直墙拱型引水隧洞洞口段管棚预加固技术分析

邹增富 唐世禄 廖云朋 代荣 谢昌志

摘要：为明确管棚预加固工法在直墙拱型引水隧洞洞口段的加固效果，建立管棚预加固三维有限元模型，研究管棚在直墙拱型引水隧洞开挖过程中全过程力学演变。研究结果表明：管棚沉降总体上呈凹槽形分布，在掌子面附近，管棚沉降值达到最大；管棚起始端始终具有较大的弯矩值，掌子面附近的弯矩变化比较明显，管棚的梁效应作用位置随掌子面的推进而变化；管棚超前支护能显著减小隧道开挖引起围岩的扰动范围和扰动程度，限制隧道周边位移。

关键词：管棚；预加固；直墙拱型；引水隧洞；数值模拟

中图分类号：U453.1文献标志码：A

0引言

断层破碎带作为一种常见的地质构造，长大隧道施工过程中难免要经常穿越断层破碎带。断层破碎带岩体自稳能力差，开挖扰动会引起较大的围岩变形，严重时可能导致掌子面失稳和隧道塌方［1-3］。管棚作为一种有效的超前支护辅助工法，已经在不良地质条件下的隧道施工中得到了广泛的应用［4-5］。目前众多学者对管棚加固机理和预加固效果开展了研究。高鑫、曹成威等［6-7］研究了管棚预支护力学特性和参数影响。余俊、阳超等［8-9］分析了松散地层隧道管棚注浆加固效应。王文等［10］研究了预支护段开挖时管棚的受力和变形。本文以G4216线高速公路卡哈洛综合体把堡河河道改道工程泄水隧洞为工程依托，建立了直墙拱型引水隧洞洞口段管棚预加固三维有限元模型，分析了管棚的超前支护作用，明确管棚在隧道进洞开挖过程中的力学行为，以期为管棚预加固施工提供参考。

1工程背景

卡哈洛互通式立交综合体为G4216线屏山新市至雷波段高速公路控制性工程之一。由于卡哈洛互通综合体填方区域将卡哈洛乡场镇东侧把堡河段全部侵占，需改移河道以恢复把堡河行洪能力，保障下游卡哈洛互通式立交综合体及卡哈洛乡场镇行洪安全，故需新建泄水隧洞。卡哈洛泄洞进口长6 m，出口明洞长12.93 m。进口纵断面为斜面，坡比1∶0.5，与洞轴线夹角65.61°；隧洞洞身长1 216.07 m。泄水隧洞比降为4.4%，进口高程784.00 m，出口高程729.66 m。隧洞为城门洞型，底宽9.0 m，直墙高7.5 m，顶拱半径4.5 m，角度180°。

卡哈洛泄水隧洞进口端采用全断面法开挖。开挖前采用108 mm大管棚超前支护，管棚长28 m，打设范围为拱顶120°范围内，单层共42根。卡哈洛泄水隧洞洞口原地貌见图1。

2管棚力学模型

2.1管棚作用效果分析

管棚超前支护是在地下工程的开挖轮廓线外，以一定间距、沿洞轴以一定外插角钻孔插入或直接插入钢管，通过钢管上布置的注浆孔向地层注浆，来增加钢管外周围岩的强度。管棚支护结构的力学效果：

（1）管棚超前支护通过钢管向周围岩体注浆，使周围岩体裂隙充满浆液，提高围岩的物理力学参数。

（2）在隧道周边一定范围布置的管棚，与围岩、注浆体相互作用，环绕隧道轮廓形成筒状加固圈，加固圈将起到“承载拱”的作用。

（3）管棚超前支护能够有效地从空间、时间上调整隧道开挖引起的围岩应力分布，将上部围岩传来的比较集中地荷载分散到掌子面前方的围岩及后方支护结构上，从而减小了掌子面前方围岩所受压力的强度，提高了隧道掌子面的稳定性。

