深埋隧道软弱围岩管棚处理效果研究

韩吉，侯哲生，顾 洋

(烟台大学 土木工程学院， 山东 烟台 264000)

深埋隧道软弱围岩管棚处理效果研究

(烟台大学 土木工程学院， 山东 烟台 264000)

管棚注浆法是软弱围岩开挖通常采用的一种超前支护技术。以某隧道深埋段塌方为例，通过MIDAS/GTSNX模拟了采用管棚注浆预加固和不采用预加固时围岩的变形情况。定量分析了管棚注浆法的加固效果，说明采用管棚注浆法能有效减少初期支护的变形，改善围岩失稳情况，因此管棚在处理深埋大塌方及在软弱围岩施工中有显著作用。

深埋；塌方；管棚；数值模拟

近年来，随着我国基础设施建设规模的不断扩大，公路隧道工程也呈现出蓬勃发展的趋势，而且随着发展的需要以及技术的提高，隧道工程渐渐显现“多、长、大、深”的特点，大量深埋长大公路隧道应运而生[1-3]。在隧道工程的建设中也就不可避免的会出现一些地质问题，软弱围岩塌方就是其中最常见最典型的地质问题之一。

管棚注浆法以其施工快、安全性高、不需要大型器械设备等优点被广泛应用于隧道软弱围岩加固及大塌方处理[4-7]。目前，国内外对管棚做了一些研究及应用[8-10]，但是多应用于隧道浅埋段，对于深埋软弱围岩管棚注浆加固效果的研究较为缺乏。且管棚施工多依赖于经验，对其注浆加固效果的研究不够深入。本文以某工程实例分析管棚注浆法在深埋隧道软弱围岩塌方处理中的效果。

1 工程概况

1.1 隧道概况

该隧道为一座上、下行分离的六车道高速公路特长隧道，隧道左线起讫桩号ZK99+535—ZK105+191，全长5 656 m；隧道右线起讫桩号YK99+523—YK105+200.3，全长5 677.3 m。

1.2 原设计情况

该隧道YK104+242为隧道出口右洞洞身段，埋深150 m。隧道拱部为侏罗系中统的中至微风化安山岩，岩体较完整至完整。围岩自稳能力较差，数日或数月内可发生松动变形或小塌方，埋深大，以挤压破坏为主，该段围岩洞内地下出水状为滴水状。BQ/[BQ]：345/295，围岩纵波速：3 214 m/s～4 677 m/s。该塌方段原设计为Ⅳ级围岩，距已经施工完成的Ⅴ级分界线(YK104+283)过去41 m。采用S4b复合衬砌支护(如图1所示)，工法采用上下台阶留核心土法(如图2所示)，施工步骤：① 开挖上台阶；② 上台阶拱部初期支护；③ 开挖下台阶两侧；④ 下半断面边墙初期支护；⑤ 预留核心土开挖及仰拱二次衬砌混凝土浇筑；⑥ 仰拱回填。

图1 隧道S4b复合衬砌示意图

图2 台阶法示意图

2 塌方描述及处理措施

2.1 塌方描述

隧道右洞掌子面YK104+242处，在初期支护完成后，开挖班组准备打钻时，带班人员发现面向掌子面左侧距离作业地坪大概2 m左右的位置岩石开始滑动并且伴随大量碎石涌出。带班人员及时将开挖班所有人员全部撤离。随后通知施工队长及管理人员到现场，同带班人员观察情况，发现碎石一直向掌子面前进方向塌方6 m～7 m左右，然后开始扩散，一直扩散到拱顶，再由拱顶向左侧扩散。左侧大面积塌方后纵向延伸到6 m～7 m，同时向右侧蔓延。碎石由里向外涌出，将右侧掌子面原有岩体全部顶出，砸坏四榀已经支护好的初期支护拱架，开挖台车被压入碎石中。图3中显示的是此次连续塌方刚开始时的围岩坍塌情况，此后一段时间内塌方逐渐扩大。

