深埋隧道軟弱圍巖管棚處理效果研究

韓吉，侯哲生，顧 洋

(煙臺大學 土木工程學院， 山東 煙臺 264000)

深埋隧道軟弱圍巖管棚處理效果研究

(煙臺大學 土木工程學院， 山東 煙臺 264000)

管棚注漿法是軟弱圍巖開挖通常采用的一種超前支護技術。以某隧道深埋段塌方為例，通過MIDAS/GTSNX模擬了采用管棚注漿預加固和不采用預加固時圍巖的變形情況。定量分析了管棚注漿法的加固效果，說明采用管棚注漿法能有效減少初期支護的變形，改善圍巖失穩(wěn)情況，因此管棚在處理深埋大塌方及在軟弱圍巖施工中有顯著作用。

深埋；塌方；管棚；數(shù)值模擬

近年來，隨著我國基礎設施建設規(guī)模的不斷擴大，公路隧道工程也呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的趨勢，而且隨著發(fā)展的需要以及技術的提高，隧道工程漸漸顯現(xiàn)“多、長、大、深”的特點，大量深埋長大公路隧道應運而生[1-3]。在隧道工程的建設中也就不可避免的會出現(xiàn)一些地質問題，軟弱圍巖塌方就是其中最常見最典型的地質問題之一。

管棚注漿法以其施工快、安全性高、不需要大型器械設備等優(yōu)點被廣泛應用于隧道軟弱圍巖加固及大塌方處理[4-7]。目前，國內(nèi)外對管棚做了一些研究及應用[8-10]，但是多應用于隧道淺埋段，對于深埋軟弱圍巖管棚注漿加固效果的研究較為缺乏。且管棚施工多依賴于經(jīng)驗，對其注漿加固效果的研究不夠深入。本文以某工程實例分析管棚注漿法在深埋隧道軟弱圍巖塌方處理中的效果。

1 工程概況

1.1 隧道概況

該隧道為一座上、下行分離的六車道高速公路特長隧道，隧道左線起訖樁號ZK99+535—ZK105+191，全長5 656 m；隧道右線起訖樁號YK99+523—YK105+200.3，全長5 677.3 m。

1.2 原設計情況

該隧道YK104+242為隧道出口右洞洞身段，埋深150 m。隧道拱部為侏羅系中統(tǒng)的中至微風化安山巖，巖體較完整至完整。圍巖自穩(wěn)能力較差，數(shù)日或數(shù)月內(nèi)可發(fā)生松動變形或小塌方，埋深大，以擠壓破壞為主，該段圍巖洞內(nèi)地下出水狀為滴水狀。BQ/[BQ]：345/295，圍巖縱波速：3 214 m/s～4 677 m/s。該塌方段原設計為Ⅳ級圍巖，距已經(jīng)施工完成的Ⅴ級分界線(YK104+283)過去41 m。采用S4b復合襯砌支護(如圖1所示)，工法采用上下臺階留核心土法(如圖2所示)，施工步驟：① 開挖上臺階；② 上臺階拱部初期支護；③ 開挖下臺階兩側；④ 下半斷面邊墻初期支護；⑤ 預留核心土開挖及仰拱二次襯砌混凝土澆筑；⑥ 仰拱回填。

圖1 隧道S4b復合襯砌示意圖

圖2 臺階法示意圖

2 塌方描述及處理措施

2.1 塌方描述

隧道右洞掌子面YK104+242處，在初期支護完成后，開挖班組準備打鉆時，帶班人員發(fā)現(xiàn)面向掌子面左側距離作業(yè)地坪大概2 m左右的位置巖石開始滑動并且伴隨大量碎石涌出。帶班人員及時將開挖班所有人員全部撤離。隨后通知施工隊長及管理人員到現(xiàn)場，同帶班人員觀察情況，發(fā)現(xiàn)碎石一直向掌子面前進方向塌方6 m～7 m左右，然后開始擴散，一直擴散到拱頂，再由拱頂向左側擴散。左側大面積塌方后縱向延伸到6 m～7 m，同時向右側蔓延。碎石由里向外涌出，將右側掌子面原有巖體全部頂出，砸壞四榀已經(jīng)支護好的初期支護拱架，開挖臺車被壓入碎石中。圖3中顯示的是此次連續(xù)塌方剛開始時的圍巖坍塌情況，此后一段時間內(nèi)塌方逐漸擴大。

圖3 塌方實拍照片

2.2 塌方初步處理

隧道樁號YK104+242掌子面圍巖極破碎，整體巖體呈中風化至強風化狀態(tài)，拱頂有大量碎石涌出。因掌子面拱頂巖石持續(xù)坍塌，所以當務之急要對掌子面做應急加固處理，首先封閉掌子面，阻止其繼續(xù)坍塌以影響下一步塌方處理及隧道施工。然后加密沉降觀測點，對初支進行每小時跟蹤測量。從沉降觀測反應可以看出距離塌方體27 m位置的4號點沉降1 cm多后趨于平穩(wěn)，距離塌方體13 m位置內(nèi)的3處沉降點有明顯變化，其中1號點后期由于拱架壓垮后被毀壞，如圖4所示。

