管棚支護(hù)作用機(jī)理及數(shù)值分析

李世琦

(西南交通大學(xué)，四川成都 610031)

管棚作為隧道施工中常用的超前預(yù)支護(hù)工法，能有效地防止掌子面破壞和限制圍巖變形，主要應(yīng)用于隧道洞口施工和穿越軟弱地層、松散帶、破碎帶、涌水、涌砂等地段時(shí)，預(yù)防冒頂事故、控制地表沉降等，為隧道施工提供安全保障，被視為實(shí)用、高效、方便的隧道施工輔助工法之一。近年來，管棚被廣泛運(yùn)用于淺埋暗挖城市地鐵、下穿隧道、近接施工等對(duì)變形、沉降敏感的復(fù)雜工程中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)管棚的作用機(jī)理、加固效果等進(jìn)行了深入的理論、數(shù)值模擬、實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)研究[1-9]，其中楊光[1]介紹了大管棚超前注漿支護(hù)的作用和原理以及大管棚超前注漿支護(hù)的施工工藝；王道遠(yuǎn)[2]根據(jù)Pasternak地基梁與Winkler彈性地基梁理論建立了力學(xué)模型從解析的角度分析了管棚的受力機(jī)制并據(jù)此預(yù)測(cè)了洞口管棚變形；孫志杰[3]建立了考慮管棚預(yù)加固效應(yīng)的FLAC3D三維有限差分?jǐn)?shù)值仿真模型，利用管棚整體剛度等效的方法模擬分析了隧道洞口段管棚支護(hù)體系對(duì)地層穩(wěn)定的控制效果進(jìn)行；滿帥[4]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究了淺埋偏壓洞口加固效果。

然則，管棚作用機(jī)理的理論研究?jī)H考慮單根管棚情況下的作用，而未考慮管棚的棚架效應(yīng)，與實(shí)際情況有出入[10]。在數(shù)值模擬研究中，則多采用等效剛度理論[11]，提高管棚加固區(qū)圍巖土體參數(shù)的方法來近似模擬管棚功能，無法準(zhǔn)確體現(xiàn)管棚受力特性與加固效果。針對(duì)上述問題，本文結(jié)合某高速公路隧道，采用FLAC3D有限差分軟件建立了實(shí)體管棚三維彈塑性數(shù)值模擬模型，分析了管棚超前支護(hù)體系對(duì)隧道洞口段開挖時(shí)，管棚受力變形特性以及控制圍巖穩(wěn)定的效果，結(jié)果可為同類工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 管棚支護(hù)作用機(jī)理力學(xué)模型

單根管棚在隧道洞口施工時(shí)的支護(hù)作用機(jī)理可用圖1表示，管棚在隧道洞口端有混凝土套拱固定，可視為固端，其余部分沿隧道開挖方向可以分為3個(gè)區(qū)段：已開挖支護(hù)段、已開挖未支護(hù)段、未開挖段。由于隧道洞口圍巖自承力差，可以不考慮其承載力，故上覆巖土體對(duì)管棚的作用力為重力q(x)。已開挖支護(hù)段中初期支護(hù)鋼架以一定剛度的彈簧表示，已開挖未支護(hù)段無承載力，未開挖段巖土體產(chǎn)生彈性抗力p(x)。

圖1 單根管棚支護(hù)作用機(jī)理

而分析管棚體系支護(hù)作用機(jī)理時(shí)，需充分考慮通過鋼管向周邊圍巖注漿形成的如圖2所示圍巖加固區(qū)，加固區(qū)與管棚一同起到“承載拱”的作用，在隧道開挖后承載上部圍巖重量，使拱上圍巖保持穩(wěn)定，拱內(nèi)部圍巖與支護(hù)系統(tǒng)所受的上部荷載大幅減小，保障隧道安全進(jìn)洞。而這種支護(hù)作用機(jī)理難以通過建立簡(jiǎn)單的力學(xué)模型計(jì)算，故通過建立實(shí)體管棚三維數(shù)值模型分析管棚加固效果和管棚受力變形特性。

圖2 管棚注漿圍巖加固區(qū)

2 實(shí)體管棚三維數(shù)值模型的建立

某高速公路隧道，洞口第四系覆蓋層較厚，下伏強(qiáng)風(fēng)化砂巖，巖質(zhì)較軟，巖體破碎。隧道洞口從第四系覆蓋層穿過，覆土厚度22.75 m，土體自穩(wěn)能力差開挖后不及時(shí)支護(hù)易坍塌，對(duì)隧道進(jìn)洞造成了很大的困難，因此必須采用超前支護(hù)的措施進(jìn)洞。根據(jù)地質(zhì)條件，在洞口采用型號(hào)為108 mm×8 mm，長(zhǎng)度為18 m，環(huán)向間距為0.25 m，布置范圍為拱部180 °，注漿加固區(qū)厚度為0.7 m的管棚超前支護(hù)體系輔助進(jìn)洞。

