隧道管棚超前支护技术及其数值的模拟

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1、引言

随着经济和社会的发展,在交通建设中需要在繁忙的公路、铁路和既有建筑物下修建各种地下和隧道工程[1]。管棚支护作为一种长距离加固技术,在隧道工程中有着广泛的应用[2-3]。管棚支护能有效控制围岩的松弛,限制隧道的地表沉降、拱顶下沉和周边收敛,使开挖面前方一定范围内的围岩处于稳定状态。管棚施作后,开挖前方岩体的强度得到提高,形成了一个稳定承载环。此外,通过钢管对围岩注浆,使得浆液以填充、渗透、劈裂、挤压等方式,赶走土颗粒间或岩石裂隙中的水分和空气后并占据其位置,使得原来较为松散的土粒胶结成一个整体,提高围岩本身的自稳能力[4-5]。

在隧道工程中,通过对有无管棚支护隧道进行变形和应力监测,评价隧道管棚支护的作用效果,成本巨大。这里借用数值模拟的方法,对有无管棚支护隧道开挖过程中变形和应力的变化进行分析,并对管棚支护作用效果进行评价。

2、管棚支护的力学模型

对于管棚支护的作用效果,可以采用数值模拟的方法进行分析。将大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厚的环状加固圈,通过改善围岩参数的方法用梁单元或壳单元模拟加固地层。如在某隧道施工中,采用大管棚超前支护辅以超前小导管注浆,假定在地层中形成坚固的、连续的壳结构,并基于管棚的力学效果,将管棚简化为0.5m厚的预支护结构,如图1所示。

3、隧道开挖过程的数值模拟

3.1 计算模型的建立

选取计算模型的水平方向(x向)长度为18m,纵向(y向)长度为72m,竖向高度(z向)为22m,高速公路的宽取为20m,整个模型的坐标原点(0 0 0)为四部开挖的交界点。隧道的围岩采用六面体单元(brick element),初期支护采用壳体单元(shell element),管棚采用壳体单元(shell element),计算模型如图2所示。

模型边界条件为:水平方向的位移约束,fix x range x -18.1 -17.9,fix x range x 17.9 18.1;隧道轴向前后两侧边界的约束:fix y range y -0.1 0.1,fix y range y 71.9 72.1;底部边界的位移约束:fix z range z -8.1 -7.9,顶部为自由面不约束。

3.2 模型参数的选取

围岩采用摩尔―库仑(Mohr-Coulomb)模型。隧道下穿高速公路段围岩主要为人工填土,根据实际情况,围岩材料参数按表1选取。初期支护采用壳单元进行模拟,其中钢拱架的作用采用等效方法予以考虑,即将钢拱架弹性模量可按式(1)折算给喷射混凝土。

3.3 初始地应力模拟

在此隧道地表附近,围岩的初始应力主要是由于重力作用引起的,应力随着深度的增加而增大。这里只考虑围岩的自重应力,围岩的侧压力系数 ,将围岩材料参数赋值给计算模型后求解。可得到模型的初始应力场分别如图3所示。

3.4 隧道开挖与支护模拟

在FLAC3D中,零模型(null)通常用来表示被移除或开挖掉的材料,且移除或开挖区域的应力自动设置为零。在隧道开挖之前,在开挖轮廓线外先将大管棚区域设置为零模型(model null),然后用壳单元模拟。根据现场的施工工艺、施工进度,可通过如下步骤模拟整个隧道的施工过程:

① 按6m步距开挖一部(0~6m),求解平衡,然后用壳单元模拟初期支护和临时支护;

② 按6m步距开挖一部(6~12m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m步距开挖二部(0~6m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;

③ 按6m步距开挖一部(12~18m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m步距开挖二部(6~12m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m步距开挖三部(0~6m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;

④ 按6m步距开挖一部(18~24m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m步距开挖二部(12~18m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m步距开挖三部(6~12m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m步距开挖四部(0~6m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;

⑤ 按6m步距开挖一部(24~30m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m步距开挖二部(18~24m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m步距开挖三部(12~18m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m步距开挖四部(6~12m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m开挖仰拱(0~6m),求解平衡,删除临时支护,恢复仰拱的材料参数模拟仰拱浇筑;

⑥ 按6m步距开挖二部(24~30m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m步距开挖三部(18~24m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m步距开挖四部(12~18m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m开挖仰拱(6~12m),求解平衡,删除临时支护,恢复仰拱的材料参数模拟仰拱浇筑; ⑦ 按6m步距开挖三部(24~30m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m步距开挖四部(18~24m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m开挖仰拱(12~18m),求解平衡,删除临时支护,恢复仰拱的材料参数模拟仰拱浇筑;

