超前管棚支护隧道CRD法施工数值模拟研究

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摘要：本文分析了超前管棚支护机理，并运用有限元分析软件对该隧道浅埋破碎段进行了仿真数值模拟，分别对不采用和采用超前管棚时围岩的位移情况、应力变化情况进行了模拟，定量分析了超前管棚在浅埋破碎地层中的加固效果。结果表明：超前管棚“简支梁”支护效果明显;采用超前管棚注浆支护能显著抑制软弱破碎围岩的变形及沉降，减少隧道支护结构的受力;CRD工法与超前管棚预支护相结合的施工方法能很好的控制围岩变形，可大大满足隧道的运营安全和沉降要求。

Abstract： In view of the Jituhui railway passenger dedicated line which across the shallow buried tunnel broken section， the CRD method combined with a method of pipe-shield pre-support is adopted in the design. In this paper， the finite element analysis software is used to simulate numerical model of shallow buried tunnel broken section， the displacement and stress of surrounding rock is simulated when advanced pipe roof is used or not used， and quantitative analysis of reinforcement effect of the advanced pipe roof in shallow buried and broken formation is carried out. The results show that supporting effect of the advanced tube shed "beam" is obvious; the use of advanced pipe shed grouting support can significantly inhibit the deformation and settlement of weak broken surrounding rock and reduce the stress of the tunnel supporting structure; CRD method combined with a method of pipe-shield pre-support can control the surrounding rock deformation well and satisfy the requirement of safety and settlement of the tunnel operation.

关键词：CRD工法;超前管棚预支护;支护机理;数值模拟;ANSYS

Key words： CRD method;pipe-shield pre-support;the supporting mechanism;numerical simulation;ANSYS

0  引言

破碎巖体是公路隧道工程中常见的地层条件，在类型划分中位居稳定性较差的III、IV、V级[1]。其自稳性差，在隧道开挖失去支承后极易发生坍塌，围岩自稳时间很短或基本没有自稳时间，来不及完成临时支护。如何在此类岩体中安全经济地施工隧道一直是工程界关注的问题之一。

工程实践和研究表明[2]，当隧道施工中遇到稳定性较差的III、IV、V级围岩、严重偏压地段，尤其是隧道洞口段，围岩自稳能力极差，需采用超前支护工法才能顺利进行开挖。其中超前管棚法是抑制洞口、拱顶先行位移、地表面下沉，保护周边环境的一种有效方法[3]。而采用双侧壁导坑法、三台阶七步开挖法、CD工法或CRD工法可以抑制高铁隧道这类大断面隧道的围岩变形。针对V级围岩，尤以CRD工法更适合于破碎围岩段的大断面隧道。应当注意到，明确采用CRD工法超前管棚的支护时，对工程做出更为有效的指导是迫切和有意义的。

对此，本文首先分析超前管棚支护的机理，并结合金峰公路隧道实际采用的CRD工法与超前管棚预支护相结合的施工方法，针对隧道破碎的浅埋段施工过程，应用有限元软件分析及数值模拟。在考察不同施工方案后，对洞周围岩位移及应力在施工过程中的变化情况作出了分析，量化地评价了超前管棚支护对隧道在破碎围岩中开挖的支护效果，将取得的经验做以总结，为类似地质条件下的隧道破碎围岩稳定控制提供参考和借鉴。

1  管棚超前支护机理

管棚的超前支护原理为很好的减小了掌子面前方土体承受的压力大小，格栅（钢）拱架的受力降低了掌子面前方土体受力强度，分散了上部岩层传来的荷载，从而保证了掌子面前方土体的稳定。超前管棚支护机理可以从超前管棚的梁效应和围岩加固效应两方面进行理解。

1.1 超前管棚的梁效应

在加固围岩时，超前管棚能形成一圈稳固的“承载拱”，承受着拱圈外部传来的荷载，从而很好的保护着内部围岩和支撑系统不受圈外荷载的影响，承受拱内部围岩和支撑系统只是承受因隧道向径向发生变形而产生的形变压力。即大大减小了隧道支撑系统所承受的上部荷载。

