怎么获得构造应力场(隧道穿越软弱破碎围岩段管棚预加固技术)

Posted 2023-05-26

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怎么获得构造应力场(隧道穿越软弱破碎围岩段管棚预加固技术)

艾国辉赵洪斌

西安方舟工程咨询有限责任公司中国建筑一局(集团)有限公司

摘要：为研究隧道穿越软弱围岩地层时管棚预加固的效果，依托前海深港合作区前湾片区支路及地下联络道工程，对超前管棚预加固工法进行数值模拟，通过受力、变形与地表沉降分析，对管棚注浆加固效果做出评价。结果表明：管棚注浆加固能有效提高围岩稳定性，控制和减少隧道开挖后周边的收敛变形，保证隧道施工的安全。

关键词：隧道工程;软弱破碎围岩;管棚预加固;施工技术;

软弱围岩自承载能力较差，围岩力学特性较为复杂，在隧道施工过程中，即使采取短进尺开挖，开挖面与开挖后隧道也极不稳定[1,2,3,4,5]。同时对于城市隧道，地面交通量大，且施工时对地面沉降控制要求较高，管棚作为一种地层预加固手段，现已经被广泛应用于处理围岩等级较差的地层当中[6,7,8,9,10]。

本文通过Midas GTS有限元软件，利用数值模拟手段对隧道施工及围岩管棚预注浆加固措施进行模拟分析，综合所得到的地表沉降与管棚受力变形结果，对加固效果做出评价，为类似工程提供参考。

1 工程概况

前海深港合作区前湾片区支路及地下联络工程包含南、北两个环线，与临海大道地下道路形成“中”字形布局，路线长度分别为1 037.5 m、585.5 m。道路等级为城市支路，设计速度为20 km/h。隧道分为明挖段与暗挖段，暗挖段设计总长202.1 m。

本项目地质主要为海相淤积地层，从上至下主要地层为素填土、填碎(块)石、淤泥、粉质黏土、粗砂层。隧道北面为现状桂庙渠，渠内水与地下水存在一定补给关系。隧道洞身大部分处于淤泥质土层，土层力学性质较差、承载力较低、自稳能力差，地质条件对暗挖施工影响极为不利，针对本工程所处的特殊地质条件，采用地面预加固地层与全断面注浆的措施对暗挖区段地层进行改良和加固，同时为控制变形，布设长管棚与超前注浆小导管，共同组成超前支护体系，见图1。

图1 隧道标准暗挖衬砌断面下载原图

单位：cm

暗挖隧道采用复合式衬砌结构，初期支护采用格栅钢架、工字钢临时支护、挂网喷射混凝土联合支护形式；二次衬砌为混凝土结构，初期支护与二次衬砌之间设防水层防水。

2 数值模型与计算参数

2.1计算模型

根据设计资料，建立三维有限元隧道模型，浅埋暗挖隧道开挖断面简化为矩形，隧道长10.2 m, 高6.9 m, 地层模型长51 m, 约5倍隧道直径；隧道埋深为5.85 m, 开挖底面下方取22.25 m, 模型尺寸为51 m×35 m×20 m, 见图2。其中XZ平面为隧道横断面，Y方向为隧道开挖方向，隧道开挖采用CD法施工，共分为6个导洞，依次从左至右进行开挖，上下台阶错开5 m, 相邻导洞滞后10 m, 开挖循环进尺为1 m。

图2 隧道模型网格图示下载原图

隧道围岩按匀质弹塑性材料考虑，采用Mohr-coulomb本构模型，支护结构按照弹性计算。地表注浆加固后的地层也为弹塑性材料，围岩与隧道采用四面体与六面体混合实体单元，初期支护采用板单元模拟，管棚注浆区域采用实体单元模拟，整个模型按重力应力场考虑，忽略构造应力场，模型共有11 183个节点，19 158个单元，见图3。

图3 管棚模拟的实体单元下载原图

2.2模型参数

地层从上至下依次为素填土、填碎石、淤泥、粉质黏土、砂质黏性土，各地层参数参照工程勘察报告来选定，具体数值见表1。

管棚注浆能提高围岩的强度与刚度，使其整体承载力获得提高。管棚注浆采用单排管，则加固圈的厚度D,见式(1):