⑧ 按6m步距开挖四部(24~30m),求解平衡,用壳单元模拟初期支护和临时支护;按6m开挖仰拱(18~24m),求解平衡,删除临时支护,恢复仰拱的材料参数模拟仰拱浇筑。

⑨ 按6m开挖仰拱(24~30m),求解平衡,删除临时支护,恢复仰拱的材料参数模拟仰拱浇筑。

根据上述开挖和支护模拟方法,可以模拟整个隧道施工过程,在模拟过程中分别对设置管棚和不设置管棚两种情况进行模拟计算,并对比两种模拟结果分析评价管棚的支护效果。

4、数值模拟结果及对比

4.1 隧道围岩的变形

图4为不同工况下设置管棚隧道的竖向(z向)位移,图5为不同工况下不设管棚隧道的竖向(z向)位移。其中正值表示位移与z轴方向相同,负值表示位移与z轴相反。

从图4可看出:在隧道开挖过程中,由于隧道埋深较浅,隧道掌子面前方一定范围内的围岩会发生变形,且变形范围达到地表,表现为地表沉降;由于一部的开挖,三部围岩松弛,围岩位移较大,二部的开挖加剧了围岩的变形,但影响有限。因此,在施工过程中,要保证在一部、三部一定范围内预留核心土,稳定工作面;在隧道开挖过程中,对比各部开挖引起的围岩变形,一部、三部的开挖对围岩的变形较大,为防止围岩的过大变形,在施工中应及时施作临时支护;隧道上方围岩的变形与隧道开挖断面呈递增关系,随着各部的开挖,围岩的变形逐步增大。

从图5可看出:由于一部的开挖,隧道围岩的最大变形出现在开挖面的上方,此时没有了管棚预支护,初期支护支承全部松弛的围岩压力,变形也比在管棚预支护下大20mm。因此在不设管棚情况下,隧道开挖引起的围岩变形较大,不利于隧道的安全开挖。在隧道开挖过程中,一部、三部的开挖对围岩的变形影响较大,而且随着开挖断面的增大,围岩的变形也增大,同在管棚预支护下的规律相似。

对比图4和图5可得出如下结论:在管棚预支护下进行隧道开挖,可有效的减少围岩的变形,抑制地表沉降;在不设管棚的情况下,围岩的变形比设置管棚情况下大很多,说明管棚对围岩的影响很大,管棚能有

效的抑制围岩的变形。   4.2 隧道围岩应力分布

图6为不同工况下设置管棚隧道的竖向(z向)应力 ,图7不同工况下设置管棚隧道的水平向(x向)应力 。图8为不同工况下不设管棚隧道的竖向(z向)应力 ,图9为不同工况下不设管棚隧道的水平向(x向)应力 。其中负值表示压应力,正值表示拉应力,单位Pa。

从图6和图7可看出:在大断面隧道开挖中,洞周围岩应力随着隧道的开挖逐步释放,释放的荷载作用在支护结构上,支护结构的应力大于洞周围岩的应力,并且拱脚和仰拱的竖向应力比其他部位要大,而仰拱的水平应力也比其他部位的要大。仰拱施作以后,仰拱应力增幅较快,说明仰拱在软弱围岩中的支护效果比较明显。因此,在隧道施工中应及时施作仰拱。

从图8和图9并对比图6和图7可看出:在不设管棚的情况下,得到的应力变化规律与在设置管棚情况下的相似,在拱脚及仰拱位置表现出较大的应力。在设置管棚的情况下,洞周围岩应力相对在不设管棚情况下要小,说明管棚支护对洞周围岩的应力分布产生了很大影响。

5结论

利用FLAC3D数值模拟技术,对隧道工程中的管棚支护作用效果进行了数值模拟。基于管棚加固围岩的作用原理,管棚支护采用壳单元模型进行计算,通过对围岩变形和应力的分析,得到如下主要结论:

(1)在采用CRD工法开挖隧道时,对比有无管棚支护的隧道开挖,发现管棚支护隧道可有效的减少围岩的变形、抑制地表沉降。同时,一部和三部的开挖引起围岩位移较大,二部的开挖加剧了围岩的变形,但影响有限。为防止围岩的过大变形,在一部和三部施工中应及时施作临时支护。

(2)在隧道开挖过程中,无管棚支护时,隧道拱脚及仰拱位置表现出较大的应力;而在设置管棚支护后,隧道围岩应力明显减小,这表明管棚支护对隧道围岩的应力分布产生了影响,减小了隧道拱脚及仰拱位置的应力集中。

(3)基于管棚加固地层的作用原理,采用壳单元模拟管棚支护是合理的。它为类似地层的管棚支护数值计算提供了依据。