考虑施工过程的软弱破碎围岩隧道管棚法超前支护的敏感性分析

郭柏里 杨源源

摘 要：隧道穿越破碎带地层时，由于围岩松散柔软，自稳能力差，一般的先开挖后支护会对开挖面围岩造成扰动，使隧道结构发生较大的变形和沉降。超前大管棚支护用在软弱地层隧道中施工能有效抑制隧道结构和围岩的变形，支护工艺所需材料由钢管和水泥砂浆组成。在工程实践中，管棚法的应用效果主要取决于管棚直径、布置范围、环向间距等因素。本文依托实际隧道工程，对管棚直径、布置范围、环向间距三方面因素对隧道最大沉降的影响效果进行敏感性评价。

关键词：隧道管棚最大沉降敏感性分析

Sensitivity Analysis of Pipe Roofing Method for Advanced Support of Tunnels in Weak and Broken Surrounding Rock Considering the Construction Process

GUO Baili  YANG Yuanyuan

（Sinohydro Bureau 7 Co.， Ltd.， Chengdu， Sichuan Province， 610213 China）

Abstract： When the tunnel traverses the stratum in the fracture zone， the surrounding rock is loose and soft， so the self-stabilization ability is poor. Generally， excavation before support will disturb the surrounding rock of the excavation face， resulting in large deformation and settlement of the tunnel structure. The advanced large pipe shed support used in the construction of soft ground tunnels can effectively suppress the deformation of the tunnel structure and surrounding rock. The materials required for the support process are composed of steel pipes and cement mortar. In engineering practice， the application effect of the pipe shed method mainly depends on factors such as pipe shed diameter， layout range， and circumferential spacing. Relying on the actual tunnel project， this paper evaluates the sensitivity of the influence of the pipe shed diameter， the layout range， and the circumferential spacing on the maximum settlement of the tunnel.

Key Words： Tunnel; Pipe roof; Maximum settlement; Sensitivity analysis

随着隧道工程越来越多的穿越软弱破碎地层，隧道在开挖过程中越来越多的会遇到大变形灾害[1]。超前支护能在隧道开挖前对隧道周围不良围岩进行预加固，管棚法作为超前支護中最常用的工艺之一，有不少学者对其预加固效果进行了研究[2～3]。张文涛[4]在市政工程隧道应用管棚法，提高了隧道结构整体的稳定和安全。王道远[5]基于Winkler弹性地基梁理论，对管棚法支护进行了敏感性分析。台启民[6]和姜平伟[7]通过数值模拟，研究了管棚的加固有效性。李永强[8]分析了管棚支护的作用机理，并依托实际工程，研究了管棚支护效果。本文基于数值模拟结果，进行不同管棚参数对超前支护效果的敏感性分析。

1 工程概况

都江堰至四姑娘山轨道交通工程连接了四川内地和青藏高原东部高山峡谷，是国内首条山地轨道交通项目。线路正线长123.18km，其中隧道85.7km/25座，占线路总长度的69.6%。施家山隧道位于都江堰市西北端，是都四山地轨道工程的起始段。隧道起讫里程为DK11+045～DK15+528，线路穿越二王庙断裂带，岩体破碎，节理发育，且以砂质泥岩、泥岩夹页岩、泥岩夹砂岩、煤层等软质岩体为主，属于Ⅴ级围岩。在隧道开挖时，存在大变形问题，特别是会产生较大的拱顶沉降，对施工造成困难。针对隧道穿越破碎围岩时引起的拱顶较大沉降，对洞身开挖采用台阶法加临时横撑，并辅以管棚法工艺对隧道进行超前支护。隧道施工工序为首先弱爆破开挖1部土体，并施作初支和临时支撑;再开挖2部土体，施作初支;最后拆除横撑。

2 无超前支护下隧道开挖数值模拟

本文基于FLAC3D对施家山隧道DK13+000～DK13+120段开挖过程的拱顶最大沉降进行模拟分析与预测，对施工过程安全性进行初步评价。

为减小边界效应，所有模型边界到隧道的距离均设置为4倍洞泾，隧道支护结构及计算模型的网格划分如图1所示。模型正面尺寸为90m×82m，纵向长度40m，共有97240个单元和103238个节点。除模型顶面设置为自由面以外，其余侧面与底面均限制法向位移。根据地勘资料确定围岩和支护的材料参数，详见表1，其中，岩土体采用Mohr-Column本构模型，支护结构采用线弹性模型。数值模拟过程中，不考虑地下水和岩土体蠕变对结果的影响，并只对初期支护进行模拟。

根据图1所示的施工步骤，将台阶法开挖工法中的一个施工循环分为4步：（1）若采用管棚法支护，则激活相应加固区;若不采用则不激活;（2）上台阶土体开挖;（3）施作初支①1及临时横撑②;（4）拆除临时横撑。

2.1 围岩沉降分析

在不施作超前大管棚的情况下，隧道采用台阶法+临时横撑开挖工法的围岩沉降计算结果如图2所示。隧道最大沉降发生在拱顶处，最大值为S1=241.17mm。根据施工经验，结合《铁路隧道设计规范》（TB2005）中关于Ⅴ级围岩预留变形量的规定，其量值应取80～120mm，本工程取100mm为隧道围岩变形控制标准（S2）。

