畢志剛，王 凱，王儀宇，梁 斌

(1.中鐵十五局集團(tuán) 第一工程有限公司，陜西 西安 710018；2.河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023)

0 引言

隨著中國(guó)山區(qū)公路隧道建設(shè)的高速發(fā)展，地下工程施工不可避免地需要穿越復(fù)雜地質(zhì)地貌，隧道施工過(guò)程中穿越軟弱破碎圍巖或斷層破碎帶地段時(shí)，常因隧道圍巖自穩(wěn)能力差或初期支護(hù)強(qiáng)度不夠造成隧道坍塌或冒頂[1-2]。因此，研究淺埋偏壓、軟弱破碎圍巖小凈距隧道管棚超前支護(hù)具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義[3]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬的方法，對(duì)不良地質(zhì)條件下管棚超前支護(hù)做了許多研究。文獻(xiàn)[4]以包西鐵路田莊隧道為背景，研究了管棚超前支護(hù)在軟弱破碎圍巖隧道中的作用機(jī)理，并對(duì)管棚超前支護(hù)設(shè)計(jì)和施工重點(diǎn)作了詳細(xì)介紹。文獻(xiàn)[5]以某一淺埋偏壓黃土隧道為背景，研究了管棚超前支護(hù)在特殊地質(zhì)條件下的施工流程、工藝以及施工控制技術(shù)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)證明了該方法的合理性。文獻(xiàn)[6]采用MIDAS GTS NX有限元軟件，研究了4種超前支護(hù)方案在軟弱圍巖地層預(yù)加固效果的比選問(wèn)題，研究結(jié)果表明：管棚水平旋噴樁組合為最優(yōu)施工方案。文獻(xiàn)[7]采用彈塑性有限元方法，研究了管棚預(yù)注漿超前支護(hù)在軟弱圍巖隧道加固中的作用效果和影響因素，結(jié)果顯示:采用管棚超前支護(hù)優(yōu)化了拱部受力，降低了圍巖位移量。文獻(xiàn)[8]采用彈性地基梁模型，對(duì)比分析了Φ76和Φ108超前管棚在淺埋軟巖公路隧道的加固效果，研究結(jié)果表明:Φ108管棚超前支護(hù)效果更好。文獻(xiàn)[9]依托蘭州柳泉3#隧道，研究了在西北黃土地區(qū)小凈距隧道超前支護(hù)方案的比選問(wèn)題，采用MIDAS GTS NX有限元軟件，分析了3種方案下的隧道位移變化規(guī)律，最終選出大管棚配合水平旋噴樁為最優(yōu)施工方案。

盡管?chē)?guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)軟弱圍巖淺埋偏壓隧道管棚超前支護(hù)進(jìn)行了較多研究，但對(duì)于軟弱圍巖小凈距隧道管棚超前支護(hù)力學(xué)特性分析和施工技術(shù)研究相對(duì)較少。本文依托福建三明莆炎高速公路布盂隧道工程，采用MIDAS GTS NX有限元軟件，建立了不同超前支護(hù)工況下淺埋偏壓小凈距隧道模型，分析了在不同開(kāi)挖步序下，管棚彎矩的分布規(guī)律以及在不同工況下的圍巖位移、襯砌應(yīng)力和圍巖塑性區(qū)變化規(guī)律，并針對(duì)管棚超前支護(hù)提出施工控制技術(shù)，一定意義上指導(dǎo)了現(xiàn)場(chǎng)施工，并可為類(lèi)似軟弱圍巖淺埋偏壓小凈距隧道施工提供借鑒與參考。

1 工程概況

中鐵十五局集團(tuán)第一工程有限公司承建的莆炎高速公路布盂隧道左線(xiàn)里程樁號(hào)Z3K196+298～Z3K197+290，全長(zhǎng)992 m，隧道縱坡為1.75%；右線(xiàn)里程樁號(hào)K196+225～K197+304，全長(zhǎng)1 079 m，隧道縱坡為1.70%；隧道左右線(xiàn)平均長(zhǎng)1 035.5 m，屬長(zhǎng)隧道，最大埋深126 m。布盂隧道進(jìn)口位于福建省尤溪縣新陽(yáng)鎮(zhèn)高士村布盂境內(nèi)，出口位于大田縣文江鄉(xiāng)橋下村，整體呈北東～南西走向，進(jìn)出口均位于山坡半山腰，交通較為不便。布盂隧道屬雙洞分離式隧道，單洞設(shè)計(jì)三車(chē)道，寬16.84 m，高7.94 m，進(jìn)口線(xiàn)間距18 m，出口線(xiàn)間距19 m，進(jìn)出口端均采用端墻式洞門(mén)。隧道進(jìn)口洞門(mén)如圖1所示。

