沙质黄土隧道支护侵限段迈式管棚超前支护技术有效性分析

(中铁十二局集团 第二工程有限公司，山西 太原 030032)

0 引言

风积沙质黄土是以沙性土为主的土，施工中这种土质易于发生坍塌。沙质黄土围岩的有各向异性、强度低、松散等力学特性，直接影响到隧道开挖后掌子面的稳定性。如果施工后的围岩应力大于黄土直立方向的强度，就会造成开挖工作面的失稳；如遇湿陷性黄土时，含水量超过一定值或者遇水后会产生很大的“沉陷”变形和承载能力的丧失。工程实践证实，隧道侧壁及拱脚处的应力集中过大，要求较大的地基承载力，而沙质黄土隧道的侧壁及拱脚处承载力不足，是造成隧道塌方的重要原因之一。此外由于沙质黄土隧道的土压力分布极不平衡，一般呈马鞍形分布，而在浅埋的场合，由于不能发挥成拱作用，在这种情况下不是出现很大的松弛压力，就是出现整体下沉的现象。总之，目前在风积沙质黄土隧道施工中极易出现拱顶下沉，边墙下塌、收敛、侵限、喷射混凝土剥落，支护钢拱架扭曲变形、锁脚锚管切断，地表出现多条横、纵向裂缝等施工现象[1-3]。

采用有限元差分软件FLAC3D对风积沙质黄土隧道坍塌体工作面超前支护技术进行分析研究，工程技术措施和研究成果对同类工程具有一定的参考和借鉴意义。

1 隧道侵限情况概述

准池铁路朔州隧道进口DK128+832～DK128+856是浅埋偏压风积沙质黄土段，洞顶覆盖层厚28～30 m，衬砌设计断面如图1所示。在施工到DK128+856上导初期支护完成24 h后，拱顶出现塌陷、下沉见图2；中导DK128+832～DK128+849段喷射混凝土剥落、开裂、下塌变形且侵限；下导DK128+832～DK128+841.6初支开裂、变形且下沉；地表出现多条横、纵向裂缝，范围超前，地表最大裂缝宽度12 cm。监控量测结果表明，拱顶最大下沉89 cm，最小下沉62 cm；左侧边墙最大下塌104 cm、收敛侵限5.1 cm，右侧边墙下沉80 cm，收敛侵限1.2 cm。初期支护钢拱架发生严重扭曲变形见图3所示，锁脚锚管切断，有塌方冒顶前兆。

图1 衬砌设计断面(单位：cm)

图2 拱顶塌陷下沉 图3 喷混凝土剥落、钢拱架扭曲变形

为了防止隧道发生更大的坍塌，立即采取喷锚封闭掌子面，拉渣回填洞室并封闭。然后采用迈式管棚超前支护技术对初支进行拆换，侵限段支护拆换施工变形得到了很好的控制[4]。

2 模型建立及参数选取

2.1 模型建立

采用三维有限差分元模型，计算范围左右各取40 m，仰拱下取为40 m，拱顶以上覆土厚度按照实际埋深取为30 m，依据实际工程情况，纵向取30 m。边界约束为前后左右边界施加相应方向的水平位移约束，下边界施加竖向位移约束，上边界为自由面。地层采用摩尔-库仑准则，喷混凝土采用实体弹性单元，钢支撑暂没单独予以考虑，而将其刚度等效转换到喷混凝土中，超前迈式管棚及其注浆加固考虑为带有一定厚度的壳体，用shell单元模拟，系统锚杆及锁脚锚杆采用cable单元模拟，采用位于节点处的弹簧—滑块系统描述水泥砂浆加固圈的剪切行为，计算模型如图4、图5所示。为了消除三维边界效应影响，取整个模型的中间断面进行分析[5]。

图4 模型细部网格划分 图5 径向和超前迈式管棚模型

2.2 参数选取

初期支护采用25 cm厚，C25喷混凝土；径向迈式锚杆长度在上、中台阶7.5 m，下台阶6.0 m环向间距均为1.0 m，水平间距为0.4 m；钢架采用I25b型钢钢架，纵向间距0.4 m/榀。超前支护在隧道拱顶180°范围内双层布设迈式管棚，直径Φ51 mm，长7.5 m，环向间距20 cm，纵向搭接2.5 m，仰角控制在10°～15°，锚管内注水泥浆。

依据对沙质黄土参数试算可知，支护位移远未达到此施工段支护的实际位移，且在施工过程中仅30 m长度范围内出现侵限情况，推知此段地质参数可能较差，故依据现场位移情况，先假定泊松比为0.45，采用二分法推演现场围岩的弹性模量、内聚力、摩擦角，参照实际施工位移，反演寻求最接近施工实际的围岩参数。试算所取沙质黄土围岩参数及经反演计算确定的侵限段沙质黄土围岩、初期支护、超前支护计算力学参数如表1所示。

表1 计算力学参数材料类型容重/(kN·m-3)弹性模量/MPa泊松比内聚力/kPa内摩擦角/(°)沙质黄土 15.51200.3550.326.1侵限段沙质黄土15.5450.4520.011.5初期支护 22.029 5000.20——超前管棚加固区17.04500.25200.030.0

