董 捷 李成獻 楊 博

(1.河北建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000；2.河北省土木工程診斷、改造與抗災(zāi)重點實驗室，河北 張家口 075000)

1 引 言

隨著我國交通運輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，鐵路、公路等線網(wǎng)越來越密集，不可避免的出現(xiàn)線路交叉的情況.為解決這一嚴(yán)峻問題，隧道下穿已成為一種常用的方式.在下穿過程中常采用管棚法作為超前支護.

管棚法作為一種重要的暗挖施工工法在日本、美國及歐洲各國被廣泛采用.國外學(xué)者采用數(shù)值模擬的手段對實際工程中采用管棚支護隧道的穩(wěn)定性進行了一些研究.Mohammad等[1]采用數(shù)值模擬的方法，對伊朗輸水隧道開挖過程中穿越拉勒扎爾斷層隧道穩(wěn)定性進行了研究.發(fā)現(xiàn)管棚法具有優(yōu)異的加固效果.Forrest等[2]對弱砂巖材料進行了室內(nèi)巖土試驗得到了相關(guān)參數(shù)，得出了預(yù)埋梁的彎矩隨管間距和直徑的變化規(guī)律，并且采用安全系數(shù)法設(shè)計了一種管棚系統(tǒng).Mete等[3]對淺埋地鐵隧道周圍脆弱、斷裂巖石的危險區(qū)域進行了調(diào)查，得出了使用支撐體系可以有效的保障地表建筑的結(jié)論.Shi等[4]針對魚龍水庫溢洪道下穿梁門隧道軟弱地基工程，提出了亞水平噴射灌漿柱與管棚組合加固的方案.并用數(shù)值模擬的方法對其進行模擬，結(jié)果表明：設(shè)置管棚后地表沉降、收斂和主襯砌應(yīng)力均得到了降低，開挖面的穩(wěn)定性得到了大幅度提高.

雖然管棚法具有優(yōu)異的加固效果，但在實際工程中，管棚參數(shù)往往根據(jù)經(jīng)驗確定，沒有形成一套完整、系統(tǒng)的理論體系.鑒于此，結(jié)合實際工程進行建模，開展了多工況數(shù)值仿真模擬，研究了管棚參數(shù)對地表沉降控制效果的影響，以期為軟弱圍巖條件下大斷面淺埋隧道管棚支護優(yōu)化設(shè)計提供參考.

2 模型建立

2.1 隧道模型

本文采用文獻[5]中的重慶東環(huán)線白楊灣下穿高速公路隧道進行建模，隧道寬度為13.96 m，高度為12.77 m，拱頂距地表3 m，屬于大斷面淺埋隧道.

采用有限差分法軟件Flac3D按照實際尺寸進行建模，為方便建模將隧道形狀簡化成上斷面半徑為7 m的半圓，下斷面為半個橢圓.隧道兩側(cè)各取3倍洞徑，總長為72 m，向下取26 m，沿隧道縱深取50 m.模型尺寸為72 m×43 m×50 m，計算模型如圖1所示.計算分析時，根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[6]將上部汽車荷載和建筑物荷載簡化成20 kN/m2的均布荷載.隧道模型由圍巖、管棚、加固區(qū)和初期支護組成，其中管棚采用結(jié)構(gòu)單元中的beam單元進行模擬，通過fish函數(shù)沿隧道開挖線外0.3 m水平插入.然后在y=0平面內(nèi)外限制beam單元各個方向的位移及轉(zhuǎn)角.采用實體單元模擬注漿加固區(qū)和初期支護，其中注漿加固區(qū)的厚度為0.3 m.

圖1 隧道模型

(1)地層參數(shù).

本工程中的圍巖以泥質(zhì)砂巖為主，圍巖等級為五級.查閱相關(guān)資料[7]可知砂質(zhì)泥巖中的注漿加固區(qū)強度處于圍巖和砂漿之間，通常為被加固圍巖中的2-3倍，本文中注漿加固區(qū)的參數(shù)取為圍巖參數(shù)的2倍.參考《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[8]得到隧道相關(guān)構(gòu)件參數(shù).具體參數(shù)如表1所示：

表1 模型參數(shù)

(2)管棚參數(shù).

在實際工程中通常會在鋼管內(nèi)注漿，一方面可以增加鋼管的剛度，另一方面可以對拱頂上方的土層進行加固，增加上方土體的承載能力.直接采用鋼管或水泥砂漿的彈性模量會造成比實際的彈性模量偏小，導(dǎo)致計算結(jié)果不符合實際.因此采用式(1)對管棚的彈性模量進行換算[7].同理，采用式(2)對管棚的重度進行換算.不同直徑管棚折算后的彈性模量和重度如表2所示：

表2 折算后的管棚參數(shù)

(1)

式中：E0為管棚等效彈性模量；E1為鋼管彈性模量；E2管棚注漿彈性模量；I1管棚慣性矩；I2管棚注漿慣性矩.

(2)

式中：γ為管棚等效重度；γ1為注漿重度；γ2鋼管重度；A1注漿面積；A2管棚面積.

