聶建省

摘要：本文分析了超前管棚支護(hù)機(jī)理，并運(yùn)用有限元分析軟件對該隧道淺埋破碎段進(jìn)行了仿真數(shù)值模擬，分別對不采用和采用超前管棚時(shí)圍巖的位移情況、應(yīng)力變化情況進(jìn)行了模擬，定量分析了超前管棚在淺埋破碎地層中的加固效果。結(jié)果表明：超前管棚“簡支梁”支護(hù)效果明顯;采用超前管棚注漿支護(hù)能顯著抑制軟弱破碎圍巖的變形及沉降，減少隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力;CRD工法與超前管棚預(yù)支護(hù)相結(jié)合的施工方法能很好的控制圍巖變形，可大大滿足隧道的運(yùn)營安全和沉降要求。

Abstract： In view of the Jituhui railway passenger dedicated line which across the shallow buried tunnel broken section， the CRD method combined with a method of pipe-shield pre-support is adopted in the design. In this paper， the finite element analysis software is used to simulate numerical model of shallow buried tunnel broken section， the displacement and stress of surrounding rock is simulated when advanced pipe roof is used or not used， and quantitative analysis of reinforcement effect of the advanced pipe roof in shallow buried and broken formation is carried out. The results show that supporting effect of the advanced tube shed "beam" is obvious; the use of advanced pipe shed grouting support can significantly inhibit the deformation and settlement of weak broken surrounding rock and reduce the stress of the tunnel supporting structure; CRD method combined with a method of pipe-shield pre-support can control the surrounding rock deformation well and satisfy the requirement of safety and settlement of the tunnel operation.

關(guān)鍵詞：CRD工法;超前管棚預(yù)支護(hù);支護(hù)機(jī)理;數(shù)值模擬;ANSYS

Key words： CRD method;pipe-shield pre-support;the supporting mechanism;numerical simulation;ANSYS

0? 引言

破碎巖體是公路隧道工程中常見的地層條件，在類型劃分中位居穩(wěn)定性較差的III、IV、V級[1]。其自穩(wěn)性差，在隧道開挖失去支承后極易發(fā)生坍塌，圍巖自穩(wěn)時(shí)間很短或基本沒有自穩(wěn)時(shí)間，來不及完成臨時(shí)支護(hù)。如何在此類巖體中安全經(jīng)濟(jì)地施工隧道一直是工程界關(guān)注的問題之一。

工程實(shí)踐和研究表明[2]，當(dāng)隧道施工中遇到穩(wěn)定性較差的III、IV、V級圍巖、嚴(yán)重偏壓地段，尤其是隧道洞口段，圍巖自穩(wěn)能力極差，需采用超前支護(hù)工法才能順利進(jìn)行開挖。其中超前管棚法是抑制洞口、拱頂先行位移、地表面下沉，保護(hù)周邊環(huán)境的一種有效方法[3]。而采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、三臺階七步開挖法、CD工法或CRD工法可以抑制高鐵隧道這類大斷面隧道的圍巖變形。針對V級圍巖，尤以CRD工法更適合于破碎圍巖段的大斷面隧道。應(yīng)當(dāng)注意到，明確采用CRD工法超前管棚的支護(hù)時(shí)，對工程做出更為有效的指導(dǎo)是迫切和有意義的。

對此，本文首先分析超前管棚支護(hù)的機(jī)理，并結(jié)合金峰公路隧道實(shí)際采用的CRD工法與超前管棚預(yù)支護(hù)相結(jié)合的施工方法，針對隧道破碎的淺埋段施工過程，應(yīng)用有限元軟件分析及數(shù)值模擬。在考察不同施工方案后，對洞周圍巖位移及應(yīng)力在施工過程中的變化情況作出了分析，量化地評價(jià)了超前管棚支護(hù)對隧道在破碎圍巖中開挖的支護(hù)效果，將取得的經(jīng)驗(yàn)做以總結(jié)，為類似地質(zhì)條件下的隧道破碎圍巖穩(wěn)定控制提供參考和借鑒。

