隧道洞口淺埋段大管棚受力分析

李 毅，劉智勇，陳煒韜

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 交通分院，四川 成都 610072)

1 前 言

隨著我國(guó)交通和隧道施工技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的隧道穿越軟弱圍巖破碎帶。在這些圍巖地質(zhì)情況差的地段，特別是隧道洞口淺埋段，多采用注漿管棚作為超前支護(hù)措施，以防止土層坍塌和地表大量下沉。

管棚預(yù)加固技術(shù)，主要以梁理論、拱殼理論和彈性地基梁理論分析管棚的受力變形特征，這三種理論分析方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)[1]，因此實(shí)際運(yùn)用中常借助有限元分析方法獲得管棚的設(shè)計(jì)參數(shù)和受力狀態(tài)[2，3]。本文以溪洛渡水電站交通工程某公路隧道洞口淺埋段管棚預(yù)加固為工程實(shí)例，通過(guò)有限差分法數(shù)值計(jì)算，研究掌子面開(kāi)挖時(shí)不同位置管棚的內(nèi)力、位移變化規(guī)律及圍巖內(nèi)塑性區(qū)變化規(guī)律。

2 工程概況及計(jì)算基礎(chǔ)

2.1 工程概況

溪洛渡水電站交通工程某公路隧道進(jìn)洞口段最小埋深為11m，圍巖由坡積亞黏土，全﹑強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)泥巖，弱風(fēng)化炭質(zhì)泥巖組成。巖層呈灰黑色，夾碎塊，松散結(jié)構(gòu)，屬Ⅴ級(jí)圍巖，洞頂易產(chǎn)生大規(guī)模坍塌，為此進(jìn)行大管棚預(yù)支護(hù)。

本隧道采用臺(tái)階法施工，隧道拱部120°范圍采用φ108大管棚進(jìn)行超前預(yù)加固，管棚長(zhǎng)L=32m，搭接長(zhǎng)度3m，環(huán)向間距40cm。初期支護(hù)為噴錨型鋼鋼架支護(hù)，其中噴射C25混凝土厚度28cm；錨桿采用φ25中空注漿桿，L=4m，間距80cm×80cm，梅花形布置；型鋼鋼架采用I18工字鋼，間距0.75m；φ8鋼筋網(wǎng)，間距15cm×15cm。

2.2 計(jì)算分析基礎(chǔ)

(1)計(jì)算參數(shù)。圍巖的物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 圍巖的物理力學(xué)參數(shù)

(2)計(jì)算模型。計(jì)算模型范圍：上部至地表，最小埋深11m，仰坡為28°；下部取至隧道仰拱以下30m；隧道中心線(xiàn)左右各取35m。沿隧道縱向取35m進(jìn)行三維計(jì)算，隧道左、右有水平約束，下部有垂直約束，地表為自由邊界。模型中，用實(shí)體單元模擬圍巖、初期支護(hù)及管棚。根據(jù)管棚實(shí)際直徑以及漿液擴(kuò)散范圍取管棚單元面積為20cm×20cm，管棚軸心間距為40cm。初期支護(hù)中的鋼架通過(guò)等效提高初期支護(hù)參數(shù)進(jìn)行模擬[4]。計(jì)算整體模型見(jiàn)圖1。

計(jì)算中每循環(huán)進(jìn)尺1.4m，初期支護(hù)緊跟掌子面開(kāi)挖。下臺(tái)階滯后上臺(tái)階30.8m，循環(huán)進(jìn)尺也為1.4m。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

為了分析方便，取拱頂、拱部左側(cè)30°、60°三根管棚(分別對(duì)應(yīng)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)管棚)為分析對(duì)象，每根管棚縱向單元長(zhǎng)度1.4m。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析掌子面上臺(tái)階為14.0m(對(duì)應(yīng)于管棚11號(hào)單元處，此時(shí)模型中下臺(tái)階未開(kāi)挖)和下臺(tái)階為11.2m(對(duì)應(yīng)于管棚8號(hào)單元處，此時(shí)模型中上臺(tái)階已全部開(kāi)挖)時(shí)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)管棚的縱向內(nèi)力及位移變形規(guī)律。

圖1 淺埋洞口段大管棚受力分析模型

3.1 大管棚內(nèi)力變化規(guī)律

3.1.1 管棚剪力

1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)管棚剪力大小在管棚縱向長(zhǎng)度上分布規(guī)律見(jiàn)圖2。分析圖2可知：

(1)上臺(tái)階開(kāi)挖將引起管棚剪力劇烈變化，下臺(tái)階開(kāi)挖影響不大。

(2)管棚剪力值大小為1號(hào)>2號(hào)>3號(hào)，最大值位于掌子面前方[1.5m,3.0m]范圍內(nèi)。1號(hào)管棚剪力最大值為24kN，2號(hào)管棚剪力最大值16kN，3號(hào)管棚剪應(yīng)力最大值12kN。

(3)管棚剪力在掌子面前后[-1m,6m]范圍內(nèi)為正，其它部位為負(fù)且基本穩(wěn)定。

3.1.2 管棚軸力及彎矩

1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)管棚軸力及彎矩大小在管棚縱向長(zhǎng)度上分布規(guī)律見(jiàn)圖3、4。軸力為正表示軸向受拉，彎矩為正表示管棚下側(cè)受拉。

