張?chǎng)? 杜孟超

摘 要：本文主要對(duì)隧道施工過程中的圍巖失穩(wěn)和破壞機(jī)理進(jìn)行分析，對(duì)管棚預(yù)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合、支護(hù)形式進(jìn)行整理，對(duì)管棚和施工導(dǎo)向墻進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，并借助經(jīng)典力學(xué)理論知識(shí)，通過數(shù)字化建模和數(shù)學(xué)計(jì)算推導(dǎo)出管棚設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)和重要指標(biāo)參數(shù)。

關(guān)鍵詞：管棚支護(hù);鉆爆法;預(yù)支護(hù);穩(wěn)定性分析

中圖分類號(hào)：U455.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）31-0124-04

Study on Digital Modeling and Optimization of Pre-Support

Technology for Tunnel Pipe Shed

ZHANG Xin DU Mengchao

（Xi'an China Railway Engineering Equipment Co.， Ltd.，Xi'an Shaanxi 710200）

Abstract： This paper mainly analyzed the instability and failure mechanism of surrounding rock in the process of tunnel construction， sorted out the application occasions and support forms of pipe roof pre support technology， carried out parametric design for pipe roof and construction guide wall， and deduced the key technical parameters and important index parameters of pipe roof design with the help of classical mechanical theory and digital modeling and mathematical calculation.

Keywords： pipe shed support;drilling and blasting method;pre-support;optimization analysis

1 研究背景

隨著我國(guó)公路、鐵路修建里程不斷增加，隧道施工里程也在不斷增加。隧道施工往往需要穿越如軟弱大變形、富水、嚴(yán)重風(fēng)化、斷層等各種復(fù)雜的地層，施工難度大。當(dāng)隧道施工面臨淺埋地段、軟弱破碎地層及大面積淋水或涌水等不良地質(zhì)條件時(shí)，施工難度急劇增加，掌子面圍巖穩(wěn)定性將嚴(yán)重降低，易出現(xiàn)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，甚至?xí)霈F(xiàn)隧道洞體坍塌、冒頂?shù)戎卮蠊こ淌鹿?。為了提高隧道掌子面及拱頂?shù)姆€(wěn)定性，使隧道能按照正常進(jìn)度進(jìn)行施工，可以采用管棚超前預(yù)支護(hù)方法進(jìn)行巖體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)性支護(hù)，以達(dá)到加固圍巖、提升隧道施工安全的目的。

本文首先對(duì)幾種常見類型圍巖的受力形變特性進(jìn)行了描述，然后對(duì)管棚預(yù)支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景、布置形式及系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行研究，最后對(duì)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)與優(yōu)化，以達(dá)到提高管棚支護(hù)系統(tǒng)安全性，提升施工性價(jià)比的目的。

2 不同類型圍巖受力擾動(dòng)變形形式及特點(diǎn)

隧道開挖后，形成的洞室破壞了原始圍巖的穩(wěn)定性和應(yīng)力平衡，造成巖體的載荷回彈[1]，導(dǎo)致應(yīng)力和地下水重新分布，并引起圍巖變形、破壞。通常情況下，圍巖的應(yīng)力變化分布是從洞室周圍向巖體內(nèi)部逐漸減弱的，特別是對(duì)于洞室周圍拉應(yīng)力和壓應(yīng)力集中的區(qū)域，應(yīng)力釋放更為明顯。

隧道施工所造成的圍巖變形破壞程度和特性還與圍巖的巖性和結(jié)構(gòu)有關(guān)，在遭受相同程度的施工擾動(dòng)后，不同巖性和結(jié)構(gòu)的圍巖內(nèi)部巖體松動(dòng)程度和圍巖破壞效果相差較大，所釀成的工程事故嚴(yán)重程度也相差較大。

對(duì)于硬度較大的塊狀巖體，巖體本身具有較強(qiáng)的力學(xué)強(qiáng)度和抗變形能力，結(jié)構(gòu)面較長(zhǎng)且較稀疏，裂隙水含量極少，屬于均質(zhì)且各向同性的連續(xù)介質(zhì)。此類巖體應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，受到擾動(dòng)破壞時(shí)主要發(fā)生脆性開裂、巖爆等現(xiàn)象。巖爆時(shí)應(yīng)力快速釋放將巖塊迅速射出，產(chǎn)生氣流和聲音，造成洞室內(nèi)施工設(shè)備與人員損傷。在洞室周圍壓應(yīng)力和拉應(yīng)力集中的區(qū)域，極易產(chǎn)生巖體的脆性開裂，降低巖體穩(wěn)定性，造成局部塌方，引發(fā)安全事故。

