摘 要：隧道穿越破碎帶地層時，由于圍巖松散柔軟，自穩(wěn)能力差，一般的先開挖后支護會對開挖面圍巖造成擾動，使隧道結(jié)構發(fā)生較大的變形和沉降。超前大管棚支護用在軟弱地層隧道中施工能有效抑制隧道結(jié)構和圍巖的變形，支護工藝所需材料由鋼管和水泥砂漿組成。在工程實踐中，管棚法的應用效果主要取決于管棚直徑、布置范圍、環(huán)向間距等因素。本文依托實際隧道工程，對管棚直徑、布置范圍、環(huán)向間距三方面因素對隧道最大沉降的影響效果進行敏感性評價。

　　關鍵詞：隧道管棚最大沉降敏感性分析

　　隨著隧道工程越來越多的穿越軟弱破碎地層，隧道在開挖過程中越來越多的會遇到大變形災害[1]。超前支護能在隧道開挖前對隧道周圍不良圍巖進行預加固，管棚法作為超前支護中最常用的工藝之一，有不少學者對其預加固效果進行了研究[2～3]。張文濤[4]在市政工程隧道應用管棚法，提高了隧道結(jié)構整體的穩(wěn)定和安全。王道遠[5]基于Winkler彈性地基梁理論，對管棚法支護進行了敏感性分析。臺啟民[6]和姜平偉[7]通過數(shù)值模擬，研究了管棚的加固有效性。李永強[8]分析了管棚支護的作用機理，并依托實際工程，研究了管棚支護效果。本文基于數(shù)值模擬結(jié)果，進行不同管棚參數(shù)對超前支護效果的敏感性分析。

　　1 工程概況

　　都江堰至四姑娘山軌道交通工程連接了四川內(nèi)地和青藏高原東部高山峽谷，是國內(nèi)首條山地軌道交通項目。線路正線長123.18km，其中隧道85.7km/25座，占線路總長度的69.6%。施家山隧道位于都江堰市西北端，是都四山地軌道工程的起始段。隧道起訖里程為DK11+045～DK15+528，線路穿越二王廟斷裂帶，巖體破碎，節(jié)理發(fā)育，且以砂質(zhì)泥巖、泥巖夾頁巖、泥巖夾砂巖、煤層等軟質(zhì)巖體為主，屬于Ⅴ級圍巖。在隧道開挖時，存在大變形問題，特別是會產(chǎn)生較大的拱頂沉降，對施工造成困難。針對隧道穿越破碎圍巖時引起的拱頂較大沉降，對洞身開挖采用臺階法加臨時橫撐，并輔以管棚法工藝對隧道進行超前支護。隧道施工工序為首先弱爆破開挖1部土體，并施作初支和臨時支撐;再開挖2部土體，施作初支;最后拆除橫撐。

　　2 無超前支護下隧道開挖數(shù)值模擬

　　本文基于FLAC3D對施家山隧道DK13+000～DK13+120段開挖過程的拱頂最大沉降進行模擬分析與預測，對施工過程安全性進行初步評價。

　　為減小邊界效應，所有模型邊界到隧道的距離均設置為4倍洞涇，隧道支護結(jié)構及計算模型的網(wǎng)格劃分如圖1所示。模型正面尺寸為90m×82m，縱向長度40m，共有97240個單元和103238個節(jié)點。除模型頂面設置為自由面以外，其余側(cè)面與底面均限制法向位移。根據(jù)地勘資料確定圍巖和支護的材料參數(shù)，詳見表1，其中，巖土體采用Mohr-Column本構模型，支護結(jié)構采用線彈性模型。數(shù)值模擬過程中，不考慮地下水和巖土體蠕變對結(jié)果的影響，并只對初期支護進行模擬。

　　根據(jù)圖1所示的施工步驟，將臺階法開挖工法中的一個施工循環(huán)分為4步：(1)若采用管棚法支護，則激活相應加固區(qū);若不采用則不激活;(2)上臺階土體開挖;(3)施作初支①1及臨時橫撐②;(4)拆除臨時橫撐。

　　2.1 圍巖沉降分析

　　在不施作超前大管棚的情況下，隧道采用臺階法+臨時橫撐開挖工法的圍巖沉降計算結(jié)果如圖2所示。隧道最大沉降發(fā)生在拱頂處，最大值為S1=241.17mm。根據(jù)施工經(jīng)驗，結(jié)合《鐵路隧道設計規(guī)范》(TB2005)中關于Ⅴ級圍巖預留變形量的規(guī)定，其量值應取80～120mm，本工程取100mm為隧道圍巖變形控制標準(S2)。

　　2.2 安全性評價

　　對于DK13+000～DK13+120段，隧道最大沉降值S1未控制在標準值S2以內(nèi)。初期支護變形侵限，隧道施工安全將受到威脅。因此在采取臺階法進行隧道開挖之前，應采取管棚法等超前支護進行預加固。