圖1 隧道進(jìn)口洞門(mén)

隧址區(qū)構(gòu)造屬剝蝕丘陵地貌，地形坡度30°～50°，隧道地面標(biāo)高為300～460 m，相對(duì)高差40～110 m。隧道進(jìn)口段地形呈緩坡段，植被發(fā)育，山體上部地形自然坡度10°～15°，山體下部坡度20°～30°，地形偏壓。土層呈松散狀，可塑-硬塑態(tài)，巖層強(qiáng)風(fēng)化裂隙發(fā)育，呈碎石狀壓碎結(jié)構(gòu)。隧道進(jìn)口段埋深淺，圍巖等級(jí)為Ⅴ級(jí)，穩(wěn)定性較差，邊仰坡和兩側(cè)邊坡開(kāi)挖易引起坍塌，進(jìn)洞困難。

2 隧道洞口管棚超前支護(hù)

2.1 軟弱圍巖失穩(wěn)機(jī)理

淺埋隧道軟弱圍巖失穩(wěn)力學(xué)機(jī)理實(shí)質(zhì)上是地應(yīng)力效應(yīng)，當(dāng)隧道開(kāi)挖后二次分布的應(yīng)力值超過(guò)圍巖塑性極限或強(qiáng)度極限時(shí)，隧道頂部圍巖將發(fā)生顯著變形、破碎等現(xiàn)象。隧道開(kāi)挖引起圍巖應(yīng)力重分布，使得隧道頂部出現(xiàn)壓應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時(shí)在地形偏壓作用下未支護(hù)位置頂部圍巖容易出現(xiàn)剪切滑移，進(jìn)而產(chǎn)生塑性破壞。隧道開(kāi)挖應(yīng)力重分布后，軟弱圍巖失去原有強(qiáng)度成為分散體，在重力作用下脫離原有地應(yīng)力，從而產(chǎn)生冒頂、塌落等現(xiàn)象[10]。

軟弱圍巖失穩(wěn)破壞經(jīng)歷從松弛到離散的過(guò)程，分析圍巖失穩(wěn)過(guò)程對(duì)于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)圍巖變形具有重要意義。在松弛階段，由于圍巖產(chǎn)生的形變壓力，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)和松弛圍巖共同承擔(dān)上部地層荷載，圍巖尚可近似視為連續(xù)介質(zhì)；在離散階段，由于圍巖產(chǎn)生的松動(dòng)壓力，軟弱圍巖在自重作用下坍落，脫離原有地應(yīng)力背景，不再承受上部荷載。隧道開(kāi)挖后圍巖出現(xiàn)塑性區(qū)，在無(wú)支護(hù)工況下，圍巖塑性變形逐步增大，圍巖經(jīng)歷從松弛到離散的過(guò)程，當(dāng)變形達(dá)到一定量時(shí)，產(chǎn)生松動(dòng)壓力，從而導(dǎo)致隧道圍巖坍塌。在有支護(hù)工況下，支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生抗力，承擔(dān)上部軟弱破碎圍巖以及塑性變形作用。由修正Fenner-Talobre公式可知，塑性區(qū)外徑與支護(hù)抗力Pi之間關(guān)系為[11-12]：

(1)

其中：Pi為支護(hù)結(jié)構(gòu)提供的支護(hù)抗力，kN；r為隧道洞室開(kāi)挖半徑,m；R為塑性區(qū)外徑,m。

依據(jù)式(1)，由支護(hù)抗力Pi可以得到相應(yīng)的圍巖收斂值[13]，計(jì)算收斂值不僅可為隧道支護(hù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)提供依據(jù)，還可為施工中隧道圍巖坍塌提供預(yù)警。

