楊忠峰

摘要：針對使用管棚支護(hù)加固高陡堆積體仰坡隧道時存在安全隱患的問題，建立超前大管棚的力學(xué)計算模型，對設(shè)計參數(shù)及施工力學(xué)行為等方面進(jìn)行了綜合探討，分析洞口開挖引起的圍巖應(yīng)力與坡表位移分布規(guī)律，探究洞口開挖施工力學(xué)行為，驗(yàn)證超前大管棚方案的可行性。結(jié)果表明：隧道洞口工程存在深厚堆積體時，采用管棚預(yù)加固措施，可起到有效的支護(hù)作用，確保隧道進(jìn)洞安全。

關(guān)鍵詞：隧道洞口；深厚堆積體；管棚加固；力學(xué)行為

中圖分類號：U455.7文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Abstract： When tunnel entrance is built in deep accumulation body， especially in high and steep slope， pipe roof support is often applied to improve the formation stability and reduce security risks. A mechanical model was built to analyze the stress and displacement distribution of surrounding rocks caused by excavation， and explore the mechanical behavior of excavation construction， and also verify the feasibility of pipe roof support. The result shows that when deep accumulation is involved in the tunnel entrance project， reinforcing with pipe roof provides effective support and safety.

Key words： tunnel entrance； deep accumulation body； pipe roof； mechanical behavior

0引言

近年來，隨著高速公路建設(shè)的飛速發(fā)展，隧道工程日趨增多。當(dāng)隧道穿越一些地質(zhì)復(fù)雜的地段，如軟弱破碎的圍巖地層、淺埋地段和高陡堆積體地段，如果處理不當(dāng)，往往易發(fā)生洞體圍巖坍塌、冒頂?shù)葹?zāi)害。實(shí)踐表明，針對這類修建于不良地質(zhì)體中的隧道工程，合理施作超前支護(hù)是確保施工安全的有效方法[13]。

對于洞口建設(shè)區(qū)段的預(yù)加固，超前管棚注漿是較為常用的一類措施。國內(nèi)外許多學(xué)者對管棚超前預(yù)支護(hù)體系做了研究[46]，認(rèn)為管棚注漿加固主要體現(xiàn)在梁效應(yīng)與圍巖受力特性增強(qiáng)兩方面，不少工程實(shí)踐也驗(yàn)證了管棚加固的合理性[79]。

高陡堆積體區(qū)段因圍巖層間粘聚力相對較低，自身穩(wěn)定安全系數(shù)較低。隧道進(jìn)出洞開挖施工時，卸荷效應(yīng)使得圍巖應(yīng)力發(fā)生顯著的重分布，甚至破壞其原有的平衡狀態(tài)，誘發(fā)仰坡滑動、坡面坍塌以及塌方等事故。管棚注漿加固措施是通過注漿形成加固圈，加之拱圈承載效果，可創(chuàng)造理想的開挖條件。

總體而言，當(dāng)前管棚加固設(shè)計主要依賴于工程類比，計算方法仍處于定性研究的階段。其原因在于對管棚注漿法加固機(jī)理及效果的分析還不夠深入；另一方面，在不同的地質(zhì)條件和開挖工況下，管棚支護(hù)原理也不盡相同[1015]。本文擬考慮高陡堆積體仰坡隧道的管棚支護(hù)設(shè)計，對管棚的受力原理、計算模型、設(shè)計參數(shù)及施工力學(xué)行為等進(jìn)行綜合探討。

1計算模型及參數(shù)的選取

高陡堆積體仰坡及管棚加固是數(shù)值模擬的關(guān)鍵。對于高陡堆積體，計算時模型左右邊界取10倍斷面開挖跨度，洞口埋深為3 m，最大埋深取30 m，如圖1所示。洞口為V級圍巖，依據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG D70/2—2004）及地勘資料，彈性模量取15 GPa，泊松比為033，重度為20 kN·m-3，黏聚力為04 MPa，內(nèi)摩擦角為24° 。

計算時，仰坡角度分別設(shè)置為40°、50°和60°，單次施工進(jìn)尺為2 m。超前管棚長30 m，弧形注漿圈厚度取0.5 m（一般取03～06 m），如圖2所示。考慮注漿加固作用，將注漿圈范圍內(nèi)圍巖力學(xué)參數(shù)提高20%～30%。

2計算結(jié)果分析

2.1無管棚支護(hù)時圍巖應(yīng)力分布特征與變形規(guī)律

以仰坡角度為40° 的工況為例，分析不同施工進(jìn)度下圍巖應(yīng)力分布特征，圖4為自重應(yīng)力場下最大主應(yīng)力分布云圖，圖5為不同進(jìn)尺下主應(yīng)力分布云圖。