D=2[R2−(S2)2]12 (1)D=2[R2-(S2)2]12 (1)

表1 计算参数导出到EXCEL

名称	G/MPa	μ	γ/(kN/m3)	φ/(°)	c/kPa
素填土	34	0.3	17.5	12.0	15.0
填碎石	45	0.3	20.0	27.0	0.02
淤泥	10	0.46	16.0	3.0	8.0
粉质黏土	40	0.3	19.0	15.0	20.0
砂质黏性土	34	0.3	19.0	23.0	20.0
注浆加固区	45	0.3	21	15	20
初期支护	30 000	0.2	23.0	-	-
管棚加固区	8 239	0.2	22	27	40

式中：R为浆液扩散半径；S为相邻两注浆孔间距。

管棚支护的作用效果，可将管棚注浆加固围岩视为在隧道开挖轮廓线外形成一定厚度的加固圈，为简化计算，将钢管及注浆刚度按照面积等效法换算至周边地层中，见式(2):

E—=EgAg+ECAC+EaAaAg+AC+Aa (2)E—=EgAg+ECAC+EaAaAg+AC+Aa (2)

式中：E—E—为管棚注浆加固区弹性模量，kN/m3;Eg为钢管弹性模量，kN/m3;EC为钢管内砂浆弹性模量，kN/m3;Ea为钢管外注浆加固土体弹性模量，kN/m; Ag、AC、Aa分别为钢管、钢管内砂浆、钢管外注浆土体截面积，m2。

初期支护采用C30混凝土，临时仰拱厚度为22 cm, 立柱为31 cm, 侧墙及顶底板为36 cm。初期支护设置为相应厚度的板单元模拟。

3 计算结果分析

3.1位移分析

(1)地表位移。

随着隧道的不断开挖，地表的沉降不断增大，在隧道模型中心线的正上方地表上布置3个沉降测点，间隔10 m, 绘制这3个测点随隧道开挖过程中竖向沉降变形曲线，见图4和图5。

沿隧道的开挖方向，地表沉降值随隧道掌子面不断推进逐渐增大，在一定距离后增加到最大值并保持稳定，最大值为1.4 mm, 说明管棚注浆预支护对于隧道开挖引起地表的沉降有良好的控制作用，S1点相对于S2、S3沉降较大，即地表沉降量在隧道开挖开始处达到最大。

(2)拱顶位移分析。

选取x=10处作为目标断面，在目标断面处中导洞的隧道顶部提取节点结果，中导洞顶部下沉随着开挖步的曲线见图6。由图6可以看出，在进行地面预注浆以及管棚加固过程中，目标断面的位移几乎没有发生任何变化，当掌子面开挖至目标断面左导洞时，目标节点处受到影响开始发生明显沉降，当掌子面到达目标断面中导洞时，顶部沉降值为0.32 mm, 达到最终沉降值40%,随着各导洞的不断开挖，顶部沉降不断增加，当掌子面到达右导洞开挖15 m(距目标断面5 m)时，达到最终沉降值的95%,已经趋于稳定，最终沉降值为0.8 mm。

图4 地表沉降测点布置下载原图

图5 地表位移变形下载原图

图6 隧道顶部沉降曲线下载原图

3.2管棚加固区受力情况

管棚加固区在隧道开挖至管棚尾部时的变形见图7,由图7可以看出，隧道两侧向内部发生水平的收敛变形，由于有立柱、仰拱等初期支护限制，各导洞顶部则发生了不同程度的沉降变形。管棚加固区也存在应力集中现象，在横向与竖向加固区连接位置以及各上部导洞的中部顶端处出现了拉应力，最大值为88 kN/m2,在左右各导洞两侧中部位置则出现较大压应力，最大值为491 kN/m2。

图7 管棚加固区受力变形下载原图

3.3塑性区

围岩塑性区是判断隧道安全与否的又一重要因素。隧道开挖支护以后围岩塑性区见图8,由图8可以看出，塑性区主要集中在隧道中导洞的顶部以及竖向管棚加固区的底端，并分别向土体方向有不同程度的延伸，主要发生剪拉屈服，在施工中应对该部位重点关注，加强支护，防止危害的发生。

