不同预加固措施在隧道加固中的数值模拟分析

2017-09-23侯宏伟曹广勇

宿州学院学报 2017年7期

关键词：预支管棚拱顶

侯宏伟，曹广勇

安徽建筑大学土木工程学院，合肥,230022

不同预加固措施在隧道加固中的数值模拟分析

侯宏伟，曹广勇

安徽建筑大学土木工程学院，合肥,230022

以合肥市轨道交通二号线浅埋暗挖工程为背景，运用有限元分析软件MIDAS GTS 对无支护、小导管注浆预支护、管棚注浆预支护、管棚串联小导管注浆预支护4种工况下，隧道施工引起的非线性变形进行了三维数值模拟，对比分析了隧道拱顶沉降、洞周收敛和地表沉降。结果表明：在控制洞周收敛和地表横向沉降方面，管棚串联小导管注浆预支护仅比管棚注浆预支护降低13%、12%，并不显著，管棚串联小导管注浆预支护中管棚支护发挥作用较高，管棚注浆法基本满足要求。

浅埋暗挖；管棚预支护；数值分析

1 问题的提出

浅埋暗挖是隧道施工的常用方法，由于覆土较浅，且是软质地层，沉降变形大，所以大大影响着周围环境的安全(例如临近地铁隧道的建筑物、管线等)，因此控制浅埋暗挖法施工的地层沉降是十分重要的。目前，控制隧道开挖变形的方法主要有改良土层的特性、超前预加固措施和管棚注浆法，其中后者应用最为广泛。管棚一端与外部的套管锚固，另一端插入土体，约束性强，在纵向上具有梁的效应，同时也有一定的拱、壳效应；在横向上布置有“棚架”，具备拱的效应[1]，因此能够支撑上面的荷载，并将其均匀传递给隧道周围的支护上面，有效地减小了地表的沉降。同时，管棚内部需要注入浆液并向周围土体渗透，对周围一定范围的土体起到加固作用，土体黏聚力增强，弹性模量增加，自撑能力增强，并起到一定的防水作用，从而减小地层变形。

目前，国内外许多学者研究了如何计算和分析超前支护作用，并取得了一定成果。李沛莹等人分析了不设管棚和设管棚工况下对隧道围岩的变形特点，提出管棚有梁、拱等效应，采用管棚注浆对拱顶上方土体预加固, 在施工之前会有效控制开挖引发的地层沉降[2]。袁海清等人用有限差分法软件，对各种预支护下的开挖模型进行数值模拟分析，验证了在拱顶沉降、地表沉降控制方面采用管棚超前支护的积极作用[3]。

本文以合肥市长江西路与潜山路交口的合肥地铁2号线与3号线换成车站暗挖隧道工程为背景，采用MIDAS GTS 数值分析软件，对比分析无支护、小导管注浆预支护、管棚注浆预支护、管棚串联小导管注浆预支护4种工况对工程环境的影响，并对地表变形响应进行监测，计算结果与监测结果具有很好的一致性，认为对于类似地区的地下隧道工程仅管棚注浆预支护就可满足基本要求。

2 工程概况

合肥地铁潜山路站设在长江西路与潜山路交叉口(2、3号线换乘站)，2号和3号线车站分别沿长江西路、潜山路敷设。附属1号出入口位于交叉路口东北象限，为地下1层结构，通过暗挖通道与2、3号线车站主体连接，2号线暗挖段长为43 m。连接2号线的暗挖隧道拱顶覆土4～6 m，主要为1.3～1.9 m厚的人工填筑土和2.5～3.7 m厚的黏土；洞身范围土体为1 m厚的黏土、2 m厚的粉质粘土、1 m厚的全风化泥质砂岩；底板位于强风化泥质砂岩(图1)。本暗挖段土体具有多裂隙性，崩解性强，覆土浅，属于浅埋暗挖隧道，由于其位于交通流量、人流量较大的街区，从综合地质条件等方面考虑，采用CRD工法加辅助工法施工。大管棚直径108 mm，t=6 mm，L=43 m，环向@0.4 m，打设角度1°～3°，拱顶180°范围打设小导管直径42 mm，t=3.5 mm，L=3.5 m，环纵向@0.4×1.5 m，搭接1 m，打设角度5°～15°，拱顶180°范围打设钢筋网,直径8@150×150,双层工字型钢钢架(22a)，纵向@0.5 m，初支喷射砼C25，二衬模筑钢筋砼C35(P8)(图1，表1)。