圖4 拱頂沉降值變化曲線(單位：mm)

2.3 管棚處理

因沉降量較大，洞內(nèi)作業(yè)環(huán)境存在較大安全隱患，以及當?shù)匾阎鸺夁M入多雨季節(jié)等多個因素綜合考慮，制定處理此次塌方的方案如下：

地暖采用不用熱源時，其運行費用到底如何，我們以一個20KW的采暖系統(tǒng)為例，分別采用空氣源熱泵和燃氣爐系統(tǒng)分析如表1。

(1) 在掌子面YK104+242處往后20 m范圍內(nèi)架設臨時I18鋼子鋼拱架，間距1 m，為處理塌方體的作業(yè)人員提供一個安全的作業(yè)環(huán)境(如圖5所示)。

圖5 臨時鋼拱架實拍圖

(2) 采用4 cm厚C25噴射混凝土封閉坍塌體以及掌子面，塌方體采用注漿小導管預加固。

(3) 采用自進式管棚進行塌方體處理及掌子面向前施工時的超前支護。管棚材料采用直徑為108 mm，壁厚8 mm，長度20 m，環(huán)向間距30 cm，角度22°～27°。先施工第一環(huán)管棚，管棚安裝完畢后，將鋼筋籠送入管棚內(nèi)部然后注漿。鋼筋籠由4根Φ22螺紋鋼焊接而成，長度按照管棚長度來制作。第一環(huán)自進式管棚成型后開始開挖進洞，初期支護按照Ⅴ級圍巖的支護參數(shù)進行支護。進尺到第一環(huán)自進式管棚的一半處，即10 m部位時，擴大開挖斷面，將拱架半徑擴大80 cm，然后進行噴錨，給第二環(huán)管棚施工提供了作業(yè)平臺。第二環(huán)管棚角度調整到5°～8°。第一環(huán)和第二環(huán)形成了雙層支護。同時在管棚管間距內(nèi)增加注漿小導管超前支護施工，確保拱部塌方的注漿加固效果。管棚支護的示意圖如圖6和圖7所示，管棚施工情況如圖8～圖10所示。

圖6 管棚橫斷面示意圖

圖7 管棚縱斷面示意圖

圖8 第一環(huán)管棚施工實拍圖

圖9 第二環(huán)管棚施工實拍圖

圖10 第二環(huán)管棚實拍圖

3 管棚支護數(shù)值模擬

3.1 建立模型

根據(jù)營爾嶺隧道樁號YK104+242的地質模型，運用MIDAS/GTS NX巖土與隧道有限元分析軟件建立了三維隧道計算模型，如圖11所示。

圖11 有限元計算模型

計算模型邊界范圍：橫向(X方向)取120 m，豎向(Z方向)下部邊界取距離隧道底面50 m，上部邊界取距離隧道拱頂70 m?？v向(Y方向)取30 m。計算模型約束條件：頂部施加等效荷載，下部邊界完全約束，兩側邊界水平位移約束。隧道圍巖材料模型取勻質彈塑性模型，采用Mohr-Coulomb 準則，初期支護結構均按彈性模型計算。

管棚支護效果通常采用合理增強隧道上方一定厚度圍巖的物理力學參數(shù)來等效分析以達到研究目的。管棚等效加固區(qū)厚度取9 m，其彈性模量的取值是把管棚彈性模量折算給圍巖。按文獻[11]中鋼管混凝土剛度的計算方法對管棚換算彈性模量進行計算。計算公式如式(1)所示：

(1)

式中：Eg為管棚換算彈性模量；Es為鋼管彈性模量；Ec為砂漿彈性模量；Is鋼管慣性矩；Ic砂漿慣性矩。

(2)

式中：E為折算后的管棚等效加固區(qū)的彈性模量；Eg為注漿管棚的換算彈性模量；E0為原巖土層的彈性模量；S為管棚等效加固區(qū)截面積；Sg為注漿管棚截面積。

巖土層和各結構材料其他參數(shù)參照《公路隧道設計規(guī)范》[14](JTGD70-2004)及《公路隧道設計細則》[15](JTG/TD70-2010)確定，如表1所示。

表1 計算參數(shù)

3.2 數(shù)值模擬結果與分析

為了對管棚注漿加固效果進行定量研究，本文模擬了采用管棚注漿預加固和不采用預加固時隧道上部圍巖塑性區(qū)分布情況和圍巖的變形情況。

3.2.1 塑性區(qū)分布

隧道開挖在無預加固和采用管棚注漿預加固兩種情況下拱頂上部圍巖塑性區(qū)分布情況如圖12所示。

圖12 塑性區(qū)分布

由圖12可知，沒有進行預加固的情況下隧道拱頂上部圍巖塑性區(qū)分布范圍較大，豎向厚度為5m～7m，而采用管棚注漿加固后塑性區(qū)分布范圍明顯減小，豎向厚度為2m～3m，且僅分布在隧道兩側起拱線位置附近。原先的拱頂大范圍坍塌破壞變成現(xiàn)在拱肩位置小范圍破壞，增強了隧道穩(wěn)定性。

