软弱破碎围岩隧道中管棚超前预支护力学特征研究

尹超 张志强

【摘要】我国西部地区以高原山地地貌为主、构造应力强烈且断层发育，在这种自然条件下的隧道围岩势必是软弱破碎的。为保证施工与运营安全，超前预支护措施的合理采用就显得尤为重要，而管棚作为一种工程中广泛采用的超前预支护措施，对保证围岩和掌子面的稳定具有显著的作用。基于此，文章采用大型通用有限元软件ANSYS对软弱破碎围岩隧道下管棚的力学行为进行研究，探明了管棚在软弱破碎围岩中的受力特征。

【关键词】软弱破碎围岩隧道; 超前预支护; 管棚; 力学特性

【中国分类号】U455.49【文献标志码】A

管棚作为一种在实际工程广泛采用的超前预支护手段，可以有效保证隧道围岩及掌子面的稳定。但现阶段对软弱围岩中管棚受力特征的研究还不够充分，更多的是依靠工程经验，因此有必要对其力学特性进行系统的分析探究。

宋战平等[1]基于Winkler弹性地基梁理论建立了考虑注浆加固的管棚受力分析模型，提出了管棚挠度和内力的解析公式并进行了工程验证;洪闰林[2]依托汶马高速米亚罗3#隧道，采用有限元模拟计算软件Midas /GTS 进行数值模拟，详细研究了隧道开挖过程中围岩稳定性、管棚内力及地表沉降的变化规律;阳超等[3]依托成都地铁9号线武青车辆段暗挖隧道工程，系统研究了管棚超前预支护技术在砂卵石地层中的应用，分析了管棚预加固范围和长度对隧道围岩稳定性的影响;罗春[4]依托湖北恩施五峰山隧道，通过建立三维数值模型，对管棚超前预支护技术的作用原理、力学特点、管棚的变形特性以及预支护体系的设计参数进行了分析研究;黄华等[5]依托成昆线任山隧道下穿既有铁路工程，研究了管棚变形随未支护段长度、荷载水平的变化规律，并提出了合理的设计参数。

本文以某新建双线铁路隧道V级围岩复合衬砌开挖断面为例，通过建立管棚超前预支护的三维有限元模型，对该隧道在管棚超前支护条件下的开挖和施工过程进行全真分析，并根据计算结果对软弱破碎围岩中管棚力学行为特性进行较为全面的分析，旨在为类似地质条件下的相关工程应用提供参考。

1 数值计算

1.1 数值模型建立

参考结构设计与地质勘查资料，建立三维地层结构模型。为准确反映隧道开挖过程，本次数值模拟同时考虑锚杆、注浆加固区、喷混凝土初支、钢拱架以及管棚的支护作用。根据不同结构的受力特性，对围岩及注浆加固区采用8节点实体单元（Solid-Brick 8node 45）进行模拟（注浆加固区通过改变材料参数实现）;锚杆采用杆单元（Link-spar8）模拟;管棚采用梁单元（Beam4）模拟;喷混凝土采用壳单元（Shell-Elastic 4node63）模拟。

为消除边界效应的影响，确定隧道横向尺寸为5D（洞宽D=13 m），隧底尺寸取12 m，隧道埋深根据工程实际情况确定为50 m，模型沿隧道轴向取36 m。对模型左、右两侧施加水平约束，底面施加竖向约束，上表面自由。

建立三维模型如图1所示，模型细部构造如图2所示。

1.2 计算参数选取

依据《铁路隧道设计规范》确定围岩、注浆加固圈和喷混凝土材料的物理力学参数;锚杆、管棚的计算参数按照刚度等效和重度等效的原则计算确定;钢拱架则作为安全储备，不在数值模拟中作具体分析。根据以上得到有限元分析中的计算参数见表1。

在本次数值模拟中，基于分析的重点的不同，对围岩采用理想弹塑性本构关系，Drucke-Prager屈服准则，对喷混凝土采用弹性本构关系。

2 计算结果分析

2.1 隧道开挖前后管棚内力分布

管棚在软弱围岩中主要凭借其梁效应承担掌子面前方的松动荷载，发挥稳定围岩和掌子面的作用，由于管棚主要承担横向荷载，所受轴力较小，所以本文主要针对管棚的弯矩进行分析研究。