2.2 管棚受力分析

2.2.1 基本假定

管棚鋼管受力分析如圖2所示，沿鋼管縱向?qū)摴芊譃橐验_(kāi)挖支護(hù)段(AB)、已開(kāi)挖未支護(hù)段(BC)、掌子面前方土體松動(dòng)段(CD)和圍巖土體擾動(dòng)段(DE)。

圖2 管棚鋼管受力分析

根據(jù)管棚鋼管受力模型，基本計(jì)算假定如下：

(Ⅰ)假定管棚鋼管是作用在Winkler彈性地基上的梁，此時(shí)外荷載與位移之間的關(guān)系為：

p(x)=kω(x)，

(2)

其中：k為地基土體彈性參數(shù)；ω(x)為地基位移函數(shù)。

(Ⅱ)在開(kāi)挖面鄰近區(qū)域，隧道頂部圍巖厚度H變化不大，可將管棚承受的上部荷載q(x)看作均布荷載，管棚鋼管上部荷載由Terzaghi公式[14]計(jì)算：

(3)

b1=b+htan (45°-φ/2)；

(4)

q(x)=Pδ，

(5)

其中：b為隧道開(kāi)挖寬度的1/2，m；γ為圍巖重度,kN/m3；c為黏聚力,kPa；φ為摩擦角,(°)；K0為側(cè)壓力系數(shù)；q為地面荷載，kN；δ為管棚環(huán)向間距,m；H為隧道頂部圍巖厚度,m；h為開(kāi)挖高度,m。

(Ⅲ)假設(shè)破裂面始于掌子面，側(cè)面巖石破裂面與掌子面之間的夾角為(45°-φ/2)，則CD段長(zhǎng)度d=htan(45°-φ/2)。

2.2.2 力學(xué)模型的建立

根據(jù)以上假定，管棚鋼管一般設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為30～40 m，可將管棚鋼管視為Winkler長(zhǎng)地基梁，管棚鋼管力學(xué)模型如圖3所示。

圖3 管棚鋼管力學(xué)模型

基于Winkler彈性地基梁理論，可得管棚撓曲微分方程為：

(6)

管棚鋼管各段撓曲微分方程由式(6)可得：

(7)

(8)

(9)

文獻(xiàn)[14]提出了基于Winkler彈性地基梁模型的淺埋隧道管棚鋼管受力微分方程求解方法，本文引用其微分求解過(guò)程，代入特定邊界條件，得到全部待定系數(shù)，代入管棚各段微分方程可得管棚各段撓度方程ωi(x)，根據(jù)以下公式可得管棚轉(zhuǎn)角θ和管棚鋼管彎矩M。

(10)

(11)

2.3 管棚加固機(jī)理

對(duì)于淺埋隧道，根據(jù)巖柱平衡拱理論，認(rèn)為隧道開(kāi)挖后圍巖破壞在拱頂上方位置形成弧形平衡拱，平衡拱內(nèi)圍巖全部質(zhì)量為支護(hù)結(jié)構(gòu)所承受的荷載[15]。管棚支護(hù)剖面圖如圖4所示。上覆圍巖軟弱且破碎的隧道由于圍巖穩(wěn)定性差，隧道頂部承受較大壓應(yīng)力，因此在洞口施工時(shí)通常采用超前大管棚來(lái)提高隧道頂部圍巖強(qiáng)度，以提高圍巖自穩(wěn)能力。超前管棚施作后，在隧道縱向和橫向形成一個(gè)“簡(jiǎn)支梁”和“承載拱”，具有較大剛度以抵抗軟弱圍巖過(guò)大變形。

圖4 管棚支護(hù)剖面圖

管棚超前支護(hù)在加固破碎圍巖時(shí)形成的“承載拱”，承受著拱頂圍巖傳來(lái)的荷載并將受到的壓力分散到鋼拱架和隧道前方未開(kāi)挖土體上，減少了掌子面開(kāi)挖時(shí)前方圍巖受到的壓力。管棚進(jìn)口由導(dǎo)向墻鋼拱架支撐，末端深入圍巖內(nèi)部，形成“簡(jiǎn)支梁”結(jié)構(gòu)，支撐著上部軟弱破碎圍巖。

