大断面浅埋隧道管棚支护参数优化研究

董 捷 李成献 杨 博

(1.河北建筑工程学院土木工程学院，河北 张家口 075000；2.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000)

1 引 言

随着我国交通运输业的蓬勃发展，铁路、公路等线网越来越密集，不可避免的出现线路交叉的情况.为解决这一严峻问题，隧道下穿已成为一种常用的方式.在下穿过程中常采用管棚法作为超前支护.

管棚法作为一种重要的暗挖施工工法在日本、美国及欧洲各国被广泛采用.国外学者采用数值模拟的手段对实际工程中采用管棚支护隧道的稳定性进行了一些研究.Mohammad等[1]采用数值模拟的方法，对伊朗输水隧道开挖过程中穿越拉勒扎尔断层隧道稳定性进行了研究.发现管棚法具有优异的加固效果.Forrest等[2]对弱砂岩材料进行了室内岩土试验得到了相关参数，得出了预埋梁的弯矩随管间距和直径的变化规律，并且采用安全系数法设计了一种管棚系统.Mete等[3]对浅埋地铁隧道周围脆弱、断裂岩石的危险区域进行了调查，得出了使用支撑体系可以有效的保障地表建筑的结论.Shi等[4]针对鱼龙水库溢洪道下穿梁门隧道软弱地基工程，提出了亚水平喷射灌浆柱与管棚组合加固的方案.并用数值模拟的方法对其进行模拟，结果表明：设置管棚后地表沉降、收敛和主衬砌应力均得到了降低，开挖面的稳定性得到了大幅度提高.

虽然管棚法具有优异的加固效果，但在实际工程中，管棚参数往往根据经验确定，没有形成一套完整、系统的理论体系.鉴于此，结合实际工程进行建模，开展了多工况数值仿真模拟，研究了管棚参数对地表沉降控制效果的影响，以期为软弱围岩条件下大断面浅埋隧道管棚支护优化设计提供参考.

2 模型建立

2.1 隧道模型

本文采用文献[5]中的重庆东环线白杨湾下穿高速公路隧道进行建模，隧道宽度为13.96 m，高度为12.77 m，拱顶距地表3 m，属于大断面浅埋隧道.

采用有限差分法软件Flac3D按照实际尺寸进行建模，为方便建模将隧道形状简化成上断面半径为7 m的半圆，下断面为半个椭圆.隧道两侧各取3倍洞径，总长为72 m，向下取26 m，沿隧道纵深取50 m.模型尺寸为72 m×43 m×50 m，计算模型如图1所示.计算分析时，根据《公路工程技术标准》[6]将上部汽车荷载和建筑物荷载简化成20 kN/m2的均布荷载.隧道模型由围岩、管棚、加固区和初期支护组成，其中管棚采用结构单元中的beam单元进行模拟，通过fish函数沿隧道开挖线外0.3 m水平插入.然后在y=0平面内外限制beam单元各个方向的位移及转角.采用实体单元模拟注浆加固区和初期支护，其中注浆加固区的厚度为0.3 m.

图1 隧道模型

(1)地层参数.

本工程中的围岩以泥质砂岩为主，围岩等级为五级.查阅相关资料[7]可知砂质泥岩中的注浆加固区强度处于围岩和砂浆之间，通常为被加固围岩中的2-3倍，本文中注浆加固区的参数取为围岩参数的2倍.参考《铁路隧道设计规范》[8]得到隧道相关构件参数.具体参数如表1所示：

表1 模型参数

(2)管棚参数.

在实际工程中通常会在钢管内注浆，一方面可以增加钢管的刚度，另一方面可以对拱顶上方的土层进行加固，增加上方土体的承载能力.直接采用钢管或水泥砂浆的弹性模量会造成比实际的弹性模量偏小，导致计算结果不符合实际.因此采用式(1)对管棚的弹性模量进行换算[7].同理，采用式(2)对管棚的重度进行换算.不同直径管棚折算后的弹性模量和重度如表2所示：

表2 折算后的管棚参数

(1)

式中：E0为管棚等效弹性模量；E1为钢管弹性模量；E2管棚注浆弹性模量；I1管棚惯性矩；I2管棚注浆惯性矩.

(2)

式中：γ为管棚等效重度；γ1为注浆重度；γ2钢管重度；A1注浆面积；A2管棚面积.

