输水管道工程不同注浆饱满度管棚承载特性及支护效果模拟

(桓仁满族自治县水库移民开发局，辽宁 桓仁 117200)

管棚超前支护是近年来发展起来的一种在软弱围岩中进行隧洞施工的新技术，在水工隧洞、隧道、地铁和地下通道建设中得到广泛应用。管棚支护技术随着工程应用而逐步趋于完善，但是相关理论研究比较滞后，在布置范围、直径、工艺参数方面尚未形成系统理论。本次研究以观音阁水库输水工程输水隧洞出口段为对象，利用数值模拟手段，探讨注浆饱满度对管棚承载特性及预支护效果的影响，对管棚支护的定量化参数设计具有重要意义。

1 工程背景

辽宁省观音阁水库输水工程，是自辽宁省本溪县的观音阁水库库区自流引水，经过输水管线及隧洞，将水引到本溪市的一项大型引水工程，工程设计输水规模为125万m3/d[1]，输水线路总长度为80.727km，其中包括38.86km的管线以及41.70km的输水洞[2]。

工程区多年平均气温为7.70℃，最冷月份的平均气温为-15.70℃，最大冻土深度为141cm，工程隧洞段地处本溪市低山丘陵区，地形起伏，相对高差为20～100m，冲沟发育[3]。输水隧洞出口接近南北走向，岸坡稳定，洞顶上部分布有平均厚度10～15m的粉质砂土层。原设计方案将砂土层全部挖除，再进行洞室石方开挖，但是出口明挖段开挖完毕后，沿洞方向仍有近60m左右的松散砂地层，如果重新开挖，工程量较大，因此，确定采取管棚支护方式进行输水隧洞出口段松散地层开挖施工作业。

2 构建计算模型

2.1 MIDAS GTS-NX软件简介

MIDAS GTS-NX是一款岩土结构分析有限元软件，由于本文研究需要基于实际工程背景，对管棚进行精细化模拟计算，需要较多的单元网格数量，因此，采用MIDAS GTS-NX软件进行建模计算。

2.2 模型的建立和网格划分

为了研究注浆饱满度对管棚的承载特征以及支护效果的影响，利用MIDAS GTS-NX软件构建研究对象的三维有限元模型[4]。结合研究需求以及施工现场的具体情况，确定模型的尺寸为100m×85m×45m。管棚和管内加筋采用实体单元模拟，注浆饱满度利用“小参数法”模拟[5]。为了满足精细化研究的需求，对模型进行三角形网格划分，对隧洞周边进行网格加密，最终划分为56843个计算网格、23674个计算节点。

2.3 约束条件

计算模型的约束条件为：在模型的四个侧面施加水平方向位移约束，模型的底部施加X、Y、Z方向约束，模型的上表面为自由面。在输水隧洞出口初期支护时采用liner线单元模拟，不仅可以保证管棚支护与隧洞围岩紧密贴合，还可以保证两者之间的应力传递，更能科学反映支护结构和隧洞围岩之间的相互作用[6]。

2.4 计算参数

为了简化计算，将φ60的小管棚的刚度利用等效面积法换算到周边地层，各组单元的具体参数参考工程勘察设计阶段的设计报告(见表1)。

表1 材料的物理力学参数

3 计算结果与分析

3.1 管棚变形对比分析

利用构建的模型，对输水隧洞出口段开挖至50m处，注浆饱满度为100%时的管棚挠度进行计算。

结果显示：随着进口段开挖，管棚逐渐产生一定的挠曲变形，相比而言，靠近拱顶的管棚存在比较大的竖向位移，而拱脚部位的管棚变形较小。根据上述规律，从拱顶至拱脚部位依次选取5根管棚，分别编号为O、P、Q、R、S，对其在100%、90%、80%、50%四种不同注浆饱满度下的竖向位移进行对比分析。开挖至50m时的沉降曲线见图1～图4，由图可知，在不同注浆饱满度条件下，管棚的竖向位移变形具有类似的规律，均呈现出自拱顶到拱脚逐渐减小的分布规律。此外，随着注浆饱满度的不断降低，靠近拱顶的前三个管棚竖向位移增大比较明显，而后两个并不明显。为此，选取O和S进行进一步分析。