图3 塌方实拍照片

2.2 塌方初步处理

隧道桩号YK104+242掌子面围岩极破碎，整体岩体呈中风化至强风化状态，拱顶有大量碎石涌出。因掌子面拱顶岩石持续坍塌，所以当务之急要对掌子面做应急加固处理，首先封闭掌子面，阻止其继续坍塌以影响下一步塌方处理及隧道施工。然后加密沉降观测点，对初支进行每小时跟踪测量。从沉降观测反应可以看出距离塌方体27 m位置的4号点沉降1 cm多后趋于平稳，距离塌方体13 m位置内的3处沉降点有明显变化，其中1号点后期由于拱架压垮后被毁坏，如图4所示。

图4 拱顶沉降值变化曲线(单位：mm)

2.3 管棚处理

因沉降量较大，洞内作业环境存在较大安全隐患，以及当地已逐级进入多雨季节等多个因素综合考虑，制定处理此次塌方的方案如下：

地暖采用不用热源时，其运行费用到底如何，我们以一个20KW的采暖系统为例，分别采用空气源热泵和燃气炉系统分析如表1。

(1) 在掌子面YK104+242处往后20 m范围内架设临时I18钢子钢拱架，间距1 m，为处理塌方体的作业人员提供一个安全的作业环境(如图5所示)。

图5 临时钢拱架实拍图

(2) 采用4 cm厚C25喷射混凝土封闭坍塌体以及掌子面，塌方体采用注浆小导管预加固。

(3) 采用自进式管棚进行塌方体处理及掌子面向前施工时的超前支护。管棚材料采用直径为108 mm，壁厚8 mm，长度20 m，环向间距30 cm，角度22°～27°。先施工第一环管棚，管棚安装完毕后，将钢筋笼送入管棚内部然后注浆。钢筋笼由4根Φ22螺纹钢焊接而成，长度按照管棚长度来制作。第一环自进式管棚成型后开始开挖进洞，初期支护按照Ⅴ级围岩的支护参数进行支护。进尺到第一环自进式管棚的一半处，即10 m部位时，扩大开挖断面，将拱架半径扩大80 cm，然后进行喷锚，给第二环管棚施工提供了作业平台。第二环管棚角度调整到5°～8°。第一环和第二环形成了双层支护。同时在管棚管间距内增加注浆小导管超前支护施工，确保拱部塌方的注浆加固效果。管棚支护的示意图如图6和图7所示，管棚施工情况如图8～图10所示。

图6 管棚横断面示意图

图7 管棚纵断面示意图

图8 第一环管棚施工实拍图

图9 第二环管棚施工实拍图

图10 第二环管棚实拍图

3 管棚支护数值模拟

3.1 建立模型

根据营尔岭隧道桩号YK104+242的地质模型，运用MIDAS/GTS NX岩土与隧道有限元分析软件建立了三维隧道计算模型，如图11所示。

图11 有限元计算模型

计算模型边界范围：横向(X方向)取120 m，竖向(Z方向)下部边界取距离隧道底面50 m，上部边界取距离隧道拱顶70 m。纵向(Y方向)取30 m。计算模型约束条件：顶部施加等效荷载，下部边界完全约束，两侧边界水平位移约束。隧道围岩材料模型取匀质弹塑性模型，采用Mohr-Coulomb 准则，初期支护结构均按弹性模型计算。

管棚支护效果通常采用合理增强隧道上方一定厚度围岩的物理力学参数来等效分析以达到研究目的。管棚等效加固区厚度取9 m，其弹性模量的取值是把管棚弹性模量折算给围岩。按文献[11]中钢管混凝土刚度的计算方法对管棚换算弹性模量进行计算。计算公式如式(1)所示：

(1)

式中：Eg为管棚换算弹性模量；Es为钢管弹性模量；Ec为砂浆弹性模量；Is钢管惯性矩；Ic砂浆惯性矩。

(2)

式中：E为折算后的管棚等效加固区的弹性模量；Eg为注浆管棚的换算弹性模量；E0为原岩土层的弹性模量；S为管棚等效加固区截面积；Sg为注浆管棚截面积。

岩土层和各结构材料其他参数参照《公路隧道设计规范》[14](JTGD70-2004)及《公路隧道设计细则》[15](JTG/TD70-2010)确定，如表1所示。