3 迈式管棚施作有效性分析

3.1 位移控制

3.1.1 地表沉降控制

地表沉降是描述施工有效性的一个重要指标，利用迈式管棚超前支护拆换初支时各施工步序引起的地表沉降曲线如图6所示。

图6 各主要施工步序引起地表沉降曲线图

由图6可以看出，引起较大地表沉降的主要施工步骤是下台阶开挖至考察断面和隧道挖通。当上台阶开挖至考察断面时，由于上部土体的开挖，使围岩压力开始释放，致使地表产生沉降，但是由于超前迈式管棚的支护作用，最大地表沉降仅为5.1 mm；而当隧道开挖完成且初支成环后，初支形成了较好的受力体系，但由于围岩为风积沙质黄土，地基承载能力很差，上部围岩压力可能会使整个初支下陷，致使产生较大的地表沉降，施工完成后最大地表沉降达到11.4 mm。

3.1.2 初支变形控制

初期支护的拱顶沉降及水平收敛随开挖步的变化如图7、图8所示。

由图7和图8可以看出，拱顶下沉主要由上中台阶开挖引起，水平收敛主要由中台阶开挖引起，最大拱顶沉降为30.4 mm，水平收敛为48.5 mm，均远远小于未做特殊支护时的位移，说明迈式超前管棚及迈式锚杆对控制支护位移效果明显。

图7 拱顶沉降随施工步的变化曲线 图8 水平收敛随施工步的变化曲线

3.2 塑性区分布

隧道开挖过程中围岩塑性区的分布变化如图9所示。

图9 围岩塑性区分布图

由图9可以看出，上台阶开挖后由于超前迈式管棚的保护作用，隧道拱顶、拱腰处并未出现塑性区，仅仅在中台阶处出现小范围的塑性区，即超前迈式管棚对围岩有支撑作用，减少了开挖对围岩的扰动；中台阶开挖后，塑性区在隧道周围出现，但是范围依旧较小，当下台阶开挖后，塑性区开始大面积出现，主要出现在边墙及仰拱下方，且施做7.5 m的径向迈式锚杆处的塑性区较施做6 m的径向迈式锚杆的塑性区要小。由于隧道所处围岩为风积沙质黄土，承载能力很差，如果隧道基底处出现大面积的塑性区，可能会导致隧道整体下沉，影响施工安全，施工时建议加强基地承载力。

3.3 径向锚杆轴力

隧道施工过程中径向迈式锚杆轴力的分布变化如图10～图12所示。

图10 上台阶开挖后锚杆轴力 图11 中台阶开挖后锚杆轴力

由图10～图12可以看出，径向迈式锚杆轴力随开挖逐渐增加，上中台阶处锚杆主要受拉，下台阶处锚杆主要受压，且上台阶处锚杆受拉加大，开挖完成后最大锚杆轴力为103.5 kN。中台阶的锚杆受拉力较小，但是在中下台阶相交处的锚杆(锁脚锚杆)受力也较大。下台阶处锚杆受压为主，说明上中台阶发挥了较大的作用，而下台阶锚杆作用不大。

4 结论

通过对施做迈式管棚超前支护以及径向迈式锚杆隧道开挖全过程数值模拟，分析其地表沉降、支护位移、塑性区发展及径向锚杆受力情况，得出如下主要结论：

(1)该超前支护技术可有效控制地表沉降，但是由于围岩承载能力很差，隧道支护成环后，可能会使隧道整体下沉，从而影响地表沉降。此外该工法还可以有效控制支护位移，确保施工安全。

(2)超前迈式大管棚可以有效支撑拱顶部位围岩，减少围岩受施工期间的扰动。7.5 m的径向迈式锚杆能够有效发挥锚杆对围岩的加固作用，抑制围岩塑形区的发展。

(3)隧道施工完成后，隧道仰拱下部出现大面积塑形区，由于围岩承载能力很差，如若产生较大范围塑性区，极易使隧道整体下沉，危及施工安全。

(4)下台阶处的径向迈式锚杆(长为6 m)以受压为主，说明此处锚杆对围岩的加固作用不显著。

综上所述，迈式管棚超前支护结合迈式径向锚杆可以有效控制支护及围岩变形，但是由于围岩条件极差，且围岩承载能力极差，故建议施工过程中适当加固隧底基础，保证隧道基底的承载能力。

参 考 文 献

[1]李凤翔.深埋软弱围岩隧道施工时空效应及大变形控制研究[D].长沙：中南大学土木工程学院，2012.

[2]安刘生.隧道洞口施工地表预加固技术及应用[J].北京工业大学学报：2007，33(3)：278-282.

[3]万云.青兰高速公路鼓山隧道施工技术[J]. 石家庄铁道大学学报：自然科学版，2011，24(3)：65-68.

[4]胡芝智.大管棚超前支护在浅埋隧道洞口施工中的应用[J]. 山西建筑：2010，36(22)：336-337.

[5]赵勇.隧道软弱围变形机制与控制技术研究[D]. 北京：北京交通大学土木工程学院，2012.