不良地质条件下隧道管棚预支护技术研究

李 野

（中铁十九局集团第二工程有限公司，辽宁辽阳 111000）

0 引言

在开挖隧道之前，将一排水平孔钻入隧道掌子面以上位置处，再以一定角度将带有注浆孔的钢管打入孔洞中，并往里面压浆以对围岩进行加固，使隧道顶部在开挖前既先形成能承受一定压力的保护环，该种施工技术即隧道管棚支护技术，在该种环境下开挖隧道能使施工更加安全高效。

1 工程概况

某隧道结构形式为分离式隧道，内部净高为5 m。在开挖隧道前先进行管棚的施工，打入20 m 管棚并进行注浆加固未开挖围岩。为对隧道在施加管棚预支护时的加固效果进行分析，采用大型有限元分析软件Midas/Gts 对其进行数值模拟分析。计算模型如图1 所示。

2 隧道有无管棚支护结构的对比分析

对比无管棚支护和有管棚支护时隧道围岩竖直方向沉降有限元分析可发现：在无管棚支护时，隧道围岩有5.7 mm 的最大竖向沉降量，在有管棚支护的条件下，有1.3 mm 的最大竖向沉降量，两种情况下均在隧道拱顶处出现最大沉降，且其差异达到77%，表明对于围岩的力学性能而言管棚预支护有较好的改善效果。并且，在无管棚支护时，隧道底部有9.3 mm 的最大拱起值，而在有管棚支护的条件下，隧道底部仅有7.3 mm 的最大拱起值，两者差值幅度因为22%，表明管棚预支护对隧道围岩的变形能起到较好的控制作用，能较有效的提高隧道整体的稳定性。

图1 隧道初期支护

从图2 可知，对于周边围岩而言，管棚的加固作用较为明显，能有效抑制拱顶的下沉。在有管棚预支护的情况下，隧道拱顶仅有1 mm的下沉量，而在无管棚支护时，其有5 mm 的下沉量，表明隧道在管棚预支护时较为稳定，在开挖时，管棚抑制了拱顶的下沉；从变化规律看，在有管棚支护时，隧道拱顶在达到最大的下沉值时，随着施工的不断进行，下沉值逐渐趋于稳定，但当无管棚预支护时，随着隧道施工的不断进行，下沉量不断上升并且无稳定趋势，表明隧道在无管棚支护时较不稳定。

图2 目标断面隧道拱顶沉降值变化

3 管棚支护结构的变形特征

3.1 实际工程管棚力学行为分析

通过弹性地基梁模型对管棚的力学行为进行分析，并对比模拟结果。为避开开挖洞口所产生的边界效应，所取研究对象为掌子面距离洞口6 m 位置，所得分析结果如图3 所示。

从图3 可知：与数值模拟分析结果相比，理论计算值具有一定的差异，主要原因在于管棚的受力在现场属于三维状态，而模拟无法完全模拟真实的受力状态。但不管是理论计算值还是模拟分析数据均表明，在开挖掌子面位置，管棚有最大的弯矩值，并且随着不断增加的与掌子面的距离，管棚弯矩不断降低，在离洞口12 m 位置，在理论计算中，管棚弯矩变化开始趋近于0，但模拟数据显示在离洞口10 m 位置时，管棚的弯矩就已经没有变化。因此，当隧道处于不良地段时，为使掌子面稳定应采取保留核心土类型的施工方法。

从图4 可知：不管是理论值还是模拟值均表明管棚的最大变形出现在掌子面周围，并且该处有最大的挠度值，分别为5 mm 和1 mm，并且随着不断远离掌子面，管棚的挠度值不断降低，最终等于0，表明在隧道掌子面周围管棚所受力最大，因为开挖隧道导致管棚受到松动围岩的压力。在开挖隧道时，管棚起到传力作用，既将掌子面所受松动围岩压力传递到未松动围岩，有效的确保了开挖的安全性。从理论值可看出，管棚的挠度变化在离洞口12 m 处已趋于0，但在数值模拟值中，管棚的挠度变化在距洞口10 m 处已趋于0，因此，当隧道处于不良地质条件下时，为保证隧道能安全高效的施工，应采取家里拱架的方式在掌子面周围支撑管棚，或喷射混凝土以对松动围岩进行加固，使掌子面稳定。

图3 管棚弯矩对比分析

3.2 不同截面不同位置隧道拱顶管棚挠度变化特征

图4 管棚挠度对比分析

所选取的管棚挠度变化研究截面如图5 所示，可看出：①管棚挠度的变化呈现凹槽形，表明随着不断推进的隧道掌子面，管棚挠度变化规律为向上升后下降，并在最后变得稳定；②管棚的挠度值与掌子面跟研究截面的距离成反比。在管棚达到最大的挠度值之后，其挠度不断降低并逐渐稳定下来，表明在隧道施工时，管棚起到传力作用，将掌子面附加所受的力传递到其前方以及后方，使拱顶下沉得到有效的控制；③开挖隧道时在0 m截面即洞口处有最大挠度出现。表明开挖隧道进洞对围岩有较大的扰动，使隧道所处环境较差，因此在施工时应特别注意该阶段的施工；④管棚的挠度在不同研究截面处均不相同，表明随着隧道的不断开挖，管棚所受荷载不断变化，最大值发生在研究截面与掌子面重合的地方。取10 m 作为研究截面，分析不同位置处的管棚挠度变化，所取位置分别为：拱顶、拱腰及拱底；⑤拱顶、拱底以及拱腰的挠度均随着隧道的不断开挖而不断增加，并当研究截面与掌子面重合时达到最大，之后管棚的挠度值随着掌子面的不断推进而不断下降直至趋于稳定；⑥管棚在拱顶处有最大挠度，并且相比于拱腰及拱底而言，挠度变化速率较大，表明最大荷载出现在管棚拱顶处，因此，在开挖隧道时，应注意管棚拱顶的加固，以降低拱顶的下沉量。

3.3 管棚支护长度对隧道的影响

从图6 可知，相比于12 m 管棚支护时的拱顶最大下沉量，20 m 管棚支护时的最大下沉量降低了18%；而相比于20 m 管棚支护时的拱顶最大下沉量，28 m 管棚支护时的下沉量增大了1.4%；38 m 管棚又比28 m管棚下降了7%。可知，管棚的最佳支护长度为20 m。当管棚长度变化区间在12～20 m 时，其对拱顶沉降的控制效果最大显著，而当其长度超过20 m 时，最大管棚长度所起到的控制效果不明显，表明管棚支护长度的选取应结合实际现场。

图5 不同截面处拱顶管棚的挠度变化示意

4 结语

图6 不同管棚支护长度对目标截面拱顶沉降值的影响

通过上述分析研究，得出以下结论：①隧道在开挖时若有管棚支护，将能较为有效对拱顶的沉降进行控制。比起无管棚支护，有管棚支护的隧道拱顶沉降降低了77%，并且有管棚支护时隧道拱顶的沉降有收敛趋势；相比于无管棚支护，有管棚支护时拱底的隆起值有较大的降低，为22%，表明管棚支护对围岩的变形能起到有效的控制作用；②通过对比理论计算结果以及数值模拟结果，得出在掌子面周围有最大挠度以及弯矩的结论，并当隧道处于不良地质段时应加强对掌子面的加固；③当管棚支护长度在20 m 以内时，对于控制拱顶的下沉可通过增加管棚长度的方式，但在管棚长度超过20 m 时，最大管棚长度对控制拱顶沉降并无太大效果，表明管棚支护长度有一最佳值。