參考國(guó)內(nèi)外目前的研究現(xiàn)狀[12-15]，考慮采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，其中：土體視為均勻彈塑性材料，采用Mohr-Coulomb實(shí)體單元模擬；初期支護(hù)為鋼架+鋼筋網(wǎng)+噴射混凝土，用shell結(jié)構(gòu)單元模擬，其材料參數(shù)按抗彎剛度等效方法計(jì)算；管棚及注漿材料采用Elastic實(shí)體單元模擬。圍巖和初期支護(hù)的力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 圍巖和初期支護(hù)的力學(xué)參數(shù)

數(shù)值模型的尺寸為66.5 m×87.5 m×30 m(長(zhǎng)×高×寬)，模型共劃分為212 346個(gè)單元和175 923個(gè)節(jié)點(diǎn)(圖3、圖4)。模型上表面為自由邊界，并限制側(cè)面及底面的法向位移。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型

圖4 實(shí)體管棚細(xì)部

假定圍巖為均質(zhì)的，且不考慮巖土體的蠕變效應(yīng)和地下水的影響。因本次研究的是隧道施工期的安全性，故只對(duì)初期支護(hù)進(jìn)行模擬。隧道施工采用短臺(tái)階法開挖，開挖進(jìn)尺為1.75 m，臺(tái)階長(zhǎng)度為7 m，開挖示意如圖5所示。

圖5 開挖示意

3 管棚加固效果與受力變形分析

3.1 圍巖穩(wěn)定情況

FLAC3D中圍巖塑性區(qū)的判別是根據(jù)單元的應(yīng)力狀態(tài)是否達(dá)到強(qiáng)度包絡(luò)線。處于塑性區(qū)的單元應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到強(qiáng)度包線，進(jìn)入塑性狀態(tài)，承載力下降且產(chǎn)生不可逆的塑性變形。通過比較施加管棚與不施加管棚兩種工況下圍巖塑性區(qū)范圍的大小，可以直觀看出管棚的加固效果。如圖6、圖7所示，施加管棚情況相比不施加管棚情況幾乎不產(chǎn)生塑性區(qū)。

為了定量化研究管棚的支護(hù)加固效果，提取施加管棚與不施加管棚兩種工況下隧道拱頂沉降如圖8和圖9。無管棚情況下隧道拱頂沉降值47.6 mm，無管棚情況下隧道拱頂沉降值24.2 mm，減小了49.2 %，說明管棚超前支護(hù)能有效控制圍巖變形，保持隧道穩(wěn)定。

圖6 圍巖塑性區(qū)(無管棚)

圖7 圍巖塑性區(qū)(有管棚)

圖8 拱頂沉降(無管棚)

圖9 拱頂沉降(有管棚)

3.2 管棚受力變形特性

圖10為管棚在隧道開挖至管棚端部時(shí)的變形圖(半透明部分為初始管棚)：拱部處管棚呈現(xiàn)出如圖11所示變形特征[4]，這與Winkler彈性地基梁理論力學(xué)模型計(jì)算得到的撓度曲線規(guī)律是相同的，管棚最大變形為23.0 mm；拱腰處管棚受側(cè)向壓力往隧道內(nèi)偏移；拱肩處管棚變形相對(duì)較小，沒有明顯的向隧道內(nèi)部變形。

圖10 管棚變形

圖11 拱部單根管棚沉降曲線

4 結(jié)論

運(yùn)用FLAC3D有限差分軟件建立實(shí)體管棚三維數(shù)值模型，模擬了有無管棚超前支護(hù)情況下隧道洞口的開挖，算得管棚受力變形特性和圍巖穩(wěn)定情況，并對(duì)比分析了管棚的加固效果，得到以下主要結(jié)論：

(1)管棚支護(hù)狀態(tài)下，圍巖應(yīng)力大幅下降，塑性區(qū)顯著減小甚至不產(chǎn)生塑性區(qū)，增強(qiáng)了圍巖穩(wěn)定性。

(2)管棚支護(hù)狀態(tài)下，隧道拱頂沉降減少了49.2 %，對(duì)淺埋軟弱圍巖隧道洞口段施工開挖安全提供了有力的保障。

(3)建立實(shí)體管棚三維數(shù)值模型模擬隧道洞口的開挖，獲得了管棚體系受力變形特性，其研究成果可為管棚建模數(shù)值模擬及計(jì)算設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。