分析圖4、5，得出以下結(jié)論。

（1）整體而言，當(dāng)坡角為40° 時，隧道拱頂、拱腰及拱腳部位以受壓為主，且拱腰壓應(yīng)力最大；仰拱部位由壓應(yīng)力逐步轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)力，至仰拱中心全部為拉應(yīng)力。由于拱腳處曲率過大，導(dǎo)致開挖后出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象；隨著掌子面推進(jìn)，特別是掘進(jìn)26 m后，拱腳應(yīng)力集中現(xiàn)象緩慢向拱腰部位延伸，應(yīng)力增速明顯降低，開挖至50 m時，洞口截面應(yīng)力基本不再變動。

（2）當(dāng)仰坡角逐步增大到50°或60° 時，圍巖應(yīng)力分布特征及變化過程大致相同，但應(yīng)力強(qiáng)度相應(yīng)提高。以進(jìn)尺26 m為例，40° 時洞口最大主應(yīng)力為-120 MPa，50° 時為-160 MPa，60°時為-190 MPa。

依據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，統(tǒng)計分析關(guān)鍵截面的地表沉降規(guī)律，繪制進(jìn)尺與變形曲線，如圖6所示。

總體而言，隧道開挖擾動下，洞口及邊坡前緣部分變形量大于邊坡后緣及坡頂部分，洞口最大沉降值為9 mm；距離開挖面越遠(yuǎn)，施工擾動引起的結(jié)構(gòu)沉降或圍巖變形數(shù)值越小。以坡角為40° 工況下洞口變形及坡頂斷面變形為例，進(jìn)尺2 m時，洞口斷面變形增加、速率最大；進(jìn)尺14 m時，洞口斷面變形基本不再變化。坡頂斷面變形數(shù)據(jù)發(fā)展規(guī)律相反，進(jìn)尺不足20 m時，坡頂變形量基本未增加，超過20 m時，沉降速率明顯增加，開挖至該斷面時速率最大。

隨邊坡角度的增大，洞口變形量出現(xiàn)一定程度的增加，坡角由40° 提升為50°或60° 時，洞口最終沉降量由58 mm分別增加至73 mm、90 mm；而施工擾動區(qū)域基本不變，開挖進(jìn)尺超過14 m后，施工對洞口沉降的影響基本很小。

需注意，由于計算模型軸向取60 m，與實(shí)際存在一定差異，導(dǎo)致開挖貫通后應(yīng)力突然釋放，模型計算區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)整體下沉，以致上述曲線末端出現(xiàn)一定幅度的抬升。考慮本文研究重點(diǎn)是洞口段的變形與圍巖應(yīng)力分布情況，該部分變形量較小，可忽略不計。

2.2超前管棚支護(hù)后圍巖應(yīng)力分布特征與變形規(guī)律

施作超前管棚支護(hù)后，注漿圈有效改善了洞周圍巖力學(xué)特性，結(jié)構(gòu)受力體系得到明顯改善。由于剛度較大，管棚支護(hù)圈承擔(dān)了相當(dāng)一部分頂部的松動壓力，仰拱部位應(yīng)力強(qiáng)度減小，最大壓應(yīng)力由拱腳向拱腰轉(zhuǎn)移，拱腳應(yīng)力集中現(xiàn)象消除[1618]。盡管拱腰最大壓應(yīng)力增加為-4.8 MPa，但因管棚剛度極大，應(yīng)力數(shù)值遠(yuǎn)小于其容許承載強(qiáng)度。圖7為進(jìn)尺分別為60、50 m時的圍巖最大主應(yīng)力云圖。

對計算范圍內(nèi)邊坡前緣關(guān)鍵截面變形數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果見圖8。由圖8可知以下幾點(diǎn)。

（1）施作超前管噴支護(hù)前后，隨開挖面推進(jìn)，各斷面變形分布及發(fā)展規(guī)律基本相同；但因管棚極大提高了圍巖的力學(xué)特性參數(shù)，坡體豎向位移值出現(xiàn)明顯降低。以坡度為

50° 的工況為例，進(jìn)尺4 m時，坡體底部邊緣沉降由1.59 mm降為1.04 mm，減小比例達(dá)36%。

（2）盡管坡角不同，但超前管棚支護(hù)對抑制圍巖變形的作用效果基本一樣。以坡底邊緣沉降為例，與無支護(hù)開挖工況相比，施作超前支護(hù)后，坡角為40° 的工況下地表沉降減小比例為136%，坡角變?yōu)?0°、60° 時，沉降減小比例分別為132%和131%，差異很小。