（4）管棚超前支护能促进隧道上部围岩地层拱的形成，促进由开挖前的初始平衡状态尽快转移到开挖后的最终平衡状态。

（5）管棚超前支护对地层变形抑制效果始于掌子面前方一定距离，起到良好的地层控制效果。

（6）管棚超前支护在隧道纵轴方向上可视为梁，在横向上可视为拱，且梁拱主要承受压力。由于这一结构的支撑作用，限制了围岩应力的释放。

2.2管棚荷载解析

王海濤［11］基于围岩松动区理论分析了深埋和浅埋隧道条件的管棚荷载。设隧道开挖引起的围岩松动区域如图2所示。根据微分条带dz的平衡条件ΣV=0，得到式（1）～式（3）。

s1（σV+dσV）-s1σV+2τdz-γs1dz=0（1）

即：

dσV/dz=γ-2τ/s1（2）

式中：σV为距松动区顶部z处的竖直应力；γ为土的容重；τ为作用在破裂面上的剪应力。

s1=s+2htan（45°-φ/2）（3）

式中：s为隧道无支护区域距离。

假设破坏时符合莫尔-库仑条件，则有式（4）。

τ=λσVtanφ+c（4）

式中：λ为侧压力系数。

把式（4）代人式（2），得到式（5）。

dσVdz=γ-2cs1－2λσVtanφs1（5）

由松动顶部边界条件，σVz=0=γ（H-h0），得到式（6）。

σV=s1γ-2c2λtanφ（1-exp（-2λztanφ/s1））+

γ（H-h0）exp（-2λztanφ/s1）（6）

考虑产生最大松动范围时洞顶不受力，σVz=h0=0，代入式（6）得到式（7）。

e-2λh0tanφ/s1·s1γ-2c-2λγtanφ（H-h0）2λtanφ=s1γ-2c2λtanφ

h0=s12λtanφln2λγtanφH+2c-s1γ2c-s1γ（7）

在深埋时，h0H，1－h0/H≈1，得最大松动高度为式（8）。

h0=s12λtanφln2λγtanφH+2c-s1γ2c-s1γ（8）

作用在管棚上的围岩压力为式（9）。

P=γh0=γs12λtanφln2λγtanφH+2c-s1γ2c-s1γ（9）

当浅埋隧道时（图3），图中深度为z处微分条带dz的静力平衡条件为式（10）。

dσV/dz=γ-2τ/s1（10）

假设破坏时符合莫尔-库仑条件，见式（11）、式（12）。

τ=λσVtanφ+c（11）

dσVdz=γ-2cs1－2λσVtanφs1（12）

引人边界条件（当z=0时，σv=0），解上述微分方程得到式（13）。

岩土工程与地下工程邹增富， 唐世禄， 廖云朋， 等： 直墙拱型引水隧洞洞口段管棚预加固技术分析

σV=γs1-2c2λtanφ1-e-2λHtanφ/s1（13）

所以作用在管棚上的围岩压力为式（14）、式（15）。

P=γs1-2c2λtanφ1-e-2λHtanφ/s1（14）

s1=s+2htan（45°-φ/2）（15）

式中：γ为土的容重；H为隧道埋深；c为黏聚力；φ为内摩擦角；λ为侧压力系数；s为隧道无支护区域距离。

3管棚预加固数值模型分析

3.1模型参数

基于ABAQUS软件建立三维有限元数值计算模型。三维计算模型的边界为：沿隧道延伸方向尺寸为42 m、水平方向尺寸取80 m、垂直方向尺寸取60 m。三维数值模型见图4。计算模型中，围岩、管棚注浆加固区、初期支护均采用采用C3D8R单元（三维六面体减缩积分单元）进行模拟。管棚采用B31单元（梁单元）进行模拟。管棚注浆通过提高管棚加固范围的围岩力学参数来实现。根据现场管棚注浆效果，取管棚加固区围岩厚度为1 m。假定钢管与注浆加固区之间黏结性很强，二者无相对滑移。采用Embedded Region相互作用方式将管棚单元嵌入实体模型。整个模型共划分130 640个实体单元，1 148个梁单元。在隧道结构附近对网格进行加密。由于隧道埋深较浅，数值计算时只考虑自重应力场。

隧道围岩、管棚加固区围岩、初期支护材料参数见表1。隧道围岩采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，支护结构采用理想弹性本构模型。