3.2.2 深埋隧道圍巖變形情況分析

在評價管棚支護對塌方處理及隧道圍巖穩(wěn)定性時，隧道Z向(豎向)及X向(橫向)的位移值是重要的參考指標(見圖13、圖14)。

由圖13可知，無預支護時隧道開挖后最大豎向位移值為31.9 mm，發(fā)生在隧道拱頂位置。最大水平位移為41.6 mm，發(fā)生在隧道兩側對稱分布。

圖13 無預支護時的位移云圖(單位：m)

圖14 管棚注漿支護時的位移云圖(單位：m)

由圖14可知，采用管棚注漿支護后其最大豎向位移值為18.4 mm，同樣發(fā)生在隧道拱頂位置，且拱頂變形較均勻，沉降值相比無預支護時的沉降值減小了42.3%。最大水平位移為38.1 mm，同樣發(fā)生在隧道兩側對稱分布，相對于無預支護時減小了8.4%。

3.2.3 開挖過程中對掌子面前方擾動分析

圖13和圖14描述的是所有施工步驟全部結束后的圍巖位移分布圖，而在隧道開挖過程中，已開挖部分拱頂?shù)某两底冃渭拔撮_挖部分拱頂?shù)念A沉降變形情況也是需要考慮的部分(如圖15所示)。

通過圖15可知，通過管棚注漿支護的作用，在開挖過程中，拱頂?shù)氖諗恐祵⒋蟠笮∮谖丛O置預支護時的值。四個開挖時段掌子面拱頂位移分別為：開挖6 m時，12.43 mm(無預支護)、6.17 mm(管棚注漿支護)；開挖12 m時，11.77 mm(無預支護)、6.97 mm(管棚注漿支護)；開挖18 m時，17.24 mm(無預支護)、9.99 mm(管棚注漿支護)；開挖24 m時，15.43 mm(無預支護)、10.32 mm(管棚注漿支護)。加固后沉降值分別減少了50.4%、40.8%、42.1%、33.1%。以上數(shù)值說明在隧道開挖過程中，采用管棚注漿支護比無預支護時的拱頂沉降有持續(xù)且明顯的抑制作用。兩種工況中，掌子面前方6 m處均開始有明顯預收斂，而未進行預支護時，預收斂變化更加明顯，在開挖掌子面過程中更加容易發(fā)生坍塌，相對來說，進行了管棚注漿支護后，掌子面前方預收斂變化較為平緩，更加安全。

圖15 隧道開挖過程中拱頂沉降圖(單位：mm)

4 結 論

(1) 管棚注漿法一般用于松散土層、軟流塑狀地層、碎石土等不良地質條件下的隧道開挖，其中多為淺埋段隧道。實踐證明，深埋隧道開挖碰到軟弱圍巖地層發(fā)生大塌方地質災害時，采用管棚注漿預支護也會非常有效地解決塌方問題及預防軟弱圍巖地段隧道開挖造成的圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象。

(2) 管棚注漿法是以管棚為骨架，向管棚鋼管里注漿以此加固鋼管周圍的巖土層，改善軟弱圍巖的物理力學性質，在擬開挖隧道輪廓上部形成有較強承載能力的改良加固層。改良加固層剛度大整體性好，其承擔了大部分施工引起的松動荷載，所以隧道初期支護變形較無管棚加固時小，且變形較均勻。本文通過模擬計算，也驗證了加固層的存在對隧道開挖穩(wěn)定性的改善較沒有加固層要好。

(3) 管棚注漿法在處理營爾嶺隧道深埋軟弱圍巖大塌方問題上，做了一處調整，即把管棚外插角度數(shù)從常規(guī)的3°～5°，提高到22°～27°，這樣調整的目的旨在讓管棚能夠穿過塌腔，然后通過注漿使管棚超前支護與圍巖形成一個整體，這也是在處理大塌方問題上管棚優(yōu)于超前小導管和超前錨桿的一方面。

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Analysis of Deep Buried Shed Pipe Support Technology in Soft Rock Excavation

HAN Jishen, HOU Zhesheng, GU Yang

(SchoolofCivilEngineering,YantaiUniversity,Yantai,Shandong264000,China)

Shed-pipe combined with grouting technology is an advanced support technology used in soft rock excavation. Examples of a landslide of deep buried tunnel are presented in this paper. Midas GTS NX was adopted to simulate the displacement field of the surrounding rock and support structure in two conditions (without and with shed-pipe grouting). Quantitative analysis of the support effect of the shed-pipe combined with grouting technology was carried out. The results show that the deformation of the tunnel support structure can be dramatically reduced and the instability of surrounding rock can be improved. Accordingly, shed-pipe shows a considerable effect in dealing with deep buried large landslide in soft surrounding rock.

deep buried; landslide; shed-pipe; numerical simulation

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.02.016

2017-01-07

2017-02-21

U457+

A

1672—1144(2017)02—0086—06