图8 开挖围岩塑性区下载原图

4 现场施工情况

管棚采用管径ϕ180 mm、壁厚10 mm热轧无缝钢管，管棚主要节长为4 m、2 m, 间距40 cm(见图9),采用钻孔跟进法打入。钢管接头采用丝扣连接，丝扣螺纹长度大于150 mm, 相邻两根钢花管接头错开，其错节长度不小于1.0 m。钢花管上钻注浆孔，孔径ϕ10 mm, 孔间距150 mm, 呈梅花型布置。钢管尾部(空口段)2.0 m不钻花孔作为注浆段。

管棚注浆顺序先下后上，全孔采用一次性注浆。灌注425号普通硅酸盐水泥浆液，水灰比1∶1,注浆初始压力0.5 MPa, 终止压力1.0～1.5 MPa。

图9 现场施工下载原图

5 结语

运用有限元软件建立三维实体管棚隧道模型，通过数值模拟分析结果与现场实测收集到的数据，得到管棚加固区的受力变形特征与围岩稳定情况，在软弱破碎围岩地层，采用管棚注浆预加固措施，改良后地层的c、E值远高于改良前地层的c、E值，甚至存在数量级差别，地表沉降以及拱顶沉降的数值均在控制值以内，有效地提高了围岩的稳定性。同时，采用管棚注浆后，加固层受力较大，承担了隧道的大部分围岩松动荷载，这也是采用管棚注浆加固后，竖向位移值显著降低的直接原因。

数值模拟在一定程度上采用了简化假定，使得计算结果不可能完全反映现实情况，但能为现场施工提供理论指导，有效地减少危害的发生，还应做好监测工作，通过直观的数据来准确地评价围岩的稳定性，理论与实际相结合共同保证施工安全。

参考文献

[1] 余俊，翁贤杰，樊文胜，张连震.松散地层隧道进洞段管棚注浆加固效应分析[J].山东大学学报：工学版，2020,50(6):92-100.

[2] 郝亚勋，罗许林，王美英.软岩隧道围岩加固及支护技术模拟分析[J].中原工学院学报，2020,31(4):40-46.

[3] 杨宸.隧道软弱围岩管棚超前支护施工技术[J].交通世界，2020,(20):151-152.

[4] 李世琦.管棚支护作用机理及数值分析[J].四川建筑，2019,39(2):102-104.

[5] 李启洋.隧道浅埋软弱围岩段的管棚超前支护施工技术[J].交通世界，2017,(24):108-109.

[6] 杨旭.某隧道衬砌参数与注浆加固的数值模拟分析[J].北方交通，2016,(7):136-140.

[7] 陶祥令，马金荣，张昌伟，路庆涛，曹小为.下穿道路隧道浅埋暗挖管棚支护参数及优化设计研究[J].中国科技论文，2016,11(1):66-70.

[8] 李志平，李留玺.隧道管棚超前支护技术及其数值模拟[J].科技创新导报，2015,12(13):37-40.

[9] 袁海清，傅鹤林，马婷，谭鑫，郭磊.隧道管棚加预注浆超前支护数值模拟分析[J].铁道科学与工程学报，2012,9(6):24-29.

[10] 伍振志，傅志锋，王静，张胜云.浅埋松软地层开挖中管棚注浆法的加固机理及效果分析[J].岩石力学与工程学报，2005,(6):1025-1029.

怎么获得构造应力场(隧道穿越软弱破碎围岩段管棚预加固技术)

怎么获得构造应力场(隧道穿越软弱破碎围岩段管棚预加固技术)

艾国辉 赵洪斌

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1 工程概况

2 数值模型与计算参数

2.1计算模型

2.2模型参数

3 计算结果分析

3.1位移分析

(1)地表位移。

(2)拱顶位移分析。

3.2管棚加固区受力情况

3.3塑性区

4 现场施工情况

5 结语

参考文献

艾国辉赵洪斌

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