隧道下穿高速公路长管棚预支护技术研究

李志强

（中铁二十二局集团第五工程有限公司，重庆 400042）

1 研究背景

随着高速铁路建设规模日益扩大，高铁线路不可避免地要与公路进行交叉，线路交叉施工极易引起塌方、变形等工程病害问题，因此对交叉施工中纵横沉降、开挖围岩变形控制已然是各方关注和研究的重点。受施工区域的地质构造及水文情况影响，碎裂围岩、不规则裂隙发育、涌水等情况通常会加剧下穿隧道的坍塌、变形侵限等问题。隧道施工引起的沉降情况如图1 所示。

图1 隧道施工沉降情况三维示意图

有研究表明，隧道施工沉降量的30%～40%以及拱顶沉降的40%～50%是在施工初期预支护未完全发生作用时产生的1。因此在隧道下穿高速公路项目暗挖施工中，可采用长管棚预支护技术控制地表、隧道拱顶的变形，将隧道净空变形、地表变形等指标降到最低。鉴于本工程浅埋偏压隧道下穿高速公路的特性，有必要开展长管棚预支护技术对这类地层的力学效应分析，以期获得隧道变形特征及支护参数，为同类工程建设提供借鉴。

2 工程概况

HK 客专某段隧道工程位于G 省六盘水红果市，总长度为1428m，其背阴坡隧道洞身下穿G60 镇胜高速公路，线路交叉角为22°，隧道拱顶至公路路基路面相对高差仅18.4m，距高速公路路肩挡墙基础底最小距离仅4m，与高速公路桥梁桩基净距仅有6.5m。具体工程平面图如图2 所示。

图2 HK 客专某隧道下穿高速公路段平面图

隧道施工区基岩大多裸露，岩性有灰岩、白云岩、泥灰岩夹砂岩等。施工区域内孔隙水、岩溶水富水程度高，并且分布不连续，岩性变化较大、自稳能力差，且隧道小交角浅埋下穿高速公路，施工难度极大，是全线重、难点工程，纵断面图如图3 所示。

图3 HK 客专某段隧道下穿高速公路段纵断面图

3 长管棚预支护体系力学效应分析

3.1 研究思路

隧道开挖是一个三维的动态力学过程，根据大量的测试结果、理论推导、现场经验等方面得出，不论是超前支护的受力与变形，还是隧道掌子面的应力应变波动过程，或是施工对围岩支护的扰动均是空间范围内且与时程有关的变动。HK 某客专隧道下穿高速公路段工程采用“三台阶七部”开挖法，每部开挖进尺为0.5m，此段管棚长度40m（含5m 重叠区域），围岩较破碎，下穿段正好位于镇胜高速下方，管棚顶端距离高速路挡墙基础下端最小距离只有4m～6m。因此，重点研究管棚预支护对于隧道稳定性的影响，建立有限元分析模型对管棚预支护条件下的开挖和施工过程进行数值计算，根据模拟计算结果对管棚支护效果及隧道围岩应力应变、管棚钢管内力、地表沉降、净空变形的数据进行综合分析。

3.2 建立有限元模型

3.2.1 模型的建立

建立MIDAS/GTS 有限分析模型：隧道X 方向取150m，隧道底面竖直向下取70m，沿隧道轴向取一段管棚长度40m。模拟隧道横向最大距离15m，隧道净高取10m，隧道围岩按匀质弹塑性材料考虑。采用Mohr-Coulomb 本构模型进行预支护结构的弹性计算；围岩采用四面体与六面体混合实体单元，初期预支护为16cm 厚C20 喷射混凝土配合工字钢及锚杆，采用板单元模拟；管棚为直径108、壁厚6mm、环形间距为40cm、长度40m 的钢管，采用梁单元模拟；整体模型按重力应力场考虑忽略构造应力场，同时，模型两侧约束X 方向位移，前后面约束Y 方向位移，底部约束Z 方向位移，顶部不加约束，为自由面。具体模型建立如图4 所示。

图4 模型各部分网格图

隧道外轮廓线内网格轴向划分，其余围岩部分网格倾斜22°，重点侧重于各应力数据计算的离散化。如图5 所示。

图5 模型对隧道与上行高速公路交角表现示意图

3.2.2 物理力学参数

模型中力学计算的参数（包括岩体参数），如表1 所示。

表1 围岩及支护材料计算参数

表2 喷射混凝土的力学参数

3.2.3 与施工方法协同模型建立

隧道开挖采用“三台阶七部”法进行，长管棚注浆后施工围岩固化成壳状，类似于拱形支护结构，将拱顶处围岩产生的压力荷载分散至周边围岩，减小隧道拱顶进入塑性区的可能性，保证掌子面附近稳定性。如图6、图7 所示。