1? 管棚超前支護(hù)機(jī)理

管棚的超前支護(hù)原理為很好的減小了掌子面前方土體承受的壓力大小，格柵（鋼）拱架的受力降低了掌子面前方土體受力強(qiáng)度，分散了上部巖層傳來的荷載，從而保證了掌子面前方土體的穩(wěn)定。超前管棚支護(hù)機(jī)理可以從超前管棚的梁效應(yīng)和圍巖加固效應(yīng)兩方面進(jìn)行理解。

1.1 超前管棚的梁效應(yīng)

在加固圍巖時(shí)，超前管棚能形成一圈穩(wěn)固的“承載拱”，承受著拱圈外部傳來的荷載，從而很好的保護(hù)著內(nèi)部圍巖和支撐系統(tǒng)不受圈外荷載的影響，承受拱內(nèi)部圍巖和支撐系統(tǒng)只是承受因隧道向徑向發(fā)生變形而產(chǎn)生的形變壓力。即大大減小了隧道支撐系統(tǒng)所承受的上部荷載。

從另一方面來說，超前管棚還能形成“簡支梁”支護(hù)結(jié)構(gòu)（如圖1）[4]。通常情況下管棚外端加有套拱基礎(chǔ)，另一端插入到完整、堅(jiān)硬的隧道圍巖里，能很好的對破碎軟弱的上部圍巖形成穩(wěn)定支護(hù)。而兩端的支撐梁為管棚提供了“簡支梁”的彈性變形，其與管棚的撓曲變形量共同抵消了上覆地層的形變量。

1.2 圍巖加固效應(yīng)

根據(jù)普氏理論，隧道開挖對圍巖卸荷，頂部巖體破碎，塌落，形成自然拱。同時(shí)側(cè)幫及拱腳位置應(yīng)力較大，極易發(fā)生破壞。頂部巖體隨之進(jìn)一步擴(kuò)大形成塌落拱。對于圍巖破碎、淺埋的隧道而言，為防止隧道拱部冒落，進(jìn)行超前支護(hù)尤其是針對拱頂?shù)某爸ёo(hù)是有必要的。

超前管棚注漿法使用水泥、水玻璃或泡沫尿烷等材料作為漿液通過鋼管經(jīng)壁孔注入前方圍巖的縫隙或裂隙中，減少圍巖孔隙率，提高破碎巖體的整體性，使注入漿液形成支護(hù)殼體，即所謂的“承載拱”?！俺休d拱”將拱頂圍巖壓力分散，使掌子面前方巖體及支護(hù)系統(tǒng)處于免壓狀態(tài)，改善圍巖狀況，提高圍巖自穩(wěn)能力。對頂部圍巖冒落、沉降的控制效果顯著。

在隧道工程領(lǐng)域，當(dāng)遇到偏壓、地質(zhì)條件不好、需加固的洞口和淺埋地段圍巖，超前管棚注漿法能夠起到“承載拱”和“簡支梁”的雙重作用，效果明顯，從而得到了普遍的應(yīng)用[6]。

2? 工程概況

2.1 工程地質(zhì)情況

金峰隧道地處保康縣城關(guān)鎮(zhèn)，為一座高速公路分離式長隧道，植被較發(fā)育，地形起伏較大，隧道進(jìn)口位于?？悼h城關(guān)鎮(zhèn)三溪溝村，出口位于?？悼h城關(guān)鎮(zhèn)云溪溝村一組，隧道軸線方向約310°，呈南東—北西向展布，地層巖性主要為灰質(zhì)白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r夾頁巖，隧道右幅最大埋深254.2m，里程樁號YK98+650～YK101+013，全長2363m，其中Ⅴ級圍巖423m，Ⅳ級圍巖750m，Ⅲ級圍巖1190m;左幅最大埋深約264.8m，里程樁號ZK98+678～ZK101+045，全長2367m，其中Ⅴ級圍巖427m，Ⅳ級圍巖750m，Ⅲ級圍巖1190m。

2.2 超前管棚設(shè)置

金峰隧道進(jìn)出口及洞身破碎段采用超前管棚注漿加固，超前管棚由?108×6mm熱軋無縫鋼管和鋼花管組成，進(jìn)出口管棚長35m，環(huán)向間距40cm，外插角1～3°。管棚管壁上鉆孔，并呈梅花形布置其縱向、橫向間距為15cm，尾部為不鉆孔的止?jié){段110cm。