2.2 安全性评价

对于DK13+000～DK13+120段，隧道最大沉降值S1未控制在标准值S2以内。初期支护变形侵限，隧道施工安全将受到威胁。因此在采取台阶法进行隧道开挖之前，应采取管棚法等超前支护进行预加固。

3 超前大管棚支护的敏感性评价

选取单排长管棚对隧道进行预加固，采用beam单元对管棚进行模拟，其弹性模量和等效重度分别按式（1）和式（2）进行换算：

E=（E_1 I_1+E_2 I_2）/（I_1+I_2）      （1）

式中：E为管棚等效模量;E_1和E_2为钢管与填充砂浆的弹性模量，分别取210GPa和23GPa;I_1和I_2分别为钢管与填充砂浆的惯性矩。

γ=（A_1 γ_1+A_2 γ_2）/（A_1+A_2）    （2）

式中：γ_1和γ_2为钢管与填充砂浆的重度，分别取79kN/m3和21kN/m3;A_1和A_2分别为钢管与填充砂浆的断面面积。

根据工程经验，结合《铁路隧道施工规范》（TB2002）中的相关参考，初步确定本次数值模拟中管棚相关参数不同工况的取值如表2所示。

分别对管棚直径（d）、布置范围（θ）和环向间距（L）取7种工况进行数值模拟试验。在研究管棚直径或布置范围对隧道沉降的影响时，布置间距取0.6m，除此之外，在研究一参数的敏感性时，其余参数取最小值。

以管棚直径为89mm、管棚布置范围为120°、环向间距为0.6m时为例。在采用管棚法进行超前支护后，围岩最大沉降控制在了92.0mm，小于控制标准S2=100mm。不同开挖施工阶段下隧道围岩的最大沉降累积变化如图3所示，可以看出，在未采取超前支护下的台阶法加临时横撑开挖施工中，三个阶段的沉降变化量为130.53mm、85.62mm、25.02mm;采用管棚法后，三个开挖阶段的沉降变化量分别降低至47.74mm、24.94mm、19.32mm。计算结果说明超前大管棚对于围岩最大沉降的降低具有显著的效果，能有效保障施工安全。

对不同工况下管棚支护效果数值模拟结果进行分析，分别得到管棚直径、管棚布置范围以及环向间距与隧道围岩最大沉降的关系如图4所示。其中，将影响隧道沉降的各个管棚参数定义为fi，图中横坐标为fi/fmax，例如在管棚直径对沉降的影响曲线中，第一点的横坐标为89/600。

定义敏感系数ξ= Δs/Δf（Δf为参数取值差值，Δs为对应的沉降变化差值）。当直径在89～300mm变化时，ξ=0.062;直径在300～600mm变化时，ξ=0.024。两直径段内直径的敏感系数相差2.58倍，说明在直径300mm之后，再增大管棚直径对于沉降的控制效果的提高不大，通过管棚直径来控制隧道最大沉降的有效直径范围为0～300mm。同理，当管棚布置范围在120°～180°时，ξ=0.292;当范围在180°～240°内变化时，ξ=0.087。两区段内布置范围的敏感系数相差3.36倍，说明通過管棚布置范围来控制隧道沉降的有效范围为120°～180°。在环向间距对隧道最大沉降的影响研究中，随着环向间距的增大，隧道沉降相应增大，并且近似与线性关系。但当间距超过0.7m时，曲线斜率略微增大，说明管棚环向间距宜控制在较小的范围内。

4 结语

本文基于FLAC3D对管棚法超前支护对隧道开挖的最大沉降值影响进行了数值模拟，得到了超前大管棚支护能有效降低隧道围岩的最大沉降。并进行不同管棚参数对最大沉降影响的敏感性分析，得到如下结论：管棚直径（d）对于沉降的控制最佳值为0～300mm，在300mm之后，增大直径对沉降的影响程度逐渐降低;最佳管棚布置范围（θ）为120°～180°;环向间距（L）对于沉降的影响近似于线性关系，施工中根据实际工程进行选择。

参考文献

[1]徐海岩，王志杰，陈昌健，等.土砂互层隧道塌方及演变规律的模型试验研究[J].岩土工程学报，2021，43（6）：1050-1058.

[2]谭保伟，王永刚.管棚法在水库排沙泄洪洞塌方处理中的应用[J].科技创新导报，2020，17（6）：13，15.

[3]肖作明.地铁曲线段隧道长大管棚施工参数优化设计[J].科技创新导报，2018，15（13）：32-33+35.

[4]张文涛.市政工程隧道施工中的浅埋暗挖技术分析[J].科技资讯，2020，18（9）：29，31.

[5]王道远，袁金秀，王记平，等.考虑施工过程的浅埋软弱隧道管棚变形预测及参数敏感性分析[J].现代隧道技术，2019，56（1）：79-86.

[6]台启民，张顶立，房倩，等.软弱破碎围岩隧道超前支护确定方法[J].岩石力学与工程学报，2016，35（1）：109-118.

[7]姜平伟. 城市地铁富水砂层大断面暗挖隧道施工地层损失体系研究[D].淮南：安徽理工大学，2020.

[8]李永强. 白鹤桥隧道支护结构分析与稳定性评价[D].西安：西安科技大学，2020.