深厚堆积体隧道洞口管棚加固的力学行为分析
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摘要：针对使用管棚支护加固高陡堆积体仰坡隧道时存在安全隐患的问题，建立超前大管棚的力学计算模型，对设计参数及施工力学行为等方面进行了综合探讨，分析洞口开挖引起的围岩应力与坡表位移分布规律，探究洞口开挖施工力学行为，验证超前大管棚方案的可行性。结果表明：隧道洞口工程存在深厚堆积体时，采用管棚预加固措施，可起到有效的支护作用，确保隧道进洞安全。
中图分类号：U455.7文献标志码：B
Abstract： When tunnel entrance is built in deep accumulation body， especially in high and steep slope， pipe roof support is often applied to improve the formation stability and reduce security risks. A mechanical model was built to analyze the stress and displacement distribution of surrounding rocks caused by excavation， and explore the mechanical behavior of excavation construction， and also verify the feasibility of pipe roof support. The result shows that when deep accumulation is involved in the tunnel entrance project， reinforcing with pipe roof provides effective support and safety.
Key words： tunnel entrance； deep accumulation body； pipe roof； mechanical behavior
0引言
近年来，随着高速公路建设的飞速发展，隧道工程日趋增多。当隧道穿越一些地质复杂的地段，如软弱破碎的围岩地层、浅埋地段和高陡堆积体地段，如果处理不当，往往易发生洞体围岩坍塌、冒顶等灾害。实践表明，针对这类修建于不良地质体中的隧道工程，合理施作超前支护是确保施工安全的有效方法[13]。
对于洞口建设区段的预加固，超前管棚注浆是较为常用的一类措施。国内外许多学者对管棚超前预支护体系做了研究[46]，认为管棚注浆加固主要体现在梁效应与围岩受力特性增强两方面，不少工程实践也验证了管棚加固的合理性[79]。
高陡堆积体区段因围岩层间粘聚力相对较低，自身稳定安全系数较低。隧道进出洞开挖施工时，卸荷效应使得围岩应力发生显著的重分布，甚至破坏其原有的平衡状态，诱发仰坡滑动、坡面坍塌以及塌方等事故。管棚注浆加固措施是通过注浆形成加固圈，加之拱圈承载效果，可创造理想的开挖条件。
总体而言，当前管棚加固设计主要依赖于工程类比，计算方法仍处于定性研究的阶段。其原因在于对管棚注浆法加固机理及效果的分析还不够深入；另一方面，在不同的地质条件和开挖工况下，管棚支护原理也不尽相同[1015]。本文拟考虑高陡堆积体仰坡隧道的管棚支o设计，对管棚的受力原理、计算模型、设计参数及施工力学行为等进行综合探讨。
1计算模型及参数的选取
高陡堆积体仰坡及管棚加固是数值模拟的关键。对于高陡堆积体，计算时模型左右边界取10倍断面开挖跨度，洞口埋深为3 m，最大埋深取30 m，如图1所示。洞口为V级围岩，依据《公路隧道设计规范》（JTG D70/2―2004）及地勘资料，弹性模量取15 GPa，泊松比为033，重度为20 kN・m-3，黏聚力为04 MPa，内摩擦角为24° 。
计算时，仰坡角度分别设置为40°、50°和60°，单次施工进尺为2 m。超前管棚长30 m，弧形注浆圈厚度取0.5 m（一般取03～06 m），如图2所示。考虑注浆加固作用，将注浆圈范围内围岩力学参数提高20%～30%。
2计算结果分析
2.1无管棚支护时围岩应力分布特征与变形规律