3? 動態(tài)施工仿真模擬

3.1 計(jì)算模型建立

本文采用ANSYS有限元分析軟件，并依據(jù)金峰隧道設(shè)計(jì)圖紙建立三維模型，隧道計(jì)算范圍：橫向取隧道中線兩側(cè)各50m，豎向頂端取地表，底端取隧道底部以下40m處，縱向長度取66m。三維計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示。

模型側(cè)面和底面為位移邊界，側(cè)面和地面分別施加水平位移約束和固定約束以限制水平方向位移和豎向位移，模型上部采用自由邊界，不限制位移。

計(jì)算中，巖石、土體均采用均質(zhì)彈塑性模型，符合Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，巖土單元使用SOLID45單元模擬，初期支護(hù)和中橫支撐采用彈性模型，使用SHELL181單元模擬，模型不考慮構(gòu)造應(yīng)力，其主要荷載為初始地應(yīng)力，采用自重應(yīng)力計(jì)算迭代。根據(jù)實(shí)際情況，圍巖等材料參數(shù)按照勘察報(bào)告依據(jù)表1選取。

3.2 CRD工法施工過程控制

金峰隧道進(jìn)出口段采用CRD法開挖，施工作業(yè)程序如圖4所示，施工要點(diǎn)為：采用超前管棚注漿預(yù)支護(hù);開挖隧道上層的一側(cè)，施做中隔壁后再施做隧道的另一側(cè)，及時(shí)封閉掌子面;開挖時(shí)，同層左、右兩側(cè)縱向錯(cuò)開9m，同側(cè)上、下縱向錯(cuò)開15m;開挖循環(huán)進(jìn)尺不宜大于初期支護(hù)鋼架設(shè)計(jì)的間距。鋼架的縱向連接鋼筋應(yīng)及時(shí)施做，并封閉成環(huán);逐段拆除靠近已完成二次襯砌6-8m，范圍內(nèi)中隔壁底部鋼架;管棚長度35m，搭接4m。

3.3 模擬方法及施工方案

3.3.1 初始地應(yīng)力模擬

在數(shù)值模擬中，僅考慮由重力引起的圍巖初始應(yīng)力，忽略構(gòu)造應(yīng)力的影響。計(jì)算中，取重力加速度9.8m/s2，參照表1將圍巖力學(xué)參數(shù)賦值給計(jì)算模型，按彈塑性求解。

3.3.2 超前管棚注漿支護(hù)模擬

實(shí)際施工中，首先設(shè)置導(dǎo)向墻和導(dǎo)洞，然后通過導(dǎo)洞進(jìn)行鉆孔，最后插入鋼管進(jìn)行注漿。由于數(shù)值計(jì)算對超前管棚的實(shí)際施工過程很難進(jìn)行模擬，并且超前管棚的施作對圍巖的擾動遠(yuǎn)低于隧道開挖時(shí)的影響，因此數(shù)值模擬對超前管棚的施作進(jìn)行了簡化處理，超前管棚按等效方法。

3.3.3 施工方案

分別按照超前管棚支護(hù)的有無兩種施工方案進(jìn)行數(shù)值模擬，以便將結(jié)果分析對比，得到超前管棚的支護(hù)效果：

方案一：無預(yù)支護(hù)，圍巖注漿區(qū)與所在區(qū)域圍巖參數(shù)保持一致。

方案二：超前管棚支護(hù)，圍巖注漿區(qū)注漿后力學(xué)參數(shù)變化參照表1。

3.4 管棚預(yù)支護(hù)效果分析

3.4.1 施工方案數(shù)值分析

①無超前管棚支護(hù)的施工方案模擬

在無超前管棚支護(hù)，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出CRD法開挖后豎向位移，如圖5（a）所示。開挖完成后，隧道圍巖豎向位移與應(yīng)力基本呈對稱分布。隨著隧道的開挖，隧道掌子面卸載形成低應(yīng)力區(qū)，在拱腳處出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)。由于該方案未采用超前管棚支護(hù)，隧道開挖引起圍巖變形量較大。隧道的豎向位移最大值出現(xiàn)在拱頂處，約4.62cm;仰拱處底鼓量約2.79cm;水平位移最大值出現(xiàn)在側(cè)墻處，約1.27cm。地面沉降達(dá)3.67cm，沉降影響范圍約3倍洞徑。