　　3 超前大管棚支護的敏感性評價

　　選取單排長管棚對隧道進行預加固，采用beam單元對管棚進行模擬，其彈性模量和等效重度分別按式(1)和式(2)進行換算：

　　E=(E_1 I_1+E_2 I_2)/(I_1+I_2) (1)

　　式中：E為管棚等效模量;E_1和E_2為鋼管與填充砂漿的彈性模量，分別取210GPa和23GPa;I_1和I_2分別為鋼管與填充砂漿的慣性矩。

　　γ=(A_1 γ_1+A_2 γ_2)/(A_1+A_2) (2)

　　式中：γ_1和γ_2為鋼管與填充砂漿的重度，分別取79kN/m3和21kN/m3;A_1和A_2分別為鋼管與填充砂漿的斷面面積。

　　根據(jù)工程經(jīng)驗，結(jié)合《鐵路隧道施工規(guī)范》(TB2002)中的相關參考，初步確定本次數(shù)值模擬中管棚相關參數(shù)不同工況的取值如表2所示。

　　分別對管棚直徑(d)、布置范圍(θ)和環(huán)向間距(L)取7種工況進行數(shù)值模擬試驗。在研究管棚直徑或布置范圍對隧道沉降的影響時，布置間距取0.6m，除此之外，在研究一參數(shù)的敏感性時，其余參數(shù)取最小值。

　　以管棚直徑為89mm、管棚布置范圍為120°、環(huán)向間距為0.6m時為例。在采用管棚法進行超前支護后，圍巖最大沉降控制在了92.0mm，小于控制標準S2=100mm。不同開挖施工階段下隧道圍巖的最大沉降累積變化如圖3所示，可以看出，在未采取超前支護下的臺階法加臨時橫撐開挖施工中，三個階段的沉降變化量為130.53mm、85.62mm、25.02mm;采用管棚法后，三個開挖階段的沉降變化量分別降低至47.74mm、24.94mm、19.32mm。計算結(jié)果說明超前大管棚對于圍巖最大沉降的降低具有顯著的效果，能有效保障施工安全。

　　對不同工況下管棚支護效果數(shù)值模擬結(jié)果進行分析，分別得到管棚直徑、管棚布置范圍以及環(huán)向間距與隧道圍巖最大沉降的關系如圖4所示。其中，將影響隧道沉降的各個管棚參數(shù)定義為fi，圖中橫坐標為fi/fmax，例如在管棚直徑對沉降的影響曲線中，第一點的橫坐標為89/600。

　　定義敏感系數(shù)ξ= Δs/Δf(Δf為參數(shù)取值差值，Δs為對應的沉降變化差值)。當直徑在89～300mm變化時，ξ=0.062;直徑在300～600mm變化時，ξ=0.024。兩直徑段內(nèi)直徑的敏感系數(shù)相差2.58倍，說明在直徑300mm之后，再增大管棚直徑對于沉降的控制效果的提高不大，通過管棚直徑來控制隧道最大沉降的有效直徑范圍為0～300mm。同理，當管棚布置范圍在120°～180°時，ξ=0.292;當范圍在180°～240°內(nèi)變化時，ξ=0.087。兩區(qū)段內(nèi)布置范圍的敏感系數(shù)相差3.36倍，說明通過管棚布置范圍來控制隧道沉降的有效范圍為120°～180°。在環(huán)向間距對隧道最大沉降的影響研究中，隨著環(huán)向間距的增大，隧道沉降相應增大，并且近似與線性關系。但當間距超過0.7m時，曲線斜率略微增大，說明管棚環(huán)向間距宜控制在較小的范圍內(nèi)。

　　4 結(jié)語

　　本文基于FLAC3D對管棚法超前支護對隧道開挖的最大沉降值影響進行了數(shù)值模擬，得到了超前大管棚支護能有效降低隧道圍巖的最大沉降。并進行不同管棚參數(shù)對最大沉降影響的敏感性分析，得到如下結(jié)論：管棚直徑(d)對于沉降的控制最佳值為0～300mm，在300mm之后，增大直徑對沉降的影響程度逐漸降低;最佳管棚布置范圍(θ)為120°～180°;環(huán)向間距(L)對于沉降的影響近似于線性關系，施工中根據(jù)實際工程進行選擇。

　　參考文獻

　　[1]徐海巖，王志杰，陳昌健，等.土砂互層隧道塌方及演變規(guī)律的模型試驗研究[J].巖土工程學報，2021，43(6)：1050-1058.

　　[2]譚保偉，王永剛.管棚法在水庫排沙泄洪洞塌方處理中的應用[J].科技創(chuàng)新導報，2020，17(6)：13，15.

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