图6 三台阶七部开挖方法示意图

图7 锚杆初期支护图

先将相应参数带入模型进行长管棚预支护各弹性模量的模拟计算，模拟中将管棚视为各向同性弹性结构，将管棚的弹性模量折算成整个断面的弹性模量，式（1）：

式（1）中:E 为长管棚折算后整体断面的弹性模量；E0在施工中所选用混凝土的弹性模量；Sg选用钢管的截面积;Sc为选用混凝土的截面积；Eg为选用钢管的弹性模量。管棚加固区径向宽度取0.6～0.7 倍的钢管间距，即：2×0.4×0.7+0.108=0.668m，取0.8m，管棚网格图如图8。

图8 管棚网格图

3.3 管棚及隧道施工模拟结果

将围岩材料参数赋值给计算模型后，根据围岩自重应力场初始条件求解围岩主应力初始值，即得到模型的初始应力场如图9所示。

图9 围岩初始应力场矢量图

3.3.1 管棚受力状态分析

对隧道不同开挖进尺的管棚受力状态进行模拟分析，如图10。

由图10 分析可知，在隧道开挖过程中，管棚的轴向力F 的作用面积随着掌子面向前推进逐渐向管棚左右两侧以及隧道轴向扩大。上台阶掌子面后方3～5m 处，管棚一侧钢管内力出现较大的拉力集中现象，上台阶掌子面后方5m 范围内，同一侧的钢管出现较大的压力集中现象。分析原因为：受浅埋偏压影响，开挖方向右侧即为偏压一侧，掌子面前方钢管嵌入围岩中相当于“悬臂梁”的固定端，钢管截面出现压力，掌子面后方钢管受围岩横向偏压作用影响，截面出现拉力。

图10 不同开挖尺下管棚轴向力云图

3.3.2 围岩变形分析

对隧道不同开挖进尺掌子面里程Z 轴方向位移进行模拟分析，如图11。

图11 隧道工程某段开挖后10m30m结束围岩位移模拟云图变化

由图11 位移云图分析，随着隧道的开挖，掌子面附近围岩与掌子面前方的围岩均会产生位移，且呈现拱顶向地表延伸，隧底向更深岩层延伸，位移延伸范围会随着开挖过程的进行而扩大；当断面初期支护全周封闭距离掌子面2～3 倍洞径距离时，断面处围岩的位移情况具有明显减缓趋势；隧道开挖时隧底存在向上挤压位移，拱顶为向下沉降位移，且隧底向上挤压位移值要略大于拱顶的沉降值；通过管棚预支护技术后，开挖起点处拱顶围岩的最终沉降值为22.25mm，在开挖过程中拱腰偏压侧围岩的最大位移值为25.84mm。

选取挡墙基础底部、左/右幅路基的中央节点参数若干，将节点位移绘制成位移曲线图如图12 所示。

图12 挡墙及路基各测点位移曲线图

由图12 分析可知，与左/右幅路基相比较，挡墙基础底部所产生的位移更为显著，其变形程度较大，塑性破坏可能更大；同时，左/右幅路基于挡墙基础位移均小于20mm，说明所采用管棚预支护体系发挥了支护稳定作用。

3.3.3 与施工实际情况比对

为了验证背阴坡隧道管棚施工的合理性与数值计算准确性，将拱顶下沉、水平收敛值和管棚钢管内力的现场监控量测值和有限元模拟结果进行对比，如表3。在工程结束后，选取模拟数据相同段实景情况进行比对，其具体情况如图13所示。挡墙产生贯通斜裂缝最大宽度2～3mm，这验证了挡墙基础的变形导致了微小的不均匀沉降效果，右幅路基无裂缝，左幅路基出现较小裂缝且未贯通，宽度小于0.5mm，以上现场实景情况均与模拟结果相吻合，这验证了长管棚预支护体系对控制围岩变形的有效性，模拟计算成果准确。

表3 位移计算值对试验值对比

图13 挡墙及路基实景情况

4 结论

通过对HK 客专某段隧道下穿高速公路工程项目中有限元模拟计算与长管棚支护工艺结合的相关分析研究，以及与工程后实景情况的比对，验证了作为稳固隧道施辅助施工工艺长管棚预支护技术对地面沉降的有效控制。同时，对长管棚荷载情况进行模拟、解析及计算可以作为施工中对掌子面稳定性控制的重要参考依据。

注释

1 张顶立，黄俊.地铁隧道施工拱顶下沉值的分析与预测[J].岩石力学与工程学报，2005(5):1704.