軟硬巖體分層交互出現(xiàn)的巖體地層，巖體結(jié)構(gòu)主要由里層面為主，并夾雜伴隨有層間錯(cuò)動(dòng)和泥層等質(zhì)地軟弱的結(jié)構(gòu)發(fā)育。由于巖體層間物質(zhì)類型屬性質(zhì)地差距較大，很難達(dá)到各向同性的連續(xù)介質(zhì)屬性，在受到擠壓等擾動(dòng)時(shí)，極易因應(yīng)力急劇變化而造成巖體的彎曲、開裂。在距離洞室較近的巖體中，因應(yīng)力變化較大而極易造成彎曲折斷，若不能對(duì)巖體進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，極易造成局部巖體的坍塌跌落。由于洞室頂部巖體受重力影響，極易因拉應(yīng)力變化造成巖體層狀彎折，造成塌落，洞室側(cè)壁巖體因彎折產(chǎn)生鼓包現(xiàn)象，引發(fā)隧道變形和相關(guān)事故。

對(duì)于碎裂巖體，由于具有一定程度的碎裂，并含有一定量的泥沙，若碎裂和夾泥含量低，巖體將具有一定程度的自穩(wěn)性，不易造成大規(guī)模塌方;若碎裂和夾泥含量較高，巖體剛性較弱，隧道施工時(shí)如不及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，易產(chǎn)生大的塌方事故。

對(duì)于受風(fēng)化嚴(yán)重或新近堆積的松散巖體，其力學(xué)表現(xiàn)多為彈塑性、塑性或流塑性，其遭受破壞時(shí)多以拱形的冒落形式，造成隧道內(nèi)巖體的局部塌方、塑性擠入和滑動(dòng)變形等。

所以，在不同類型巖體環(huán)境中進(jìn)行隧道管棚支護(hù)作業(yè)時(shí)，應(yīng)結(jié)合不同巖性地層的特點(diǎn)綜合考慮管棚參數(shù)的計(jì)算、評(píng)價(jià)與優(yōu)化。

3 管棚設(shè)計(jì)與支護(hù)參數(shù)研究

3.1 管棚預(yù)支護(hù)技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)合

管棚超前預(yù)支護(hù)技術(shù)作為較為重要的一種隧道施工輔助方法，近年來在國(guó)內(nèi)外各種工況的隧道及地下工程施工過程中被廣泛應(yīng)用。管棚超前支護(hù)技術(shù)主要被用于軟弱土層、砂礫地層或軟巖、巖堆、松散、破碎帶等地層中，起到加固地層、防止地面沉降和地面設(shè)施損壞等作用，有效保障隧道的施工安全[2]。

3.2 管棚預(yù)支護(hù)的形式和參數(shù)設(shè)計(jì)

3.2.1 管棚布置形式。為保證隧道洞室施工安全，防止洞室發(fā)生局部坍塌，管棚預(yù)支護(hù)應(yīng)沿隧道開挖截面輪廓形狀的外周布置，重點(diǎn)布置在易發(fā)生損壞、坍塌的隧道拱頂、側(cè)壁等位置或需重點(diǎn)防護(hù)的位置。主要布置形式為將棚管按照防護(hù)要求以一定間隔排列于支護(hù)面外輪廓。棚管的具體配置和布置形狀取決于實(shí)際施工隧道的地質(zhì)特性、地表建筑物或設(shè)施情況等。

對(duì)隧道施工重點(diǎn)部位進(jìn)行管棚的超前布置，可以在隧道重點(diǎn)部位形成以鋼拱架支撐為主體的梁結(jié)構(gòu)。以加固局部巖體。同時(shí)，棚管多為中空鋼管，可通過鋼管向重點(diǎn)區(qū)域巖體注入水泥砂漿、水玻璃等巖體加固材料，以加固圍巖性，保證隧道掌子面和重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域的巖體穩(wěn)定。