3結(jié)語

研究表明，隧道洞口工程存在深厚堆積體時，采用管棚預(yù)加固措施，可起到有效的支護(hù)作用，確保隧道進(jìn)洞安全。主要結(jié)論如下。

（1）針對修建于高度堆積體區(qū)域的隧道工程，未采取超前支護(hù)措施時，開挖擾動導(dǎo)致拱頂、拱腰處以受壓為主，仰拱處以受拉為主，拱腳部位存在明顯的壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，容易碎裂，隱患較大。

（2）高陡堆積體仰坡隧道施工時，距離開挖面越遠(yuǎn)，施工擾動對圍巖變形的影響越?。徊煌吰陆嵌认?，施工擾動區(qū)域基本相同，局限于距離洞口20 m范圍內(nèi)，超出20 m后，仰坡基本不受影響。

（3）施作超前管棚后，相當(dāng)一部分頂部松動荷載由注漿圈承擔(dān)，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力體系得到較大改善，應(yīng)力集中現(xiàn)象消除；此外，圍巖與結(jié)構(gòu)沉降出現(xiàn)10%以上的減小。

雖然本文對管棚預(yù)支護(hù)體系的力學(xué)行為及其機(jī)理進(jìn)行了分析研究，但管棚超前支護(hù)作用機(jī)理是很復(fù)雜的，仍需進(jìn)一步完善；同時，對于復(fù)雜的地質(zhì)情況，數(shù)值計算的應(yīng)用還需要實(shí)踐檢驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱國偉.高速鐵路淺埋隧道超長管棚設(shè)計方案研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2015，59（10）：8993.

[2]陳智慧.大斷面公路隧道洞口段穿越堆積體設(shè)計[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2014，58（12）：104109.

[3]洪開榮，楊朝帥，李建華.超前支護(hù)對軟巖隧道空間變形的影響分析[J].地下空間與工程學(xué)報，2014，10（2）：429433.

[4]葛文昌，史國慶.超前管棚支護(hù)技術(shù)在城市隧道施工中的應(yīng)用[J].西部探礦工程，2014，26（4）：183185.

[5]鐘放平.下穿既有公路的土江沖隧道雙層管棚設(shè)計及監(jiān)測分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)， 2007，44（4）：3640.

[6]周智勇， 陳建宏， 趙建平.淺埋暗挖隧道管棚支護(hù)機(jī)理力學(xué)分析[J].科技導(dǎo)報， 2009，27（5）：4751.

[7]趙建平.淺埋暗挖隧道管棚預(yù)支護(hù)機(jī)理及其效用研究[D].長沙：中南大學(xué)， 2005.

[8]顏離園.隧道洞口邊仰坡穩(wěn)定性分析及相關(guān)支護(hù)措施的合理性研究[D].長沙：中南大學(xué)，2010.

[9]焦廣池.大管棚逆作法在塘朗山隧道施工中的應(yīng)用[J].山西建筑， 2005（8）：198199.

[10]王海濤，賈金青，郁勝.隧道管棚預(yù)支護(hù)的力學(xué)行為及參數(shù)優(yōu)化[J].中國公路學(xué)報，2010，23（4）：7883.

[11]周順華.軟弱地層淺埋暗挖施工中管棚法的棚架原理[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24（14）：25652570.

[12]劉利琴.管棚和小導(dǎo)管在軟弱圍巖洞口段施工的運(yùn)用[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2008，18（1）：209210.

[13]董新平，周順華，胡新朋.軟弱地層開挖荷載引起管棚內(nèi)力敏感度分析[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，34（8）：10161020.

[14]董新平，周順華，胡新朋.軟弱地層管棚法施工中管棚作用空間分析[J].巖土工程學(xué)報，2006，28（7）：841846.

[15]王圣濤，陳忠求，葉曲成.張家隧道右線洞口段超前管棚設(shè)計與施工[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2002，46（4）：3435.

[16]葉超明，鄭智軍，陳小滿.拾荷隧道下穿鐵路段設(shè)計與施工技術(shù)要點(diǎn)[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報，2001，20（2）：106109.

[17]武建偉，宋衛(wèi)東.淺埋暗挖管棚超前預(yù)支護(hù)的受力分析[J].巖土工程技術(shù)，2007，21（3）：116121.

[18]周興國，高永濤，盧宏建，等.超前注漿小導(dǎo)管支護(hù)機(jī)理與效果分析[J].西安建筑科技大學(xué)學(xué)報，2012，42（4）：545549.

[責(zé)任編輯：杜衛(wèi)華]