②采用超前管棚支護(hù)的施工方案模擬

當(dāng)對隧道開挖施作超前管棚支護(hù)時(shí)，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，得出CRD法開挖后豎向位移，如圖5（b）所示。開挖完成后，隧道圍巖豎向位移與應(yīng)力基本呈對稱分布。隧道的豎向位移最大值仍然出現(xiàn)在拱頂處，約2.68cm;仰拱處底鼓量約2.89cm;水平位移最大值出現(xiàn)在側(cè)墻處，約0.66cm。地面沉降約2.13cm，沉降影響范圍約1.5倍洞徑。

3.4.2 位移結(jié)果對比分析

由圖6可見，采用和不采用超前管棚兩種方案下，橫斷面地表沉降呈現(xiàn)相同的沉降槽形式，但超前管棚支護(hù)方案使地表最大沉降減少了1.9cm，約49%;由表2可見，采用超前管棚支護(hù)方案，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)變形量分別降低了42%和48%。由此可見，超前管棚注漿支護(hù)對圍巖加固效果明顯，有效減少了圍巖變形，保證了隧道圍巖穩(wěn)定性。

3.4.3 應(yīng)力結(jié)果對比分析

隧道的開挖打亂了圍巖初始應(yīng)力情況，使其應(yīng)力重新得到分布，應(yīng)力變化集中在隧道仰拱處、拱腳處，而應(yīng)力的變化直接引起隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，嚴(yán)重時(shí)可以導(dǎo)致隧道圍巖失穩(wěn)，威脅隧道的安全。通過對比分析隧道采用和不采用超前管棚支護(hù)時(shí)的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖（圖7、圖8），從而了解隧道超前管棚支護(hù)的效果。

由表3，對比兩種方案可以看出，最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力在施作超前管棚注漿支護(hù)時(shí)均較無預(yù)支護(hù)時(shí)有所減小。尤其是拱頂部位，由于管棚注漿區(qū)域的支護(hù)作用，使拱頂部位的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分別下降了92%和80%，拱頂支護(hù)基本處于免壓狀態(tài)。拱腳處應(yīng)力僅有部分下降，施工中應(yīng)避免拱腳處的破壞。拱頂中隔壁兩側(cè)的應(yīng)力集中區(qū)得到了有效的擴(kuò)散，應(yīng)力分布趨于均勻，超前管棚注漿支護(hù)的“承載拱”效應(yīng)明顯?？梢姵肮芘镒{通過注漿填充圍巖的裂隙和裂縫以提高圍巖的整體性，增大了圍巖的剛度，提高了圍巖的自承能力。

4? 結(jié)論

①由超前管棚支護(hù)機(jī)理分析知，超前管棚自身的受力特點(diǎn)類似于“簡支梁”的支撐效果，配合注漿，形成了支護(hù)“承載拱”。能夠有效加固拱頂圍巖，改善圍巖狀況，適用于松散、破碎地層及洞門開挖的超前支護(hù)。

②由計(jì)算模型對比無超前支護(hù)方案和超前管棚方案分析知，采用超前管棚方案時(shí)圍巖位移降低了40%以上;隧道開挖引起的圍巖應(yīng)力也有所降低，尤其拱頂位置，應(yīng)力降低了80%以上?？梢?，通過超前管棚注漿支護(hù)的區(qū)域，圍巖剛度增大，自承能力顯著提升，位移收斂得到有效抑制，充分發(fā)揮了超前管棚支護(hù)的“承載拱”效應(yīng)。

③超前管棚注漿支護(hù)能很好的減小軟弱破碎圍巖的形變和下沉量，降低隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力。超前管棚注漿支護(hù)法適用于隧道淺埋段、洞口段及節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖土力學(xué)性質(zhì)和整體穩(wěn)定性差，地下水發(fā)育，易發(fā)生坍塌、突水、突泥現(xiàn)象等各種軟弱破碎圍巖。

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