图1 地质纵横断面图

表1 材料物理参数选取

3 数值模型建立

土层简化：将土层简化为三层，考虑到边界的影响，计算时取隧道横向40 m，竖向顶部覆土4.7 m，隧道底端为12 m，纵向21 m。

模型的边界条件为：上边界采用自由边界，下边界施加固定约束，侧面边界施加水平位移约束，由于洞口位置管棚固定在环形护拱内，故在平面内对梁单元位移和转角进行固定。

隧道周围土体采用摩尔—库伦准则，围岩单元采用四面体单元来模拟，初期支护中的喷混采用板单元模拟[4](拱架的刚度折算成喷混的刚度，见(1)式)，预支护中的管棚和小导管均采用梁单元模拟(管内混凝土的刚度折算给小导管和管棚，见(2)式))，导管及其管棚的注浆采用改变地层属性模拟(提高加固层的c、φ、E等参数)[5]。本文将管棚注浆加固区与钢管采用分离式模型，假定钢管与注浆加固区之间豁结性很强，二者无相对滑移，加固层大约为0.8 m，其中每个断面φ108的管棚27根、φ42的小导管26根，间距0.4 m，两者间隔分布。

模型中的荷载为初始地应力，采用自重应力计算迭代而成，根据上述说明，建立如图2、图3、图4的计算模型。考虑到计算模型的网格划分对计算结果的影响较大，故对网格密度作了适当的加密，以满足计算精度的要求。网格在加固区及其隧道开挖周围控制密集，其他地方控制稍疏。

将拱架的刚度按下式折算成喷混的刚度[6-7]：

(1)

其中，Eg为钢材的弹模，Sg为钢拱架的截面积，E0为原混凝土的弹模，E为折算后的混凝土弹模，Sc为混凝土截面积。

注浆完毕后，浆液充满小导管和管棚内部,浆液凝结完毕后，小导管和管棚则相当于钢管混凝土梁。在数值模拟计算过程中，将管内混凝土按下式方法处理，即将管内混凝土的刚度折算给小导管和管棚。

(2)

其中，Eom为换算弹性模量，ES为钢管弹性模量，Ec为砂浆弹性模量，Is为钢管惯性矩，Ic为为砂浆惯性矩。

3 结果分析

对于隧道围岩稳定性，常用隧道的洞周收敛和地表沉降常作为参考评价指标。洞周收敛主要用来评价隧道两边侧墙的稳定性，地表沉降则是研究对周围建筑物的影响以及横向影响的范围。

3.1 监测结果

沿此暗挖通道轴线，按10 m间距布设地表沉降测点。同时，按2～8 m间距布设地表横向监测点，每个断面约7个测点(图5)。

图5 测点布置图

3.2 地表横向沉降分析

将图6与图 7进行对比可知，地表横向沉降曲线趋势几乎一致，隧道沉降值距中心基本对称，且最大沉降量都发生在隧道中线偏左处。这可能是因为CRD开挖法将工作面分为4个大小不同部分进行分部开挖，导致掌子面面积大小、先开挖对后开挖的影响以及隧道中央横隔撑对地表产生了影响。现场监测的最大沉降值为19.3 mm，而从图 7可知，地表沉降值最大为18 mm，相对误差为6.7%左右。数值计算结果与实测结果具有很好的一致性，二者相互补充和验证。

图6 地表横向沉降

图7 地表横向沉降

由图7可以得到，在无预支护的情况下发生了65 mm左右的沉降，大部分围岩发生较大变形，对地表既有建筑物的稳定和地下管线安全造成了严重影响；当仅施加小导管时，沉降有所收敛，仍达50 mm左右，但仍然较大；当仅施加管棚时，沉降明显减少，仅25 mm左右；当管棚和小导管同时施加并注浆时，沉降进一步减小至17 mm左右。同无预支护相比较，三者分别降低23%、61%、73%。

可见管棚串联小导管比管棚预支护在横向沉降方面效果好，但仅降12%，比小导管降50%，说明管棚所起的作用比小导管更大，且管棚支护已经满足规范要求的30 mm限值；同时，发现4种工况下的沉降范围大约距中心距离都为2.5倍洞径，可见隧道横向沉降范围与超前预支护措施无关。