3 數(shù)值模擬

3.1 模型建立及邊界條件

運(yùn)用MIDAS GTS NX軟件，建立三維模型，模擬無(wú)超前支護(hù)和管棚超前支護(hù)兩種工況下小凈距隧道中隔壁法施工過(guò)程，先開(kāi)挖右洞后開(kāi)挖左洞。根據(jù)圣維南原理[16]，確定最終模型：橫向(X軸)150 m；豎向(Z軸)上邊界至地表，下邊界到隧道洞底以下40 m；隧道開(kāi)挖縱深(Y軸)40 m。圍巖及注漿加固區(qū)通過(guò)三維實(shí)體單元進(jìn)行模擬，采用莫爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型，圍巖應(yīng)力僅考慮自重應(yīng)力[17]；初期支護(hù)考慮噴射混凝土和鋼拱架的組合作用；建模時(shí)考慮最不利因素，不對(duì)二次襯砌進(jìn)行模擬，隧道三維模型如圖5所示。

圖5 隧道三維模型

3.2 模型參數(shù)選取

初期支護(hù)不對(duì)鋼拱架進(jìn)行模擬，考慮將其彈性模量折算到噴射混凝土上，初期支護(hù)等效彈性模量由式(12)確定[18]：

(12)

其中：E為初期支護(hù)等效彈性模量，MPa；E0為噴混彈性模量，MPa；Sg為鋼拱架截面積，m2；Eg為鋼拱架彈模，MPa；Sc為噴射混凝土截面積，m2。

通常情況管棚采用單排管注漿(見(jiàn)圖6)，管棚注漿加固圈厚度D由式(13)確定[19]：

圖6 單排管注漿圖

(13)

其中：D為管棚加固圈厚度，m；R為水泥漿擴(kuò)散半徑，m；s為相鄰兩注漿孔間距，m。

參照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[20]中圍巖與土層參數(shù)以及上述公式的計(jì)算結(jié)果，所得隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 管棚受力分析

通過(guò)對(duì)該淺埋隧道管棚超前支護(hù)進(jìn)行模擬，得到在不同開(kāi)挖步序下管棚的受力狀態(tài)。圖7是管棚在不同開(kāi)挖階段的彎矩M特征云圖。

(a) 第1步開(kāi)挖

通過(guò)分析管棚彎矩分布(見(jiàn)圖7)可知：隨著掌子面向前開(kāi)挖，管棚彎矩最大值出現(xiàn)在掌子面處(見(jiàn)圖7a)，待隧道開(kāi)挖支護(hù)穩(wěn)定后(見(jiàn)圖7b)，管棚彎矩很小且分布相對(duì)均勻。這是由于在隧道開(kāi)挖過(guò)程中，開(kāi)挖面前方土體卸荷產(chǎn)生松動(dòng)區(qū)域，使得該位置管棚承受的垂直荷載增大，產(chǎn)生較大彎矩；在鄰近掌子面處，管棚起到臨時(shí)簡(jiǎn)支梁作用，在遠(yuǎn)離開(kāi)挖面處這種梁效應(yīng)消失，轉(zhuǎn)而處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；隧道開(kāi)挖支護(hù)完成后，管棚將承受的上覆荷載均勻地分散到支護(hù)結(jié)構(gòu)上，與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同承擔(dān)上部軟弱破碎圍巖，此時(shí)管棚受力小且較為均勻，這表明管棚超前支護(hù)對(duì)隧道洞口圍巖起到了穩(wěn)定作用。

4.2 圍巖位移分析

隧道開(kāi)挖支護(hù)完成后管棚超前支護(hù)工況下圍巖豎向位移云圖如圖8所示。由圖8可知：兩種工況下隧道圍巖豎向位移變形規(guī)律基本相同，整體向斜下方偏移。由于該隧道下穿淺埋段且地形偏壓導(dǎo)致圍巖兩側(cè)受力不均勻，深埋側(cè)位移遠(yuǎn)大于淺埋側(cè)，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)深埋側(cè)沉降變形控制。

