浅埋隧道施工工法及超前管棚支护技术分析

汪军鹏

(中铁十四局集团有限公司，山东 济南 250101)

0 引言

浅埋隧道施工中往往面临围岩风化程度强、岩体破碎、隧道施工期变形大等问题，极易引发隧道坍塌等工程事故。浅埋隧道施工是需要重点研究的问题。Atkinson等[1]结合上下限分析原理，利用模型试验对浅埋隧道的稳定性开展了研究；Davis[2]假定了不同隧道破坏模式，并分析了不排水条件下浅埋隧道的稳定性；Leca等[3]对隧道的三维稳定性进行了研究；姜功良[4]对隧道稳定系数进行了求解；韩煊等[5]对Peck公式的计算参数进行了优化建议；杨峰、阳军生[6]提出了针对浅埋隧道围岩压力的理论计算方法。超前管棚是控制围岩变形、保证隧道施工稳定性的重要工程措施。苟德明等[7]提出了弹性固定端的双参数地基梁模型。以上针对浅埋隧道荷载计算、隧道失稳破坏模式、超前管棚作用的理论研究，对浅埋隧道施工具有很重要的指导意义。本文以宁夏东毛高速六盘山隧道为依托工程，采用数值模拟的手段，研究台阶法、CD法和双侧壁法在浅埋隧道施工中的变形控制效果，分析超前管棚对隧道变形控制作用，研究成果可提出浅埋隧道施工的合理工法及超前管棚支护参数[8]。

1 工程概况

宁夏六盘山隧道是青岛至兰州公路(宁夏境)东山坡至毛家沟段高速公路控制性工程，设计为分离式隧道，隧道左线起迄桩号为ZK6+270～ZK15+760，长度9 490 m，隧道右线起迄桩号为K6+230～K15+71隧道长度9 480 m，是全国海拔2 000 m以上高原地区的高速公路特长隧道。隧道所经区域年平均气温-0.8 ℃，极端最低温度-25.7 ℃，从10月底至来年4月份，每年冬期长达6个月。不良地质主要有涌水突泥、软岩大变形和岩层不整合接触带等。

2 不同施工工法隧道变形数值模拟

2.1 模型建立和计算参数

在数值模拟软件FLAC3D中建立浅埋隧道变形计算模型，施工工法分别为台阶法、CD法和双侧壁法，如图1所示。其中，隧道埋深20 m，左右边界和下边界为40 m，计算采用弹塑性模型和Mohr-Coulomb屈服准则。计算采用的围岩和支护结构的力学参数见表1。

表1 围岩和支护结构物理力学参数

2.2 计算结果

浅埋隧道不同施工方法的隧道横断面位移如图2～图4所示。

不同施工方法下的隧道拱顶沉降、水平收敛以及仰拱隆起计算结果如图5所示。图5表明在拱顶沉降的控制上双侧壁法优于台阶法优于CD法，在仰拱隆起上，双侧壁法和台阶法效果接近但是优于CD法，在水平收敛的控制上，台阶法优于双侧壁法优于CD法。综合考虑隧道变形的控制效果和施工的操作难易程度，选取台阶法施工较为合适。

隧道地表沉降变化如图6所示。表明在隧道10 m和20 m断面上，对于地表沉降的控制上，双侧壁法优于台阶法优于CD法，在隧道30 m,40 m和50 m断面处，台阶法优于双侧壁法优于CD法。

3 超前管棚支护参数下的控制技术研究

3.1 模型建立和计算参数

在数值模拟软件MIDAS中建立浅埋隧道超前管棚支护计算模型，如图7所示。其中：注浆管棚的等效弹性模量Ep按受弯构件进行计算。

根据钢管混凝土规范提供的抗弯刚度表达式为：

EpIp=EsIs+kwEcIc。

其中,Es，Is分别为钢管的弹性模量和惯性矩；Ec,Ic分别为管内砂浆的弹性模量和惯性矩；Ep,Ip分别为注浆管棚的等效弹性模量和惯性矩；kw为考虑管棚砂浆开裂引起砂浆刚度折减的系数，本次计算取0.6。

为探究超前管棚对隧道变形的控制效果，分别分析超前管棚直径、布置范围和管棚间距对隧道变形的影响，计算工况见表2。

表2 管棚影响计算工况

3.2 计算结果

浅埋隧道超前管棚支护的数值模拟计算结果如图8～图10所示。

图8表明，随着管棚直径和范围的增大，拱顶沉降逐渐减小，而拱顶沉降随着管棚间距的增大而增大。当管棚直径由64 mm增加至84 mm时，拱顶沉降分别为27.45 mm，23.41 mm，20.85 mm，19.34 mm，18.56 mm和18.12 mm。当管棚范围由140°增加至240°时，拱顶沉降分别为26.41 mm,22.36 mm,19.34 mm,17.61 mm,16.59 mm和15.89 mm。当管棚间距由0.2 m增加至0.7 m时，拱顶沉降分别为18.45 mm,18.84 mm,19.34 mm,21.02 mm,23.26 mm和27.41 mm。

图9表明，随着管棚直径和范围的增大，水平收敛逐渐减小，而水平收敛随着管棚间距的增大而增大。当管棚直径由64 mm增加至84 mm时，水平收敛分别为9.94 mm,8.96 mm,8.21 mm,7.69 mm,7.45 mm和7.21 mm。当管棚范围由140°增加至240°时，水平收敛分别为9.14 mm,8.35 mm,7.69 mm,7.12 mm,6.88 mm和6.74 mm。当管棚间距由0.2 m增加至0.7 m时，水平收敛分别为6.89 mm,7.11 mm,7.69 mm,8.65 mm,9.98 mm和11.58 mm。

图10表明，随着管棚直径和范围的增大，仰拱隆起逐渐减小，而仰拱隆起随着管棚间距的增大而增大。当管棚直径由64 mm增加至84 mm时，仰拱隆起分别为49.69 mm,44.98 mm,41.25 mm,38.35 mm,37.11 mm和34.65 mm。当管棚范围由140°增加至240°时，仰拱隆起分别为44.98 mm，40.25 mm，38.11 mm，37.58 mm，37.12 mm和36.89 mm。当管棚间距由0.2 m增加至0.7 m时，仰拱隆起分别为36.84 mm，37.19 mm，38.11 mm，39.43 mm，41.36 mm和44.89 mm。

4 结语

本文依托宁夏东毛高速六盘山隧道，采用数值模拟手段，研究了浅埋隧道采用台阶法、CD法和双侧壁法施工中隧道变形规律，分析了超前管棚支护对隧道变形的影响，得到如下结论：

1)浅埋隧道施工工法对隧道变形控制效果，对拱顶沉降的控制，双侧壁法优于台阶法、CD法；对于仰拱隆起，双侧壁法和台阶法效果接近，优于CD法；对于水平收敛，台阶法优于双侧壁法优于CD法。综合考虑隧道变形控制效果和施工难易程度，采用台阶法施工较为合适。

2)浅埋隧道施工超前管棚支护中，随着管棚直径和范围的增大，拱顶沉降、仰拱隆起逐渐减小，而拱顶沉降、仰拱隆起随着管棚间距的增大而增大。