3.2.2 管棚預(yù)支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)。管棚預(yù)支護(hù)的設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括鋼管選型、管棚長(zhǎng)度、仰角、棚管間距、掘進(jìn)步距、鋼拱架間距以及管棚水平搭接長(zhǎng)度等。目前，管棚所采用的鋼管多為熱軋無縫鋼管，隨著國(guó)內(nèi)外隧道管棚預(yù)支護(hù)技術(shù)的發(fā)展，管棚的形式和種類也日趨多樣，按照國(guó)內(nèi)目前常規(guī)管棚應(yīng)用情況，管棚主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下。

鋼管參數(shù)。通常選擇鋼管外徑為89～109 mm（小直徑），109～200 mm（大直徑）;長(zhǎng)度4～6 m，采用焊絲或絲扣（>15 cm）進(jìn)行分段連接，安裝仰角為3°～5°。

鋼管間距。鋼管間距主要受巖土穩(wěn)定性和鉆機(jī)施工精度影響，假設(shè)管棚鋼管在隧道拱頂以半圓形（圓心角為[α]）斷面均勻排布。根據(jù)幾何關(guān)系及施工經(jīng)驗(yàn)，可確定第[i]根鋼管與地面的距離：

第[i]根鋼管的間距為：

其中，[Li]為第[i]根鋼管到地面距離;[L]為隧道拱頂?shù)降孛婢嚯x;[gi]為第[i]根鋼管的鋼管間距;[R]為鋼管支護(hù)半徑;[α]為圓心角。管棚布局橫截面模型如圖1所示。

3.2.3 管棚支護(hù)長(zhǎng)度。管棚支護(hù)掘進(jìn)步距過長(zhǎng)或過短都會(huì)影響施工效率和施工安全。根據(jù)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，掘進(jìn)步距應(yīng)控制在0.5～2.0 m。管棚支護(hù)長(zhǎng)度計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示，計(jì)算公式如式（3）和式（4）所示。

其中：[S]為管棚支護(hù)長(zhǎng)度，m;[a]為外露鋼管長(zhǎng)度（可理解為鋼拱架寬度），m;[b]為任意一個(gè)循環(huán)進(jìn)尺，m;[c]為超前支撐長(zhǎng)度，m;[θ]為安裝仰角，°。

3.3 管棚施工導(dǎo)向墻設(shè)計(jì)

為保證管棚施工鋼管打入方向準(zhǔn)確，同時(shí)對(duì)鋼管進(jìn)行支撐，需要在管棚施工工作室的工作面位置制作一定厚度和硬度的混凝土防護(hù)墻，作為管棚施工的起始端，用以固定鋼管，確定鋼管導(dǎo)入方向。同時(shí)，可防止在管棚注漿作業(yè)時(shí)漿液流入管棚工作室，影響管棚施工。套拱內(nèi)按照固定間距預(yù)埋安裝有事先制作好的鋼拱架，鋼拱架內(nèi)部安裝有鋼套管，管套孔口設(shè)置有外插角，可以起到管棚鉆機(jī)施工導(dǎo)向和預(yù)防鉆機(jī)鉆頭因自重下沉的作用。

鋼拱架設(shè)計(jì)是按照?qǐng)A形隧道的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合彈性力學(xué)相關(guān)理論對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的[3]。設(shè)圍巖豎直方向的自重應(yīng)力：[?z=∫zdz]，圍巖水平方向的應(yīng)力：[?x=μ1-μ?z]，則圍巖初始應(yīng)力為：