3 計算結(jié)果分析

文獻[5]中采用直徑為108 mm、間距為0.4 m的管棚支護，計算得到的最終地表沉降為15.22 mm.本文中數(shù)值模擬的地表沉降為16.17 mm.對比發(fā)現(xiàn)兩者在數(shù)值上有一定的差別，這是因為本文中管棚直徑采用的為100 mm，同時在數(shù)值模擬中對一些工況進行了一定的簡化，造成了地表沉降的增加.總體來說相差不大，在7%以內(nèi).可以認(rèn)為本文中數(shù)值模型具有一定可靠性，能夠?qū)芘锏某休d特性進行反應(yīng).

影響管棚支護效果的因素主要有管棚直徑、間距和布置范圍.雖然提高這些參數(shù)可以增加支護體系的可靠性，但是盲目的提高會導(dǎo)致成本增加.為了探究管棚參數(shù)的最優(yōu)設(shè)計，采用控制變量法對管棚的直徑、間距和布置范圍進行了多工況數(shù)值模擬，以y=10 m處的地表沉降大小來評估管棚參數(shù)的影響.

3.1 管棚直徑

目前工程中常用的管棚直徑為80-180 mm，因此本文選取直徑為50 mm、100 mm、150 mm、200 mm、250 mm、300 mm的管棚進行分析，在其他條件保持一致的情況下，研究管棚直徑對地表沉降的影響.地表沉降隨管棚直徑變化的曲線如圖2所示.

圖2 地表沉降隨管棚直徑變化關(guān)系

從圖中可以看出，隨著管棚直徑的增加，地表的最大沉降逐漸減小.當(dāng)管棚直徑為50-250mm時，地表沉降呈現(xiàn)出非線性減小的趨勢且直線的斜率逐漸減小，這是因為隨著管棚直徑的增加，土體之間可以形成更加穩(wěn)定的土拱，減少了土體和管棚之間的相對位移；與此同時管棚自身的重度也隨之增大，所以當(dāng)管棚直徑超過200mm時，繼續(xù)增大直徑對地表沉降的控制效果較小.因此，從工程造價和支護效果方面考慮，管棚的最佳直徑宜為150～200mm.

3.2 管棚間距

在其他參數(shù)相同的情況下，選取工程中常用的間距0.3m、0.4m、0.5m、0.6m、0.7m分別進行模擬，研究管棚間距對隧道地表沉降的影響.

地表沉降隨管棚間距的關(guān)系如圖3所示，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著管棚間距的增加，地表最大沉降逐漸增大.當(dāng)管棚間距大于0.4m時，地表沉降迅速增加且直線斜率逐漸增加.這是由于管棚的加固機理主要是梁拱效應(yīng)，當(dāng)管棚間距增大時，土體之間由于間距的增大無法形成較穩(wěn)定的土拱，導(dǎo)致圍巖的松動掉落，進而造成管棚支護效果減弱.因此，當(dāng)管棚間距在0.3m-0.4m時，對地表沉降有較好的控制效果.

圖3 地表沉降隨管棚間距變化關(guān)系

3.3 布置范圍

為研究管棚布置角度對拱頂沉降的影響，選取布置角度為90°、100°、110°、120°、130°、140°、150°分別進行數(shù)值模擬.不同布置角度下地表最大沉降如圖4所示.

圖4 地表沉降隨布置角度變化關(guān)系

從圖4中可以看出，隨著管棚布置角度的增加，地表最大沉降逐漸減小，并且減小速率有變緩的趨勢.當(dāng)管棚布置角度小于120°時，隨著布置角度的增加地表最大沉降迅速減小；當(dāng)布置角度大于120°時，地表沉降隨布置角度的增加變化幅度不大.這是因為隨著管棚數(shù)量的增加，每根管棚承受的上部土體重力逐漸減小，因此管棚的撓度也相應(yīng)減小.圖5為布置范圍為90°、120°、150°的每根管棚沉降極坐標(biāo)圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，管棚最大沉降發(fā)生在隧道拱頂位置，從拱頂向拱腰沉降逐漸減小.對比不同布置范圍的管棚沉降可以看出，布置范圍為90°的每根管棚的沉降均大于布置范圍為120°的管棚，說明了管棚布置角度的增加可以減小管棚的沉降，進而使地表沉降減小.同時可以發(fā)現(xiàn)布置范圍為120°和150°管棚沉降曲線幾乎重合，說明了繼續(xù)增加管棚布置范圍并不能使管棚沉降減小，因此管棚的最佳布置范圍為120°.

圖5 管棚沉降隨角度變化關(guān)系

4 結(jié) 論

本文通過數(shù)值仿真模擬的方法建立了大斷面淺埋隧道管棚支護模型，研究了管棚直徑、管棚間距和布置范圍對管棚支護效果的影響，得到以下結(jié)論：

(1)增加管棚直徑可以顯著減小地表沉降，但考慮工程造價的影響，管棚直徑在150 mm～200 mm內(nèi)可以在造價成本與支護效果之間取得平衡.

(2)管棚間距的增大會導(dǎo)致地表沉降的增加，過小的間距會增加施工難度，當(dāng)管棚間距在0.3 m～0.4 m時可以達到較好的控制效果.

(3)管棚最大沉降發(fā)生在隧道拱頂位置，從拱頂向拱腰沉降逐漸減小，當(dāng)管棚布置范圍大于120°時，繼續(xù)增加管棚布置范圍對地表沉降控制效果影響不大.