3.3 拱顶沉降分析

由图8可看出，隧道在无预支护、小导管预支护、管棚预支护、管棚串联小导管预支护的情况下，拱顶沉降规律基本相同，且最大点都发生在隧道拱顶正上方，其值分别为:51.4、40、29.2、18 mm，同无预支护相比较，分别大约降低22.1%、43.1%和64.9%。

图8 拱顶沉降

可见，管棚注浆和管棚串联小导管注浆效果均比小导管注浆好，主要原因在于地层不稳定范围较大，上部荷载随着开挖步逐渐施加；管棚因套拱和未开挖部分嵌入土体相当于简支梁且为一次性施加，较小导管刚度大且嵌入土体深，能在较大范围内加固周围地层，可适应这种特殊地质条件要求，具有良好的效果。虽然管棚串联小导管注浆效果比大管棚注浆好，但是随着开挖步逐渐施加，管棚注浆控制的拱顶沉降速率与管棚串联小导管注浆几乎相同且较其他两者要快。

3.4 洞周水平收敛分析

由图9可知，隧道在无预支护、小导管预支护、管棚预支护、管棚串联小导管预支护的情况下，水平方向收敛规律基本相同，其值分别为67、54、30、21 mm，同无预支护相比较，三者分别大约降低20%、55%、68%。

可见，在洞周水平收敛方面，管棚串联小导管比管棚预支护在洞周水平收敛方面仅降低12%，并不显著，但比小导管注浆支护降低48%，说明管棚的效果更显著；两者开始收敛速率都较快，这可能是由于管棚较小，导管先成拱且荷载传递速率较快。管棚比小导管在控制水平收敛方面更有效。

图9 洞周水平收敛分析

5 结论

通过有限元分析软件MIDAS GTS 对4种工况下隧道施工引起的非线性变形进行了三维数值模拟，对比分析了隧道拱顶沉降、洞周收敛和地表沉降，得出如下结论：

(1)数值计算结果与实测结果具有很好的一致性，二者相互补充和验证。在4种不同预加固措施下引起的横向地表沉降的范围都约为距离隧道中线左右2.5倍洞径，说明地表横向沉降范围与加固措施无关，且采用CRD工法开挖最大的沉降值并不位于隧道中线。

(2)在控制拱顶沉降方面，管棚串联小导管支护与管棚支护控制速率基本相同，且较其他两者要快;在控制洞周水平收敛方面，仅管棚注浆预支护较小导管预支护开始收敛速率快。

(3)在控制洞周收敛和地表横向沉降方面，管棚注浆预支护支护约为30、25 mm，比无支护降低55%和61%；管棚串联小导管注浆预支护比管棚注浆预支护仅降低13%、12%，并不显著且管棚串联小导管注浆中小导管发挥作用较低。管棚注浆法基本满足要求，考虑到经济、安全性要求，建议在类似地区仅使用管棚注浆超前支护即可。

[1]周顺华.软弱地层浅埋暗挖施工中管棚法的棚架原理[J]. 岩石力学与工程学报,2005(4)：2565-2570

[2]董新平,周顺华,胡新朋.软弱地层管棚法施工中管棚作用空间分析[J].岩土工程学报, 2006, 28(7): 841-846

[3]袁海清, 傅鹤林, 马婷,等. 隧道管棚加预注浆超前支护数值模拟分析[J]. 铁道科学与工程学报,2012, 9(6):24-29

[4]杨钊, 戴宇, 余俊. 厦门翔安隧道进口段管棚支护参数优化分析[J]. 铁道工程学报, 2009, 26(7):76-79

[5]汤劲松, 刘松玉, 童立元,等. 破碎岩体浅埋大跨公路隧道开挖方案对比研究[J]. 岩土力学, 2007(S1):469-473

[6]张向东, 李庆文, 李桂秀,等. 浅埋松软地层管棚注浆施工引起地表沉降分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2013(S2):4091-4097

[7]李志平, 李留玺. 隧道管棚超前支护技术及其数值模拟[J]. 科技创新导报, 2015(13):37-40

(责任编辑：汪材印)

TU457

：A

：1673-2006(2017)07-0117-04

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.07.031