隧道開挖后的應(yīng)力場(chǎng)：

其中：t為孔口半徑，m;r為徑向變量，m;[θ]為角度變量。

管棚施工的位移分量計(jì)算：

洞室周邊發(fā)生位移計(jì)算：

圍巖發(fā)生三次位移計(jì)算：

其中：

根據(jù)力學(xué)分析及數(shù)學(xué)計(jì)算得知，在法向方向圓環(huán)襯砌內(nèi)力為：

若[st≠0]，此時(shí)變形協(xié)調(diào)條件必須滿足環(huán)向與切向位移連續(xù)，從而得到[st]、[sn]的數(shù)值：

此時(shí)襯砌內(nèi)力為：

最大內(nèi)力為：

其中：

式中，[E1]為彈性模量;I為慣性矩，N·m;[μ]為泊松比;[r]為重度，kN/m;[E]為圍巖彈性模量，kPa;t為孔口半徑，m。

同時(shí)可得所需鋼筋最大截面積：

其中：[Nmax]為最大壓力，N;[f]為鋼材抗拉抗折強(qiáng)度，N/mm2。

4 管棚施工受力模型建立及掌子面穩(wěn)定性分析

4.1 管棚施工受力模型建立

由于模型的建立受施工區(qū)域土體條件、支護(hù)條件和施工步驟的影響較大，因此，若想成功建立管棚施工模型，必須對(duì)各項(xiàng)施工因素進(jìn)行設(shè)定，假設(shè)施工地域圍巖介質(zhì)各向同性，管棚幾乎不會(huì)產(chǎn)生橫向剪切變形以及薄膜效應(yīng)，管棚的水平方應(yīng)力為0，忽略圍巖的地下水影響和鋼管與巖體的摩擦力影響。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)分析，結(jié)合現(xiàn)有的管棚設(shè)計(jì)方法，在隧道施工過程中，將管棚進(jìn)行分區(qū)域模擬，將焊接在鋼拱架上的管棚端視為固定端，掌子面前方巖體中的部分采用彈性地基梁進(jìn)行模擬，后方部分采用梁模型進(jìn)行模擬[4]?？蓪⑹┕み^程中管棚和巖體的受力問題映射為兩種介質(zhì)接觸面處的接觸應(yīng)力問題進(jìn)行研究，根據(jù)理想狀態(tài)，假設(shè)隧道開挖時(shí)地基反力為直線分布[5]，結(jié)合前面的章節(jié)的各種條件假定，建立管棚施工力學(xué)模型如圖3所示。

其中：AB為開挖面前方地層到掌子面段;BC為掌子面到距離最近的鋼拱架段;CD段為掌子面與破裂面部分;DE為破裂面到固定端部分;[qx]為x段梁上的分布載荷;[px]為x段梁上的地基反力。根據(jù)幾何關(guān)系求解得管棚BC、CD、DE段的撓度曲線方程可化簡(jiǎn)為：

其中：[x]表示任意段梁的長(zhǎng)度，m;[y]為地基沉降量，m;[q]為x段梁的分布載荷，N;[E]為梁的彈性模量，MPa;[I]為梁的界面的慣性矩，m4。

通過求解以上方程式，可得到管棚的撓度、轉(zhuǎn)角、彎矩和剪力方程，從而確定管棚設(shè)計(jì)的各關(guān)鍵參數(shù)。

4.2 管棚作用下的掌子面穩(wěn)定性分析

通過上節(jié)對(duì)管棚支護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算可知，管棚系統(tǒng)對(duì)隧道掌子面的穩(wěn)定性影響問題，本質(zhì)為管棚與圍巖相互作用下接觸應(yīng)力的邊坡穩(wěn)定問題，可以通過極限平衡法、極限分析法及有限元分析法等傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定分析法對(duì)管棚支護(hù)系統(tǒng)作用下的掌子面穩(wěn)定性進(jìn)行分析，從而優(yōu)化管棚支護(hù)系統(tǒng)的各設(shè)計(jì)參數(shù)，提高隧道施工的安全性。

5 結(jié)語

本文通過對(duì)地質(zhì)施工環(huán)境條件進(jìn)行假定，通過經(jīng)典力學(xué)理論和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，建立了管棚超前支護(hù)的數(shù)字化模型與管棚預(yù)支護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)方程。可根據(jù)導(dǎo)入實(shí)際施工環(huán)境參數(shù)推導(dǎo)出管棚施工的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，指導(dǎo)管棚系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的取值。同時(shí)，根據(jù)數(shù)學(xué)模型方程，求解出管棚系統(tǒng)的重要指標(biāo)，并通過對(duì)關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算結(jié)果的評(píng)價(jià)與優(yōu)化，達(dá)到提高管棚支護(hù)系統(tǒng)安全性、提升施工性價(jià)比的目的。將管棚超前預(yù)支護(hù)技術(shù)應(yīng)用于隧道施工過程中，對(duì)保證掌子面穩(wěn)定性和控制地表沉降等具有極為重要的作用。在實(shí)際施工中，隧道管棚施工是個(gè)受多維因素影響的過程。本文采用二維穩(wěn)定性分析方法進(jìn)行數(shù)字化建模分析，此分析方法放大了施工安全系數(shù)，提升了隧道施工的安全性，對(duì)管棚設(shè)計(jì)施工和系統(tǒng)優(yōu)化具有重要的驗(yàn)證指導(dǎo)意義。

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