图1 饱满度100%时的沉降曲线

图2 饱满度90%时的沉降曲线

图3 饱满度80%时的沉降曲线

图4 饱满度50%时的沉降曲线

对管棚O和S在不同注浆饱满度条件下的最大竖向位移进行统计，获得图5和图6竖向变形曲线图。随着注浆饱满度的降低，竖向沉降位移变形不断增大，与注浆饱满度100%相比，注浆饱满度为50%时的竖向沉降量增大近1倍。

图5 管棚O竖向位移曲线

图6 管棚S竖向位移曲线

3.2 管棚扁平程度分析

根据相关研究成果，在注浆不饱满的情况下，管棚纯弯过程中的管口部位会发生压扁变形，对管棚的支护作用造成不利影响，因此，研究中选择拱顶部位管棚O上部的A点和下部的B点进行扁平程度分析，获得两个测点的压缩量，也就是纵向位移量与隧洞长度之间的关系曲线(见图7)。由图可知，随着注浆饱满度的降低，管棚的压缩量不断增大，饱满度为80%时的压缩量会增加到饱满情况时的近1.3倍，而饱满度为50%则会急剧增加到6.9倍。由此可见，饱满度不足会使管棚的承载作用大打折扣。

图7 管棚O压缩量变化曲线

图8 管棚O竖向应力变化曲线

3.3 管棚的竖向应力分析

提取模型计算中管棚O的竖向应力(见图8)。由图可知，在输水隧洞开挖至100m处，在饱满度为100%时管棚的两端主要表现为压应力，而中间部位主要表现为拉应力，转点位于两端10m左右的部位。饱满度为90%和80%时具有相似的应力分布特征，但是压应力减小，拉应力增大，而饱满度为50%时则全部表现为拉应力。对比管棚中部的应力值，当饱满度为100%时，竖向应力表现为压应力，最大值为1.97kPa，随着饱满度的降低，竖向应力逐步转化为拉应力，饱满度为80%时最大压应力为0.47kPa，而饱满度为50%时，最大拉应力为6.38kPa。应力分析结果进一步说明，注浆饱满度的降低会造成管棚承载力的不断降低，饱满度不足会使管棚的承载作用大打折扣。

3.4 地表沉降控制效果分析

在输水隧洞出口段地表正上方间隔25m均匀设置S1～S5五个地表沉降量测点，提取计算结果中的相关数据，绘制沉降量曲线(见图9)。由图可知，输水隧洞中心线上的地表沉降量随着施工掌子面的推进而逐渐增大，然后逐渐趋于稳定，沉降量的最大值约12mm左右。说明采取管棚支护方式可以对地表沉降产生良好的控制作用。不同测点的沉降量对比结果显示，位于中间部位的S3测点的沉降量最大，因此，选取该测点对不同注浆饱满度条件下的管棚支护效果进行分析，并绘制沉降变形曲线(见图10)。由图中的曲线可知，该测点的地表沉降量会随着注浆饱满度的降低而逐渐增大，当注浆饱满度为90%、80%和50%时，S3测点的地表沉降量分别比注浆饱满度100%的情况下增大20.3%、59.1%和126.5%，由此可见，管棚的注浆饱满度会对地表沉降控制造成十分显著的影响。

图9 各测点地表沉降变形曲线

图10 S3测点地表沉降变化曲线

4 结 论

本文以辽宁省观音阁输水工程输水隧洞出口段管棚支护工程为研究对象，采用数值模拟方法对管棚注浆饱满度对管棚的承载特征和支护效果的影响进行研究。

结论如下：随着进口段的开挖施工，靠近拱顶的管棚存在比较大的竖向位移，而拱脚部位的管棚变形较小；随着注浆饱满度的降低，竖向沉降位移变形不断增大，注浆饱满度为50%时的竖向沉降量增大近1倍；随着注浆饱满度的降低，管棚的压缩量不断增大，饱满度不足会使管棚的承载作用大打折扣。

管棚的竖向应力分析结果显示，顶部管棚的竖向应力会随着注浆饱满度降低逐步由压应力转变为拉应力，且拉应力值不断增大。说明注浆饱满度的降低会造成管棚承载力的不断降低，饱满度不足会使管棚的承载作用大打折扣；地表沉降控制效果分析结果显示，采取管棚支护方式可以对地表沉降产生良好的控制作用，而管棚的注浆饱满度降低会对地表沉降控制造成十分明显的不利影响。