3 计算结果分析

文献[5]中采用直径为108 mm、间距为0.4 m的管棚支护，计算得到的最终地表沉降为15.22 mm.本文中数值模拟的地表沉降为16.17 mm.对比发现两者在数值上有一定的差别，这是因为本文中管棚直径采用的为100 mm，同时在数值模拟中对一些工况进行了一定的简化，造成了地表沉降的增加.总体来说相差不大，在7%以内.可以认为本文中数值模型具有一定可靠性，能够对管棚的承载特性进行反应.

影响管棚支护效果的因素主要有管棚直径、间距和布置范围.虽然提高这些参数可以增加支护体系的可靠性，但是盲目的提高会导致成本增加.为了探究管棚参数的最优设计，采用控制变量法对管棚的直径、间距和布置范围进行了多工况数值模拟，以y=10 m处的地表沉降大小来评估管棚参数的影响.

3.1 管棚直径

目前工程中常用的管棚直径为80-180 mm，因此本文选取直径为50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm的管棚进行分析，在其他条件保持一致的情况下，研究管棚直径对地表沉降的影响.地表沉降随管棚直径变化的曲线如图2所示.

图2 地表沉降随管棚直径变化关系

从图中可以看出，随着管棚直径的增加，地表的最大沉降逐渐减小.当管棚直径为50-250mm时，地表沉降呈现出非线性减小的趋势且直线的斜率逐渐减小，这是因为随着管棚直径的增加，土体之间可以形成更加稳定的土拱，减少了土体和管棚之间的相对位移；与此同时管棚自身的重度也随之增大，所以当管棚直径超过200mm时，继续增大直径对地表沉降的控制效果较小.因此，从工程造价和支护效果方面考虑，管棚的最佳直径宜为150～200mm.

3.2 管棚间距

在其他参数相同的情况下，选取工程中常用的间距0.3m、0.4m、0.5m、0.6m、0.7m分别进行模拟，研究管棚间距对隧道地表沉降的影响.

地表沉降随管棚间距的关系如图3所示，从图中可以发现，随着管棚间距的增加，地表最大沉降逐渐增大.当管棚间距大于0.4m时，地表沉降迅速增加且直线斜率逐渐增加.这是由于管棚的加固机理主要是梁拱效应，当管棚间距增大时，土体之间由于间距的增大无法形成较稳定的土拱，导致围岩的松动掉落，进而造成管棚支护效果减弱.因此，当管棚间距在0.3m-0.4m时，对地表沉降有较好的控制效果.

图3 地表沉降随管棚间距变化关系

3.3 布置范围

为研究管棚布置角度对拱顶沉降的影响，选取布置角度为90°、100°、110°、120°、130°、140°、150°分别进行数值模拟.不同布置角度下地表最大沉降如图4所示.

图4 地表沉降随布置角度变化关系

从图4中可以看出，随着管棚布置角度的增加，地表最大沉降逐渐减小，并且减小速率有变缓的趋势.当管棚布置角度小于120°时，随着布置角度的增加地表最大沉降迅速减小；当布置角度大于120°时，地表沉降随布置角度的增加变化幅度不大.这是因为随着管棚数量的增加，每根管棚承受的上部土体重力逐渐减小，因此管棚的挠度也相应减小.图5为布置范围为90°、120°、150°的每根管棚沉降极坐标图，从图中可以发现，管棚最大沉降发生在隧道拱顶位置，从拱顶向拱腰沉降逐渐减小.对比不同布置范围的管棚沉降可以看出，布置范围为90°的每根管棚的沉降均大于布置范围为120°的管棚，说明了管棚布置角度的增加可以减小管棚的沉降，进而使地表沉降减小.同时可以发现布置范围为120°和150°管棚沉降曲线几乎重合，说明了继续增加管棚布置范围并不能使管棚沉降减小，因此管棚的最佳布置范围为120°.

图5 管棚沉降随角度变化关系

4 结 论

本文通过数值仿真模拟的方法建立了大断面浅埋隧道管棚支护模型，研究了管棚直径、管棚间距和布置范围对管棚支护效果的影响，得到以下结论：

(1)增加管棚直径可以显著减小地表沉降，但考虑工程造价的影响，管棚直径在150 mm～200 mm内可以在造价成本与支护效果之间取得平衡.

(2)管棚间距的增大会导致地表沉降的增加，过小的间距会增加施工难度，当管棚间距在0.3 m～0.4 m时可以达到较好的控制效果.

(3)管棚最大沉降发生在隧道拱顶位置，从拱顶向拱腰沉降逐渐减小，当管棚布置范围大于120°时，继续增加管棚布置范围对地表沉降控制效果影响不大.