圖8 管棚超前支護(hù)工況下圍巖豎向位移云圖

通過(guò)對(duì)無(wú)超前支護(hù)和管棚超前支護(hù)兩種工況下的拱頂沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，得到拱頂沉降變化曲線(xiàn)，如圖9所示。由圖9可知：管棚超前支護(hù)對(duì)抑制拱頂沉降起到重要作用，無(wú)超前支護(hù)累計(jì)拱頂沉降左洞為4.35 mm、右洞為9.88 mm，管棚超前支護(hù)工況下累計(jì)拱頂沉降左洞為2.93 mm、右洞為7.10 mm。對(duì)比兩種工況下的最大拱頂沉降可知：管棚超前支護(hù)對(duì)左、右洞拱頂沉降的降幅分別達(dá)32.64%和28.14%。由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知：隧道開(kāi)挖支護(hù)穩(wěn)定后左洞拱頂沉降為3.55 mm，右洞拱頂沉降為7.67 mm，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)吻合度良好，表明理論計(jì)算結(jié)果具有一定的可靠性。

(a) 左洞拱頂沉降

4.3 襯砌應(yīng)力分析

無(wú)超前支護(hù)工況下最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力云圖如圖10所示。由圖10可知：由于隧道開(kāi)挖使得圍巖應(yīng)力釋放，上部圍巖壓力由支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)，圍巖應(yīng)力重新分布，襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在拱腰、拱腳和隧道仰拱處。管棚超前支護(hù)工況下最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力云圖如圖11所示，相較無(wú)超前支護(hù)，應(yīng)力集中現(xiàn)象有所減弱，且拱頂部位應(yīng)力分布較為均勻。由圖10和圖11可知：在地形偏壓作用下，右洞上方承受較大荷載，襯砌應(yīng)力均大于左洞。隧道采用管棚注漿預(yù)加固隧道上方軟弱破碎圍巖形成“承載拱”，這個(gè)結(jié)構(gòu)將上部傳來(lái)的荷載均勻地分散到支護(hù)結(jié)構(gòu)上，使得拱頂位置受力更加均勻。

(a) 最大主應(yīng)力

(a) 最大主應(yīng)力

隧道拱腰和拱腳部位主應(yīng)力如表2所示。由表2可知：采用管棚預(yù)注漿超前支護(hù)，拱腰和拱腳處應(yīng)力值較無(wú)超前支護(hù)工況下有所減小，拱腰處最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分別減少15.66%和17.75%，拱腳處最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分別減少12.18%和23.40%。由《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[20]可知：C25噴射混凝土設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度值為12.5×103kPa，應(yīng)力值均未超過(guò)規(guī)范設(shè)計(jì)值，初期支護(hù)處于安全狀態(tài)。

表2 關(guān)鍵部位主應(yīng)力 ×103 kPa

4.4 圍巖塑性區(qū)分析

無(wú)超前支護(hù)和管棚預(yù)注漿超前支護(hù)兩種工況下的圍巖塑性區(qū)應(yīng)變?cè)茍D如圖12所示。由圖12可知：由于地形偏壓，隧道開(kāi)挖后塑性區(qū)產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)擴(kuò)展，右洞塑性發(fā)展程度明顯較左洞大，兩種工況下隧道圍巖塑性區(qū)主要集中在深埋側(cè)邊墻兩側(cè)拱腰和拱腳處以及淺埋側(cè)邊墻右側(cè)拱腳處，隧道施工時(shí)應(yīng)采用鎖腳錨桿對(duì)這些部位進(jìn)行加固并重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。對(duì)比兩種工況洞口相同位置，可以看到采用管棚預(yù)注漿超前支護(hù)后塑性區(qū)較無(wú)超前支護(hù)有所減小。這是由于隧道開(kāi)挖后應(yīng)力得以釋放，在加有注漿加固圈后，部分圍巖壓力由加固圈承擔(dān)，增強(qiáng)了圍巖的自穩(wěn)能力。

(a) 無(wú)超前支護(hù)

從數(shù)值模擬結(jié)果分析管棚超前支護(hù)的加固作用，無(wú)超前支護(hù)工況下最大塑性應(yīng)變值為3.63×10-3，管棚超前支護(hù)最大塑性應(yīng)變值為2.44×10-3，相比無(wú)超前支護(hù)減小32.78%。綜上所述，可以驗(yàn)證管棚支護(hù)在隧道開(kāi)挖前已經(jīng)對(duì)掌子面上部軟弱破碎圍巖進(jìn)行了固結(jié)加固，可使上部荷載均勻分散到鋼拱架和初期支護(hù)上，表明管棚預(yù)注漿法對(duì)于增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性以及限制圍巖塑性區(qū)發(fā)展起到了重要作用。