由圖3、4可知：

(1)上臺(tái)階開(kāi)挖將引起管棚軸力和彎矩變化，下臺(tái)階開(kāi)挖對(duì)管棚軸力和彎矩影響不大。

(2)管棚軸力最大值變化不大，最大值位于掌子面開(kāi)挖處。1號(hào)管棚軸力最大值為44kN，2號(hào)管棚軸力最大值為42kN，3號(hào)管棚軸力最大值為45kN。

圖2 掌子面推進(jìn)時(shí)管棚剪力縱向分布規(guī)律

圖3 掌子面推進(jìn)時(shí)管棚軸力縱向分布規(guī)律

圖4 掌子面推進(jìn)時(shí)管棚彎矩縱向分布規(guī)律

(3)管棚軸力分布以掌子面為分界點(diǎn)，掌子面前方受拉，后方受壓。掌子面對(duì)管棚軸力影響范圍：在掌子面前方大約6m范圍，掌子面后方大約2m范圍。

(4)管棚彎矩最大值變化不大，最大值位于掌子面附近。1號(hào)管棚彎矩最大值為0.7kN·m，2號(hào)管棚彎矩最大值為0.6kN·m，3號(hào)管棚彎矩最大值為0.5kN·m。

(5)掌子面對(duì)管棚彎矩影響范圍：在掌子面前方大約5m范圍、掌子面后方大約7m范圍。

3.2 大管棚位移變化規(guī)律

1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)管棚位移在管棚縱向長(zhǎng)度上分布規(guī)律見(jiàn)圖5。位移為負(fù)表示管棚向隧道內(nèi)變形。

分析圖5可知：

(1)上臺(tái)階開(kāi)挖將引起管棚位移變化，下臺(tái)階開(kāi)挖對(duì)管棚位移影響不大。位移在縱向是連續(xù)光滑分布的，在掌子面處沒(méi)有出現(xiàn)位移的突變。

(2)開(kāi)挖過(guò)程中，管棚最大位移位于進(jìn)口處。1號(hào)管棚位移最大值為2.4mm，2號(hào)管棚位移最大值為2.9mm，3號(hào)管棚位移最大值為3.2mm。

(3)掌子面對(duì)管棚位移影響范圍：在掌子面前方大約15m范圍，變化劇烈段大約為7m；掌子面后方大約10m范圍，變化劇烈段大約為5m左右。

圖5 掌子面推進(jìn)時(shí)管棚位移縱向分布規(guī)律

3.3 圍巖內(nèi)塑性區(qū)

圍巖內(nèi)塑性區(qū)的發(fā)展情況見(jiàn)圖6、7。

由圖6、7可以看出：

(1)掌子面前方已出現(xiàn)受拉破壞和受剪破壞，其塑性區(qū)范圍超過(guò)4m，說(shuō)明大管棚的搭接長(zhǎng)度應(yīng)該在4m以上，設(shè)計(jì)的管棚搭接長(zhǎng)度為3m顯然不合適，應(yīng)增加搭接長(zhǎng)度。

(2)隧道邊墻和墻腳圍巖出現(xiàn)了小范圍的塑性區(qū)，深度在2m左右，故系統(tǒng)錨桿的設(shè)置長(zhǎng)度應(yīng)大于2m。

(3)隧道拱部沒(méi)有產(chǎn)生塑性區(qū)，說(shuō)明通過(guò)大管棚預(yù)支護(hù)的加固作用，提高了拱部圍巖的自穩(wěn)能力，加固效果很好。

4 結(jié) 論

(1)管棚剪力、軸力、彎矩及位移變化受上臺(tái)階掌子面開(kāi)挖影響明顯，受下臺(tái)階開(kāi)挖影響較小。

(2)掌子面開(kāi)挖至一定時(shí)，拱頂管棚的剪力值最大，從拱頂向左、右側(cè)逐漸減??；各管棚剪力最大值位于掌子面前方[1.5m,3.0m]范圍內(nèi)。

(3)管棚軸力和彎矩最大值位于掌子面開(kāi)挖處。掌子面開(kāi)挖對(duì)管棚軸力影響范圍為掌子面前后[-2m,6.0m]，對(duì)管棚彎矩影響范圍為掌子面前后[-7m,5.0m]。

圖6 上臺(tái)階開(kāi)挖至19.6m時(shí)圍巖內(nèi)塑性區(qū)

圖7 下臺(tái)階開(kāi)挖至21.0m時(shí)圍巖內(nèi)塑性區(qū)

(4)掌子面開(kāi)挖過(guò)程中，位移曲線(xiàn)呈連續(xù)光滑分布，掌子面開(kāi)挖對(duì)管棚位移的影響范圍為掌子面前后[-10m,15.0m]。

(5)掌子面前方圍巖塑性區(qū)范圍超過(guò)4m，說(shuō)明管棚搭接長(zhǎng)度應(yīng)大于4m；同時(shí)根據(jù)邊墻和墻腳圍巖塑性區(qū)范圍確定系統(tǒng)錨桿長(zhǎng)度應(yīng)大于2m。

參考文獻(xiàn)：

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