表1 计算参数

3.2 数值模拟结果与分析

为了对管棚注浆加固效果进行定量研究，本文模拟了采用管棚注浆预加固和不采用预加固时隧道上部围岩塑性区分布情况和围岩的变形情况。

3.2.1 塑性区分布

隧道开挖在无预加固和采用管棚注浆预加固两种情况下拱顶上部围岩塑性区分布情况如图12所示。

图12 塑性区分布

由图12可知，没有进行预加固的情况下隧道拱顶上部围岩塑性区分布范围较大，竖向厚度为5m～7m，而采用管棚注浆加固后塑性区分布范围明显减小，竖向厚度为2m～3m，且仅分布在隧道两侧起拱线位置附近。原先的拱顶大范围坍塌破坏变成现在拱肩位置小范围破坏，增强了隧道稳定性。

3.2.2 深埋隧道围岩变形情况分析

在评价管棚支护对塌方处理及隧道围岩稳定性时，隧道Z向(竖向)及X向(横向)的位移值是重要的参考指标(见图13、图14)。

由图13可知，无预支护时隧道开挖后最大竖向位移值为31.9 mm，发生在隧道拱顶位置。最大水平位移为41.6 mm，发生在隧道两侧对称分布。

图13 无预支护时的位移云图(单位：m)

图14 管棚注浆支护时的位移云图(单位：m)

由图14可知，采用管棚注浆支护后其最大竖向位移值为18.4 mm，同样发生在隧道拱顶位置，且拱顶变形较均匀，沉降值相比无预支护时的沉降值减小了42.3%。最大水平位移为38.1 mm，同样发生在隧道两侧对称分布，相对于无预支护时减小了8.4%。

3.2.3 开挖过程中对掌子面前方扰动分析

图13和图14描述的是所有施工步骤全部结束后的围岩位移分布图，而在隧道开挖过程中，已开挖部分拱顶的沉降变形及未开挖部分拱顶的预沉降变形情况也是需要考虑的部分(如图15所示)。

通过图15可知，通过管棚注浆支护的作用，在开挖过程中，拱顶的收敛值将大大小于未设置预支护时的值。四个开挖时段掌子面拱顶位移分别为：开挖6 m时，12.43 mm(无预支护)、6.17 mm(管棚注浆支护)；开挖12 m时，11.77 mm(无预支护)、6.97 mm(管棚注浆支护)；开挖18 m时，17.24 mm(无预支护)、9.99 mm(管棚注浆支护)；开挖24 m时，15.43 mm(无预支护)、10.32 mm(管棚注浆支护)。加固后沉降值分别减少了50.4%、40.8%、42.1%、33.1%。以上数值说明在隧道开挖过程中，采用管棚注浆支护比无预支护时的拱顶沉降有持续且明显的抑制作用。两种工况中，掌子面前方6 m处均开始有明显预收敛，而未进行预支护时，预收敛变化更加明显，在开挖掌子面过程中更加容易发生坍塌，相对来说，进行了管棚注浆支护后，掌子面前方预收敛变化较为平缓，更加安全。

图15 隧道开挖过程中拱顶沉降图(单位：mm)

4 结 论

(1) 管棚注浆法一般用于松散土层、软流塑状地层、碎石土等不良地质条件下的隧道开挖，其中多为浅埋段隧道。实践证明，深埋隧道开挖碰到软弱围岩地层发生大塌方地质灾害时，采用管棚注浆预支护也会非常有效地解决塌方问题及预防软弱围岩地段隧道开挖造成的围岩失稳现象。

(2) 管棚注浆法是以管棚为骨架，向管棚钢管里注浆以此加固钢管周围的岩土层，改善软弱围岩的物理力学性质，在拟开挖隧道轮廓上部形成有较强承载能力的改良加固层。改良加固层刚度大整体性好，其承担了大部分施工引起的松动荷载，所以隧道初期支护变形较无管棚加固时小，且变形较均匀。本文通过模拟计算，也验证了加固层的存在对隧道开挖稳定性的改善较没有加固层要好。

(3) 管棚注浆法在处理营尔岭隧道深埋软弱围岩大塌方问题上，做了一处调整，即把管棚外插角度数从常规的3°～5°，提高到22°～27°，这样调整的目的旨在让管棚能够穿过塌腔，然后通过注浆使管棚超前支护与围岩形成一个整体，这也是在处理大塌方问题上管棚优于超前小导管和超前锚杆的一方面。

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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