管棚超前支护下隧道开挖围岩稳定性分析

洪闰林，张志强

(西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川成都 610031)

隧道开挖过程中，经常会遇到破碎带、松散带、软弱地层、涌水、涌沙等地段，在这类地质条件下进行开挖，如果不进行超前预支护，很容易出现坍塌情况，导致安全事故，不仅给相关企业造成经济损失，增加工程成本，而且极大地影响工程施工进度和施工质量。[1～3]

罗春[3]以湖北省恩施市五峰山隧道为依托,对管棚预支护技术进行了研究，对不良地质地区管棚支护体系的支护参数进行了分析。文玉军等[4]结合数个公路隧道实例给出了管棚支护施工技术的实施要点。李志平等[5]采用FLAC3D数值分析软件对超前管棚预支护对围岩稳定性的影响进行了分析研究。李世琦[6]分析了管棚超前预支护体系对隧道洞口段开挖时，管棚受力变形的特性。武松等[7]对比了不同管棚支护的受力特点，总结了管棚结构的内力特征。

本文结合汶川至马尔康高速公路米亚罗3#隧道工程，采用有限元模拟计算软件Midas/GTS建立数值模型，通过对管棚超前预支护进行数值模拟分析，对隧道开挖过程的稳定性进行研究；模拟有无超前管棚超前预支护下隧道开挖的土体沉降规律，评估超前管棚支护提高隧道围岩稳定性的能力，预测超前管棚支护在隧道开挖过程中的内力变化。

1 计算模型建立

1.1 模型

为了解和掌握隧道支护结构受力情况、管棚在软弱围岩隧道中所发挥的作用与效果以及对隧道周边围岩的加固作用，采用MIDAS/GTS有限元软件分别建立隧道、初期支护、管棚加固区以及管棚钢管模型(图1)。

图1 三维模型

1.2 计算参数

计算模型的边界为：横向取80 m，竖直方向上从隧道拱顶至地表面20 m，竖直向下从隧道中心起向下取20 m，沿隧道轴向取50 m。模型的边界条件为：上端为自由面，侧面施加相应的垂直约束，底部施加相应的完全约束。隧道周围围岩按均质、各向同性的弹塑性材料进行模拟计算分析研究。破坏屈服准则采用M-C屈服准则。

初期支护采用：250 mm厚的C25喷射混凝土+钢拱架，锚杆支护相应的长度为：4 m。管棚超前支护中钢管直径为：108 mm，钢管的相应的壁厚为：6 mm，打入隧道周围围岩的长度为：20 m。

此次数值模拟采用米亚罗3#隧道稳定性较差的Ⅴ级围岩的围岩参数，如表1所示。

表1 围岩参数

2 计算结果分析

2.1 有无管棚支护结构对比分析

对比分析图2、图3可知：有管棚支护的隧道相对于无管棚支护的隧道，隧道周边围岩竖直向的沉降量要小，无管棚支护隧道沉降量集中在38 mm左右，而有管棚支护的隧道沉降量集中在17 mm左右，减小量达到了55.2 %，说明注浆管棚对加固周边围岩，改善围岩的力学性能起到非常明显的效果。

图2 无管棚支护隧道竖直方向沉降云图

图3 有管棚支护隧道竖直方向沉降云图

通过对各开挖步下隧道拱顶的沉降数据进行统计处理，得到隧道拱顶沉降随开挖步变化的变化曲线。分析图4可知：管棚对于加固周边围岩，抑制拱顶下沉起到重要作用；从具体数据来看，隧道在有管棚预支护时，隧道拱顶沉降值最大为31 mm，无管棚预支护时，拱顶最大沉降值达到52 mm，拱顶沉降量减小了40.3 %，说明在隧道开挖的过程中，管棚起到了抑制拱顶沉降的作用。

图4 隧道拱顶沉降值变化

2.2 管棚支护内力分析

在采用管棚超前预支护的条件下，进行隧道开挖模拟，管棚内力模拟计算结果如图5、图6所示。

图5 隧道开挖管棚轴力

图6 隧道开挖管棚弯矩

通过分析每步开挖管棚的轴力变化图(图5)可知：隧道未开挖时，管棚处于稳定状态；当隧道开挖时，围岩卸载产生的荷载首先作用在管棚上，在掌子面附近内力发生突变，急剧增加，然后随着支护结构施加和闭合，围岩慢慢稳定，管棚内力也随之逐渐减小，直至平稳。

通过分析每步开挖管棚的弯矩变化图(图6)可知：管棚的最大弯矩值出现在掌子面附近，随着掌子面向前推进，管棚最终弯矩值很小。在掌子面附近，管棚发挥了较好的梁效应，但这种梁效应并不是长期行为，而是作为临时承载构件，随着掌子面向前推进一定距离后，管棚梁效应消失。

可将20 m长的管棚管段分为10段，每段长2 m，各段从洞口开始处向隧道内进行编号，编号为1～10。

通过对管棚5、6号段弯矩图(图7)的分析可知：在进行第5步开挖时(此时5号段处的围岩还未进行支护)，管棚5号段弯矩最大，最大正弯矩值为14.61 kN·m，负弯矩最大值-15.24 kN·m，说明最大弯矩出现在开挖未支护段。掌子面通过后一定距离，管棚弯矩不断减小，最终弯矩值很小。在进行第6步开挖时(此时6号段处的围岩还未进行支护)，管棚6号段弯矩最大，最大正弯矩值为8.94 kN·m，负弯矩最大值-18.91 kN·m，说明最大弯矩出现在开挖未支护段。掌子面通过后一定距离，管棚弯矩不断减小，最终弯矩值很小。

3 结论

采用有限元软件Midas/GTS建立数值模型，对超前管棚预支护体系进行模拟计算。得到结论如下：

(1)在米亚罗3#软弱围岩隧道开挖时，采用管棚预支护措施对于隧道开挖时掌子面稳定具有很好的控制作用。管棚能承担很大一部分的围岩应力释放，从而有效加固围岩、限制围岩变形，防止围岩坍塌、冒顶，控制地表沉降，确保隧洞开挖施工的顺利进行。

图7 管棚5、6号段弯矩

(2)当掌子面通过后一定距离，管棚弯矩不断减小，最终弯矩值很小。因此在掌子面附近，管棚一端与初期支护相连接，另一端嵌入前方围岩，承受围岩释放荷载，发挥了较好的梁效应；同时，管棚承受荷载的梁效应并不是长期行为，而是随着掌子面向前推进一定距离后，管棚梁效应消失，管棚不再发挥承载构件的作用，其超前支护作用已完成。