以仰坡角度为40° 的工况为例，分析不同施工进度下围岩应力分布特征，图4为自重应力场下最大主应力分布云图，图5为不同进尺下主应力分布云图。
分析图4、5，得出以下结论。
（1）整体而言，当坡角为40° 时，隧道拱顶、拱腰及拱脚部位以受压为主，且拱腰压应力最大；仰拱部位由压应力逐步转变为拉应力，至仰拱中心全部为拉应力。由于拱脚处曲率过大，导致开挖后出现明显的应力集中现象；随着掌子面推进，特别是掘进26 m后，拱脚应力集中现象缓慢向拱腰部位延伸，应力增速明显降低，开挖至50 m时，洞口截面应力基本不再变动。
（2）当仰坡角逐步增大到50°或60° 时，围岩应力分布特征及变化过程大致相同，但应力强度相应提高。以进尺26 m为例，40° 时洞口最大主应力为-120 MPa，50° 时为-160 MPa，60°时为-190 MPa。
依据数值计算结果，统计分析关键截面的地表沉降规律，绘制进尺与变形曲线，如图6所示。
总体而言，隧道开挖扰动下，洞口及边坡前缘部分变形量大于边坡后缘及坡顶部分，洞口最大沉降值为9 mm；距离开挖面越远，施工扰动引起的结构沉降或围岩变形数值越小。以坡角为40° 工况下洞口变形及坡顶断面变形为例，进尺2 m时，洞口断面变形增加、速率最大；进尺14 m时，洞口断面变形基本不再变化。坡顶断面变形数据发展规律相反，进尺不足20 m时，坡顶变形量基本未增加，超过20 m时，沉降速率明显增加，开挖至该断面时速率最大。
随边坡角度的增大，洞口变形量出现一定程度的增加，坡角由40° 提升为50°或60° 时，洞口最终沉降量由58 mm分别增加至73 mm、90 mm；而施工扰动区域基本不变，开挖进尺超过14 m后，施工对洞口沉降的影响基本很小。
需注意，由于计算模型轴向取60 m，与实际存在一定差异，导致开挖贯通后应力突然释放，模型计算区域内出现整体下沉，以致上述曲线末端出现一定幅度的抬升。考虑本文研究重点是洞口段的变形与围岩应力分布情况，该部分变形量较小，可忽略不计。
2.2超前管棚支护后围岩应力分布特征与变形规律
施作超前管棚支护后，注浆圈有效改善了洞周围岩力学特性，结构受力体系得到明显改善。由于刚度较大，管棚支护圈承担了相当一部分顶部的松动压力，仰拱部位应力强度减小，最大压应力由拱脚向拱腰转移，拱脚应力集中现象消除[1618]。尽管拱腰最大压应力增加为-4.8 MPa，但因管棚刚度极大，应力数值远小于其容许承载强度。图7为进尺分别为60、50 m时的围岩最大主应力云图。
对计算范围内边坡前缘关键截面变形数据进行统计分析，结果见图8。由图8可知以下几点。
（1）施作超前管喷支护前后，随开挖面推进，各断面变形分布及发展规律基本相同；但因管棚极大提高了围岩的力学特性参数，坡体竖向位移值出现明显降低。以坡度为
50° 的工况为例，进尺4 m时，坡体底部边缘沉降由1.59 mm降为1.04 mm，减小比例达36%。
（2）尽管坡角不同，但超前管棚支护对抑制围岩变形的作用效果基本一样。以坡底边缘沉降为例，与无支护开挖工况相比，施作超前支护后，坡角为40° 的工况下地表沉降减小比例为136%，坡角变为50°、60° 时，沉降减小比例分别为132%和131%，差异很小。
3结语
研究表明，隧道洞口工程存在深厚堆积体时，采用管棚预加固措施，可起到有效的支护作用，确保隧道进洞安全。主要结论如下。
（1）针对修建于高度堆积体区域的隧道工程，未采取超前支护措施时，开挖扰动导致拱顶、拱腰处以受压为主，仰拱处以受拉为主，拱脚部位存在明显的压应力集中现象，容易碎裂，隐患较大。
（2）高陡堆积体仰坡隧道施工时，距离开挖面越远，施工扰动对围岩变形的影响越小；不同边坡角度下，施工扰动区域基本相同，局限于距离洞口20 m范围内，超出20 m后，仰坡基本不受影响。
（3）施作超前管棚后，相当一部分顶部松动荷载由注浆圈承担，支护结构受力体系得到较大改善，应力集中现象消除；此外，围岩与结构沉降出现10%以上的减小。
虽然本文对管棚预支护体系的力学行为及其机理进行了分析研究，但管棚超前支护作用机理是很复杂的，仍需进一步完善；同时，对于复杂的地质情况，数值计算的应用还需要实践检验。
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