浅埋隧道施工工法及超前管棚支护分析

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摘要：以新建青兰高速（宁夏境）六盘山隧道为依托工程，通过数值模拟手段，研究了浅埋隧道采用台阶法、CD法和双侧壁法施工中隧道变形规律，分析了超前管棚支护对隧道变形的影响。结果表明：对于拱顶沉降的控制，双侧壁法优于台阶法、CD法；对于仰拱隆起，双侧壁法和台阶法效果接近，优于CD法；对于水平收敛，台阶法优于双侧壁法优于CD法。综合考虑隧道变形控制效果和施工难易程度，采用台阶法施工较为合适。超前管棚支护中，随着管棚直径和范围的增大，拱顶沉降、仰拱隆起逐渐减小，而拱顶沉降、仰拱隆起随着管棚间距的增大而增大。

关键词：公路隧道；浅埋隧道；台阶法；管棚支护

0引言

浅埋隧道施工中往往面临围岩风化程度强、岩体破碎、隧道施工期变形大等问题，极易引发隧道坍塌等工程事故。浅埋隧道施工是需要重点研究的问题。Atkinson等［1］结合上下限分析原理，利用模型试验对浅埋隧道的稳定性开展了研究；Davis［2］假定了不同隧道破坏模式，并分析了不排水条件下浅埋隧道的稳定性；Leca等［3］对隧道的三维稳定性进行了研究；姜功良［4］对隧道稳定系数进行了求解；韩煊等［5］对Peck公式的计算参数进行了优化建议；杨峰、阳军生［6］提出了针对浅埋隧道围岩压力的理论计算方法。超前管棚是控制围岩变形、保证隧道施工稳定性的重要工程措施。苟德明等［7］提出了弹性固定端的双参数地基梁模型。以上针对浅埋隧道荷载计算、隧道失稳破坏模式、超前管棚作用的理论研究，对浅埋隧道施工具有很重要的指导意义。本文以宁夏东毛高速六盘山隧道为依托工程，采用数值模拟的手段，研究台阶法、CD法和双侧壁法在浅埋隧道施工中的变形控制效果，分析超前管棚对隧道变形控制作用，研究成果可提出浅埋隧道施工的合理工法及超前管棚支护参数［8］。

1工程概况

宁夏六盘山隧道是青岛至兰州公路（宁夏境）东山坡至毛家沟段高速公路控制性工程，设计为分离式隧道，隧道左线起迄桩号为ZK6＋270～ZK15＋760，长度9490m，隧道右线起迄桩号为K6＋230～K15＋71隧道长度9480m，是全国海拔2000m以上高原地区的高速公路特长隧道。隧道所经区域年平均气温－0．8℃，极端最低温度－25．7℃，从10月底至来年4月份，每年冬期长达6个月。不良地质主要有涌水突泥、软岩大变形和岩层不整合接触带等。

2不同施工工法隧道变形数值模拟

2．1模型建立和计算参数

在数值模拟软件FLAC3D中建立浅埋隧道变形计算模型，施工工法分别为台阶法、CD法和双侧壁法，如图1所示。其中，隧道埋深20m，左右边界和下边界为40m，计算采用弹塑性模型和Mohr－Coulomb屈服准则。计算采用的围岩和支护结构的力学参数见表1。

2．2计算结果

浅埋隧道不同施工方法的隧道横断面位移如图2～图4所示。不同施工方法下的隧道拱顶沉降、水平收敛以及仰拱隆起计算结果如图5所示。图5表明在拱顶沉降的控制上双侧壁法优于台阶法优于CD法，在仰拱隆起上，双侧壁法和台阶法效果接近但是优于CD法，在水平收敛的控制上，台阶法优于双侧壁法优于CD法。综合考虑隧道变形的控制效果和施工的操作难易程度，选取台阶法施工较为合适。隧道地表沉降变化如图6所示。表明在隧道10m和20m断面上，对于地表沉降的控制上，双侧壁法优于台阶法优于CD法，在隧道30m，40m和50m断面处，台阶法优于双侧壁法优于CD法。

3超前管棚支护参数下的控制技术研究

3．1模型建立和计算参数

在数值模拟软件MIDAS中建立浅埋隧道超前管棚支护计算模型，如图7所示。其中：注浆管棚的等效弹性模量Ep按受弯构件进行计算。根据钢管混凝土规范提供的抗弯刚度表达式为：其中，Es，Is分别为钢管的弹性模量和惯性矩；Ec，Ic分别为管内砂浆的弹性模量和惯性矩；Ep，Ip分别为注浆管棚的等效弹性模量和惯性矩；kw为考虑管棚砂浆开裂引起砂浆刚度折减的系数，本次计算取0．6。为探究超前管棚对隧道变形的控制效果，分别分析超前管棚直径、布置范围和管棚间距对隧道变形的影响，计算工况见表2。

3．2计算结果

浅埋隧道超前管棚支护的数值模拟计算结果如图8～图10所示。图8表明，随着管棚直径和范围的增大，拱顶沉降逐渐减小，而拱顶沉降随着管棚间距的增大而增大。当管棚直径由64mm增加至84mm时，拱顶沉降分别为27．45mm，23．41mm，20．85mm，19．34mm，18．56mm和18．12mm。当管棚范围由140°增加至240°时，拱顶沉降分别为26．41mm，22．36mm，19．34mm，17．61mm，16．59mm和15．89mm。当管棚间距由0．2m增加至0．7m时，拱顶沉降分别为18．45mm，18．84mm，19．34mm，21．02mm，23．26mm和27．41mm。图9表明，随着管棚直径和范围的增大，水平收敛逐渐减小，而水平收敛随着管棚间距的增大而增大。当管棚直径由64mm增加至84mm时，水平收敛分别为9．94mm，8．96mm，8．21mm，7．69mm，7．45mm和7．21mm。当管棚范围由140°增加至240°时，水平收敛分别为9．14mm，8．35mm，7．69mm，7．12mm，6．88mm和6．74mm。当管棚间距由0．2m增加至0．7m时，水平收敛分别为6．89mm，7．11mm，7．69mm，8．65mm，9．98mm和11．58mm。图10表明，随着管棚直径和范围的增大，仰拱隆起逐渐减小，而仰拱隆起随着管棚间距的增大而增大。当管棚直径由64mm增加至84mm时，仰拱隆起分别为49．69mm，44．98mm，41．25mm，38．35mm，37．11mm和34．65mm。当管棚范围由140°增加至240°时，仰拱隆起分别为44．98mm，40．25mm，38．11mm，37．58mm，37．12mm和36．89mm。当管棚间距由0．2m增加至0．7m时，仰拱隆起分别为36．84mm，37．19mm，38．11mm，39．43mm，41．36mm和44．89mm。

4结语

本文依托宁夏东毛高速六盘山隧道，采用数值模拟手段，研究了浅埋隧道采用台阶法、CD法和双侧壁法施工中隧道变形规律，分析了超前管棚支护对隧道变形的影响，得到如下结论：1）浅埋隧道施工工法对隧道变形控制效果，对拱顶沉降的控制，双侧壁法优于台阶法、CD法；对于仰拱隆起，双侧壁法和台阶法效果接近，优于CD法；对于水平收敛，台阶法优于双侧壁法优于CD法。综合考虑隧道变形控制效果和施工难易程度，采用台阶法施工较为合适。2）浅埋隧道施工超前管棚支护中，随着管棚直径和范围的增大，拱顶沉降、仰拱隆起逐渐减小，而拱顶沉降、仰拱隆起随着管棚间距的增大而增大。

作者:汪军鹏 单位:中铁十四局集团有限公司