案例4小河溝鐵路隧道大管棚超前支護施工過程模擬

案例4—— 小河溝鐵路隧道大管棚超前支護施工過程模擬中科院計算技術(shù)研究所共十九頁管棚的應(yīng)用(yìngyòng)管棚法是常用超前支護工法，通過在擬開挖的地下隧道襯砌拱圈隱埋弧線上，預(yù)先設(shè)置慣性力矩較大的厚壁鋼管，并注漿形成(xíngchéng)管棚注漿帷幕殼體，防止地表下沉和土層坍塌，具有良好的預(yù)加固效果，在城市地鐵、山嶺隧道、軟土隧道等復(fù)雜工程地質(zhì)環(huán)境中被國內(nèi)外工程界廣泛采用。共十九頁工程(gōngchéng)概況

小河溝隧道是新建太興鐵路的一條雙線鐵路隧道，通過膨脹性黃土地層，埋深較淺，圍巖軟弱松散，設(shè)計開挖采用三臺階七步工法結(jié)合超前小導(dǎo)管施工。

自進入雨季以來，受雨水滲透影響，圍巖抗剪強度減弱，施工中經(jīng)常發(fā)生塌方事故，造成(zàochénɡ)重大損失。為保障安全施工，控制隧道變形，變更設(shè)計擬采用大管棚注漿措施，加固掌子面前方圍巖，控制圍巖變形。共十九頁工程(gōngchéng)概況隧道全長1803m，最大埋深82m，最小埋深僅5m，位于里程DK75+054~DK75+089。由于該淺埋段，埋深及淺，同時處于匯水區(qū)，受雨水影響嚴重，其穩(wěn)定性較差，極易發(fā)生塌方，因此擬采用臺階(táijiē)法結(jié)合管棚注漿預(yù)支護技術(shù)。共十九頁地層(dìcéng)信息該地段為黃土地貌，與工程性質(zhì)相關(guān)的土層(tǔcénɡ)主要是出露地表的上第三系（N）膨脹性黃土，膨脹潛勢為等級為中，土呈紅褐色，硬塑，結(jié)構(gòu)致密，呈菱形狀，土內(nèi)分布有裂隙，斜交剪切裂隙較發(fā)育，由細膩的膠體顆粒組成，斷口光滑，局部夾鈣質(zhì)結(jié)核。土層密度kg/m3彈性模量MPa泊松比粘聚力KPa摩擦角膨脹性黃土191618.410.352530共十九頁地層(dìcéng)建模數(shù)值模型淺埋段的開挖(kāiwā)施工，擬采用有限差分軟件FLAC3D，圖1為建立的小河溝隧道的數(shù)值模型圖。模型包括33407個模型節(jié)點，和29580個單元，隧道斷面形狀為直墻拱型，按最不利工況，取隧道毛洞單洞跨度為11.96米，高為11.86米。共十九頁邊界條件與本構(gòu)模型(móxíng)為減小邊界效應(yīng)的影響，取隧道中心線和隧道底板的交點為原點，模型的左、右及下邊界距離取3～5倍的隧道的開挖直徑，即左、右邊界為60m，下邊界為36m，上邊界為地表，隧道軸線方向取20m。計算模型的左、右、前、后邊界和下邊界均為法向約束，上邊界為自由邊界。圍巖(wéiyán)土體的本構(gòu)模型采用經(jīng)典的Mohr-Coulomb理想彈塑性模型。共十九頁支護結(jié)構(gòu)(jiégòu)模擬在數(shù)值模擬(mónǐ)中，將管棚鋼管作為簡支梁處理，采用梁單元進行模擬(mónǐ)。因為管棚末端部與孔口管焊接成整體，孔口管固定在鋼拱架周邊，因此端部可以承受較大的彎矩和具有較大的豎向抗力，可以將端部按固定支座考慮。對于插入土體中的管棚部分，由于注漿，使得鋼管與周圍巖體結(jié)合在一塊，因此將梁單元的節(jié)點與周圍巖體應(yīng)力單元位移協(xié)調(diào)，從而限制鋼管空間內(nèi)的平動自由度，但由于鋼管本身與周圍加固體之間的剛度差異很大，因此將梁單元的三個轉(zhuǎn)動自由度不作約束。共十九頁支護結(jié)構(gòu)(jiégòu)模擬管棚采用89mm直徑的無縫鋼管，設(shè)計(shèjì)在拱部120°范圍打設(shè)，每環(huán)長10m，環(huán)向間距0.4m，縱向搭接長度3m，外插角5～10°，注1:1的水泥漿，為增加管棚的抗彎能力。在注漿過程完成后，管棚內(nèi)充滿混凝土漿液，待漿液凝結(jié)后，管棚相當于鋼管混凝土梁。共十九頁支護(zhīhù)結(jié)構(gòu)模擬在鋼管(gāngguǎn)內(nèi)設(shè)置鋼筋籠，鋼筋籠由四根主筋和固定環(huán)組成，主筋直徑為Φ18，固定環(huán)采用短管節(jié)，節(jié)長5cm將其與主筋焊接，按1.5m間距設(shè)置，管棚梁結(jié)構(gòu)如圖4所示。共十九頁支護(zhīhù)結(jié)構(gòu)模擬為了(wèile)考慮管內(nèi)混凝土及加筋對管棚力學(xué)性質(zhì)的影響，在數(shù)值模擬計算過程中，將管內(nèi)混凝土的作用采用等效彈模的方法處理，即將管內(nèi)混凝土的剛度折算給管棚，計算方法如下公式式中：E為折算后管棚的彈性模量；S為管棚截面積；E0管棚鋼管彈性模量；S0為管棚鋼管有效截面積；Eg為混凝土的有效截面積；Sg為混凝土的彈性模量，取1.5×1010Pa；Es為鋼筋的有效截面積；Ss為鋼筋的彈性模量。共十九頁支護(zhīhù)結(jié)構(gòu)模擬管棚梁、初支的等效參數(shù)(cānshù)如下表所示名稱密度/Kg/m3彈性模量/GPa泊松比截面積/m2X軸慣性矩/m4管棚梁單元484097.10.36.218×10-33.078×10-6初支殼單元250031.90.250.32.25×10-3臨時仰拱殼單元250046.980.250.26.66×10-4共十九頁支護(zhīhù)結(jié)構(gòu)模擬注漿完成后，長管棚與注漿加固圈在拱頂形成了穩(wěn)固可靠的固結(jié)殼。在模擬計算中，為了考慮這種殼效應(yīng)，通過提高(tígāo)管棚與加固圍巖形成的厚筒結(jié)構(gòu)的參數(shù)來實現(xiàn)，并通過線彈性本構(gòu)模型單元模擬管棚注漿層。單排注漿管注漿時厚筒的厚度可由如下公式計算過得出。式中：D為注漿厚筒的厚度；R為漿液的擴散半徑；S為相鄰兩注漿孔的間距。經(jīng)計算得管棚加固區(qū)的有效厚度為60cm，數(shù)值模擬中采用線彈性本構(gòu)模型模擬管棚注漿層。共十九頁施工(shīgōng)步驟模擬數(shù)值模擬開挖嚴格按照隧道施工工法，計算地應(yīng)力平衡后，首先添加大管棚梁單元和管棚注漿加固殼體，然后開挖上臺階，緊接著對上臺階圍巖添加初期(chūqī)支護殼單元，并在臺階上添加臨時仰拱的殼單元，計算穩(wěn)定后開挖下臺階并添加支護，最終計算至平衡。

