道的变形破坏原因和整治措施，提出采用上断面边墙锚管注浆加固并配合马口跳槽开挖，减小了施工对围岩的扰动。李健等[4]对浅埋大跨黄土隧道进入下穿高速公路条件下管棚的纵向变形规律进行了监测和分析，进行了长大管棚受力机制的研究。贾金青等[5]对管棚的Winkler弹性地基梁模型进行了修正，推导了管棚的挠度和内力方程。但是以上研究大多是针对单根管棚的受力分析，这与管棚实际的变形和受力规律存在一定的差异。

本文采用三维有限元数值分析手段，建立了钢管和加固区分离的管棚预支护体系模型，对超前管棚预支护条件下洞口段围岩的变形规律进行了研究，对管棚施作角度进行了优化。得到了超前管棚预支护条件下隧道洞口段围岩的变形规律和合理的管棚施作角度，为管棚预支护技术在隧道进出口段的应用提供了参考。

1 管棚加固效应分析

1.1 模型建立

为研究管棚预支护体系在隧道开挖过程中的力学行为，本文将注浆体对围岩的加固效应和管棚自身的梁效应相结合，区别于传统模型所采用的单纯提高注浆加固区参数来模拟管棚支护。数值模型中采用实体单元模拟注浆加固区，梁单元模拟管棚。加固围岩采用提高地层力学参数来模拟，超前管棚预支护体系数值模型如图1所示。

图1 超前管棚预支护体系数值模型图

模型中初期支护C25喷射混凝土为线弹性体，围岩和加固区地层都采用摩尔-库伦材料，各材料参数见表1[6]。

表1 材料参数汇总表

1.2 围岩变形分析

为定性研究管棚预支护体系对洞口段围岩的加固效果，针对台阶法，分别模拟了有、无采用管棚注浆加固措施两种工况，图2为两种工况下隧道施工完毕后围岩的竖向位移云图。

图2土体的竖向位移云图

图2a竖向位移沿隧道纵向均匀分布，而图2b竖向位移沿隧道纵向分布不均匀，洞口段竖向位移分布规律类似于无管棚注浆工况，随着距开挖洞口距离的增加，发生较大竖向变形的土体分布范围逐渐减小。一方面是由于洞口端的约束作用，另一方面是由于管棚注浆加固区对土体的加固作用，抑制了土体的竖向变形。对比图2b和图2a，在管棚预支护条件下，围岩拱顶沉降极值由不采用管棚工况的55 mm减小为采用管棚注浆加固后的50 mm。而仰拱隆起由18.6 mm减小到18.4 mm，变化较小，说明超前管棚预支护体系对土体拱部的控制效果较仰拱的控制效果显著。

2 管棚施作角度优化

为分析管棚施作角度对管棚预支护作用效能的影响，分别对两个管棚施作角度（1°、10°）进行了模拟计算，同时与不采用管棚加固方案进行对比。

图3中水平坐标轴正方向为隧道开挖方向，取隧道1/2截面处为典型断面，该断面处在各工况下的拱顶下沉值、仰拱隆起值、水平位移值随掌子面距目标断面的变化规律分别如图3所示。

图3 不同管棚角度目标断面处围岩位移变化曲线

从图3中可以看出，不同工况下目标断面处围岩变形随掌子面变化情况，竖向位移变形规律相似，都是先缓慢增大，待掌子面通过目标段面时，急剧增大。当掌子面距开挖断面超过一定距离时，变形区域稳定。水平位移变形规律同竖向位移不同，在掌子面到达目标断面之前，水平方向有向洞外扩张的趋势，但数值很小。当掌子面到达并通过目标断面之后，水平方向变形开始向洞内收敛，且收敛值速度较大，直至最后稳定。

不同的管棚打设角度对围岩变形的影响不同。就拱顶沉降而言，当管棚角度为1°时，拱顶沉降减小为未施作管棚时的60%；当管棚角度为10°时，拱顶沉降减小为未施作管棚时的55%。就仰拱隆起而言，当管棚角度为1°时，仰拱隆起减小为未施作管棚时的87%；当管棚角度为10°时，仰拱隆起增大为未施作管棚时的104%。就水平变形而言，当管棚角度为1°时，水平变形减小为未施作管棚时的72%；当管棚角度为10°时，水平变形减小为未施作管棚时的77%。可见洞周不同部位不同方向对应管棚最优打设角度不同。总体而言，该隧道管棚施作角度为10°时管棚预支护体系对围岩变形的控制作用较明显。