3.2管棚沉降分析

不同开挖阶段拱顶钢管的沉降曲线如图5所示。由图5可以看出，当隧道开挖4 m时，拱顶钢管最大沉降位于掌子面附近，最大沉降值为3.15 mm；当隧道开挖8 m时，拱顶钢管棚78002100.25——管最大沉降位于掌子面附近，最大沉降值为5.00 mm；当隧道开挖12 m时，拱顶钢管最大沉降位于掌子面附近，最大沉降值为6.04 mm；当隧道开挖16 m时，最大沉降值为6.59 mm；当隧道开挖20 m时，拱顶钢管最大沉降位于掌子面附近，最大沉降值为6.55 mm。上述分析表明，在隧道开挖过程中，由于起始端套拱的约束作用，管棚沉降值较小；远离起始端时管棚沉降总体上呈凹槽形分布。管棚沉降值在掌子面附近达到最大，掌子面前方一定距离后，钢管挠度明显减小。表明管棚能够有效将上方荷载转移到开挖面附近一定范围内。

3.3管棚受力分析

不同开挖状态时管棚内力状况见图6。由图6可以看出，在隧道开挖过程中，管棚起始端始终具有较大的弯矩值，表明套拱对管棚起到了约束作用，也说明了套拱在整个管棚预支护体系中的重要作用。在实际施工中，应严格保证套拱的施工质量。

隧道开挖后钢管有承受了明显的弯矩，在掌子面附近，拱顶处的钢管承受的弯矩为300～400 N·m。当隧道开挖4 m时，管棚钢管最大正弯矩为317.6 N·m，最大负弯矩为290.1 N·m；当隧道开挖8 m时，管棚钢管最大正弯矩为299.4 N·m，最大负弯矩为176.8 N·m；当隧道开挖12 m时，管棚钢管最大正弯矩为313.7 N·m，最大负弯矩为187.0 N·m；当隧道开挖16 m时，管棚钢管最大正弯矩为313.2 N·m，最大负弯矩为282.2 N·m；当隧道开挖20 m时，管棚钢管最大正弯矩为312.0 N·m，最大负弯矩为460.5 N·m；當隧道开挖24 m时，管棚钢管最大正弯矩为310.2 N·m，最大负弯矩为546.4 N·m。管棚的弯矩随隧道掌子面位置不断发生变化。掌子面附近的弯矩变化比较明显，且具有较大的弯矩值。以管棚下部受拉为正，正弯矩发生在已开挖未支护段，原因在于该段管棚承受着临空面上部竖向围岩压力；负弯矩主要表现在掌子面前方一定范围，原因在于管棚将已开挖未支护段的围岩压力传递给了后方初期支护和前方围岩。在掌子面后方已施作支护段，管棚的竖向弯矩有正有负，在量值上相对较小。以上分析表明，管棚的梁效应作用位置随掌子面的推进而变化，在掌子面附近管棚发挥了较好的梁效应，在掌子面后方一段距离管棚梁效应消失不再作为承载构件。

3.4围岩变形分析

以隧道纵向20 m处为研究断面，分析有管棚支护和无管棚支护两种工况下的围岩变形情况。隧道贯通后目标面围岩总位移见图7。由图7可见：无管棚支护时，围岩最大位移为37.37 mm，主要表现为底部隆起，周边最大收敛值为19.23 mm；有管棚支护时，围岩位移明显小于无管棚支护工况，围岩最大位移为19.73 mm，主要也表现为底部隆起，周边最大收敛值为9.25 mm。管棚超前支护对最大周边收敛的减小达51.9%。且从位移分布上看，有管棚支护工况的位移梯度更小。上述分析表明，管棚超前支护能显著减小隧道开挖引起围岩的扰动范围和扰动程度，限制隧道周边位移。

4结论

本文以卡哈洛直墙拱型泄水隧洞为工程依托，分析了管棚力学模和管棚在隧道进洞开挖过程中的力学行为。得出主要结论：

（1） 管棚沉降总体上呈凹槽形分布。在掌子面附近，管棚沉降值达到最大。

（2） 管棚起始端始终具有较大的弯矩值，掌子面附近的弯矩变化比较明显。管棚的梁效应作用位置随掌子面的推进而变化，在掌子面附近管棚发挥了较好的梁效应，在掌子面后方一段距离管棚梁效应消失。

（3） 管棚超前支护能显著减小隧道开挖引起围岩的扰动范围和扰动程度，限制隧道周边位移。

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［作者简介］邹增富（1984—），男，本科，高级工程师，主要从事桥隧工程建设与管理工作。