在隧道开挖前后，管棚受到的约束会发生变化，那么其内力特征也会随之改变，现以隧道拱部的钢管作为主要对象进行研究，提取隧道开挖前后该钢管弯矩如图3所示。

通过弯矩图可以看出，管棚弯矩分布特征为中间大，端部小，说明其在发挥超前支护作用的过程中表现出显著的梁效应;分析其弯矩方向，管棚上侧受拉，说明其承担了隧道拱部上方的部分围岩压力;管棚在开挖前后弯矩最大值分别为69.6 N·m和337.4 N·m，表明隧道开挖前钢管所受纵向弯矩很小，但开挖后钢管纵向弯矩值比开挖前大幅增加，说明隧道开挖后管棚承担了较大的荷载，对保证围岩稳定发挥了积极作用。

2.2 隧道开挖过程中管棚内力变化

管棚施作完成后，随着开挖、支护过程的循环进行，掌子面不断向前推进，管棚的受力情况也会随之变化。现主要针对这一空间效应分析管棚弯矩随开挖过程的变化规律。

根据本次数值模拟的计算结果，分别提取开挖过程中单根钢管的弯矩分布及最大弯矩的变化情况如下图4、图5所示。

各步开挖及支护后钢管弯矩最大值如图5所示。

分析管棚弯矩分布及变化情况可以看出：

（1）隧道开挖过程中，随着掌子面的推进，单根钢管弯矩的分布趋势变化不大，施工各步下管棚弯矩分布特性几乎一致，只是弯矩大小有所变化。

（2）通过对比隧道支护前后的弯矩最大值，可以看出除施工第二步外，第一步、第三步和第四步下钢管弯矩均为减小，表明支护结构的施作往往会在一定程度上减小管棚内力，即隧道支护结构可以对管棚起到一定的约束作用，增强管棚的支护效果。

（3）由于管棚钢管位于围岩内部，通过注浆与围岩形成一个整体结构，三者共同承担围岩荷载且协调变形，因而施工

过程中的空间效应对管棚受力特性有着复杂多变的影响;就本次计算而言，管棚在受力特性上更类似于Winkler弹性地基梁。

（4）在整个开挖过程中，管棚的弯矩在一定范围内波动，但波动幅度仅在5 %左右，对其结构安全影响有限。

3 结论

本文通过ANSYS有限元软件建立三维模型对软弱破碎围岩中管棚超前预支护进行数值模拟，分析其受力特性，得到以下结论：

（1）管棚在软弱围岩中主要凭借其梁效应承担隧道拱部上方的部分围岩压力，发挥对围岩和掌子面的加固作用。

（2）隧道支护体系可以对管棚结构起到一定的约束作用，保证其支护效果。

（3）管棚位于围岩内部，通过注浆与周边围岩形成整体结构，共同承担荷载并协调变形，因而其受力特性十分复杂，在本次计算中更多地体现出弹性地基梁的特性。

（4）隧道开挖前管棚就承担了部分荷载，起到了预支护的效果，随掌子面推进，管棚内力分布趋势几乎不变，仅数值大小在约5 %的范围内小幅波动对整体结构的安全性影响不大。

参考文献

[1] 宋战平，田小旭，周冠南，等.隧道洞內管棚超前预支护力学行为的理论分析[J].中国公路学报，2020，33（4）：89-98.

[2] 洪闰林，张志强.管棚超前支护下隧道开挖围岩稳定性分析[J].四川建筑，2020，40（3）：237-238+242.

[3] 阳超，王玉锁，张雪松，等.砂卵石地层暗挖隧道超前管棚支护技术研究[J].现代隧道技术，2019，56（S2）：299-307.

[4] 罗春. 不良地质条件下隧道管棚预支护技术研究[D].重庆：重庆交通大学，2017.

[5] 黄华，巩江峰，邸成，等.铁路隧道超前管棚变形规律及参数研究[J].铁道工程学报，2019，36（12）：65-70.