5 管棚超前支護(hù)施工控制技術(shù)

5.1 管棚施工

管棚采用Φ108×6 mm熱軋無(wú)縫鋼管或熱軋無(wú)縫鋼花管，并采用Φ114×6 mm鋼管絲扣進(jìn)行連接；隧道左線(xiàn)進(jìn)口管棚長(zhǎng)30 m，右線(xiàn)進(jìn)口管棚長(zhǎng)40 m，環(huán)向間距40 cm，外插角1°～3°，與線(xiàn)路中線(xiàn)平行。管棚施工過(guò)程中，為了控制管棚打設(shè)方向，應(yīng)采用測(cè)斜儀進(jìn)行校準(zhǔn)，且應(yīng)按照管棚設(shè)計(jì)位置施工；鉆孔時(shí)為使鉆機(jī)平穩(wěn)靈活，能在水平方向360°范圍內(nèi)作業(yè)，應(yīng)按照鉆孔深度及孔徑要求選用鉆機(jī)并安設(shè)導(dǎo)向架。為保障隧道圍巖穩(wěn)定，在管棚注漿前應(yīng)在開(kāi)挖面噴一層10～20 cm厚素混凝土作為止?jié){墻。管棚接頭若在同一橫斷面，在隧道開(kāi)挖后易發(fā)生折斷，應(yīng)將同一橫斷面鋼管接頭數(shù)控制在50%以?xún)?nèi)，相鄰接頭錯(cuò)開(kāi)間距1 m以上，按照奇數(shù)孔第1節(jié)長(zhǎng)3 m，偶數(shù)孔第1節(jié)長(zhǎng)6 m，以后每節(jié)長(zhǎng)6 m的方法將接頭錯(cuò)開(kāi)。

5.2 施工效果

布盂隧道采用管棚超前支護(hù)，順利完成進(jìn)口淺埋偏壓小凈距段施工。管棚施工過(guò)程中注漿填充情況良好，涌水量小于0.4 L/min，砂漿在圍巖縫隙中擴(kuò)散，對(duì)軟弱破碎圍巖起到了固結(jié)作用，很好地增強(qiáng)了圍巖穩(wěn)定性。該項(xiàng)目采用管棚超前支護(hù)并配合中隔壁開(kāi)挖方法，減少了掌子面開(kāi)挖時(shí)前方圍巖受到的壓力，一定程度上避免了由于支護(hù)強(qiáng)度不夠或支護(hù)不及時(shí)導(dǎo)致的安全事故，確保了隧道安全快速施工，管棚超前支護(hù)效果圖如圖13所示。

圖13 管棚超前支護(hù)效果圖

6 結(jié)論

(1)隨著掌子面不斷推進(jìn)，管棚在開(kāi)挖面附近受力變形較大，在開(kāi)挖支護(hù)完成后，管棚受力較小且較為均勻，對(duì)隧道圍巖起到穩(wěn)定作用。

(2)管棚超前支護(hù)能夠有效控制隧道圍巖拱頂沉降，相較于無(wú)超前支護(hù)，左、右洞拱頂沉降減少了32.64%和28.14%。

(3)軟弱圍巖小凈距隧道開(kāi)挖支護(hù)完成后，襯砌應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在拱腰和拱腳處，采用管棚超前支護(hù)后襯砌結(jié)構(gòu)拱腰處最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分別減少了15.66%和17.75%，拱腳處最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力分別減少了12.18%和23.40%。

(4)圍巖塑性區(qū)主要集中在深埋側(cè)邊墻兩側(cè)拱腰和拱腳處以及淺埋側(cè)邊墻右側(cè)拱腳處，無(wú)超前支護(hù)工況下隧道圍巖最大塑性應(yīng)變?yōu)?.63×10-3，管棚超前支護(hù)工況下隧道圍巖最大塑性應(yīng)變?yōu)?.44×10-3，減少了32.78%。

(5)采用管棚超前支護(hù)有利于增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性、改善支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)以及限制圍巖塑性區(qū)發(fā)展，可為類(lèi)似軟弱圍巖小凈距隧道施工提供一定借鑒與參考。管棚施工過(guò)程中注漿填充情況良好，漿液擴(kuò)散狀況良好，對(duì)軟弱破碎圍巖起到固結(jié)作用。