上臺階開挖后位移云圖

下臺階開挖后位移云圖共十九頁計算結(jié)果分析(fēnxī)為研究大管棚對掌子面前方(qiánfāng)加固效果，在隧道拱頂軸線方向上每隔1m布置一個監(jiān)測點，監(jiān)測開挖過程中沉降值變化，點布置如下圖。共十九頁計算結(jié)果分析(fēnxī)各點沉降位移與未添加管棚注漿支的護開挖工法相比較，所得結(jié)果如下兩圖。從圖可知在掌子面前方4m處，圍巖的變形達到最大值，未加管棚時位移達到了95cm，圍巖基本上已經(jīng)進入(jìnrù)塑性破壞狀態(tài)。而管棚注漿超前支護后，其掌子面前方的圍巖最大沉降位移控制在8cm以內(nèi)，保證了前方土體的穩(wěn)定性。

無管棚拱頂沉降位移

有管棚拱頂沉降位移圖共十九頁計算結(jié)果分析(fēnxī)管棚梁的彎矩變形圖和注漿加固區(qū)的變形圖如下所示，由圖可見管棚和管棚加固的區(qū)域的最大彎矩和最大應(yīng)力并不是發(fā)生在掌子面上，而是發(fā)生在掌子面前方未開挖階段，距掌子面4m到5m的范圍內(nèi)，與前述監(jiān)測位移曲線(qūxiàn)變化相符合。管棚梁單元彎矩圖

管棚注漿殼體單元應(yīng)力圖共十九頁結(jié)論(jiélùn)大管棚注漿法使鋼管與圍巖通過漿液充填縫隙而形成一體，從而限制了管棚與圍巖的相對運動，同時形成強度較高的管棚注漿層殼體。一方面，分析可知管棚在掌子面前就有了一定的變形，這也說明管棚可以承擔(chéngdān)掌子面前方的荷載，減小地層工前沉降，同時起到阻隔沉降和均勻地層沉降的作用，控制掌子面前方土體的位移，防止前方土體的塌方涌入。另一方面，管棚在承擔了圍巖一部分縱向的荷載，減少了拱頂初期支護圍巖受力，增強了隧道的安全系數(shù)。共十九頁內(nèi)容(nèiróng)總結(jié)案例4。計算模型的左、右、前、后邊界和下邊界均為