从另一方面来说，超前管棚还能形成“简支梁”支护结构（如图1）[4]。通常情况下管棚外端加有套拱基础，另一端插入到完整、坚硬的隧道围岩里，能很好的对破碎软弱的上部围岩形成稳定支护。而两端的支撑梁为管棚提供了“简支梁”的弹性变形，其与管棚的挠曲变形量共同抵消了上覆地层的形变量。

1.2 围岩加固效应

根据普氏理论，隧道开挖对围岩卸荷，顶部岩体破碎，塌落，形成自然拱。同时侧帮及拱脚位置应力较大，极易发生破坏。顶部岩体随之进一步扩大形成塌落拱。对于围岩破碎、浅埋的隧道而言，为防止隧道拱部冒落，进行超前支护尤其是针对拱顶的超前支护是有必要的。

超前管棚注浆法使用水泥、水玻璃或泡沫尿烷等材料作为浆液通过钢管经壁孔注入前方围岩的缝隙或裂隙中，减少围岩孔隙率，提高破碎岩体的整体性，使注入浆液形成支护壳体，即所谓的“承载拱”。“承载拱”将拱顶围岩压力分散，使掌子面前方岩体及支护系统处于免压状态，改善围岩状况，提高围岩自稳能力。对顶部围岩冒落、沉降的控制效果显著。

在隧道工程领域，当遇到偏压、地质条件不好、需加固的洞口和浅埋地段围岩，超前管棚注浆法能够起到“承载拱”和“简支梁”的双重作用，效果明显，从而得到了普遍的应用[6]。

2  工程概况

2.1 工程地质情况

金峰隧道地处保康县城关镇，为一座高速公路分离式长隧道，植被较发育，地形起伏较大，隧道进口位于保康县城关镇三溪沟村，出口位于保康县城关镇云溪沟村一组，隧道轴线方向约310°，呈南东—北西向展布，地层岩性主要为灰质白云岩、白云质灰岩夹页岩，隧道右幅最大埋深254.2m，里程桩号YK98+650～YK101+013，全长2363m，其中Ⅴ级围岩423m，Ⅳ级围岩750m，Ⅲ级围岩1190m;左幅最大埋深约264.8m，里程桩号ZK98+678～ZK101+045，全长2367m，其中Ⅴ级围岩427m，Ⅳ级围岩750m，Ⅲ级围岩1190m。

2.2 超前管棚设置

金峰隧道进出口及洞身破碎段采用超前管棚注浆加固，超前管棚由ϕ108×6mm热轧无缝钢管和钢花管组成，进出口管棚长35m，环向间距40cm，外插角1～3°。管棚管壁上钻孔，并呈梅花形布置其纵向、横向间距为15cm，尾部为不钻孔的止浆段110cm。

3  动态施工仿真模拟

3.1 计算模型建立

本文采用ANSYS有限元分析軟件，并依据金峰隧道设计图纸建立三维模型，隧道计算范围：横向取隧道中线两侧各50m，竖向顶端取地表，底端取隧道底部以下40m处，纵向长度取66m。三维计算模型及网格划分如图3所示。

模型侧面和底面为位移边界，侧面和地面分别施加水平位移约束和固定约束以限制水平方向位移和竖向位移，模型上部采用自由边界，不限制位移。

计算中，岩石、土体均采用均质弹塑性模型，符合Drucker-Prager屈服准则，岩土单元使用SOLID45单元模拟，初期支护和中横支撑采用弹性模型，使用SHELL181单元模拟，模型不考虑构造应力，其主要荷载为初始地应力，采用自重应力计算迭代。根据实际情况，围岩等材料参数按照勘察报告依据表1选取。

3.2 CRD工法施工过程控制

金峰隧道进出口段采用CRD法开挖，施工作业程序如图4所示，施工要点为：采用超前管棚注浆预支护;开挖隧道上层的一侧，施做中隔壁后再施做隧道的另一侧，及时封闭掌子面;开挖时，同层左、右两侧纵向错开9m，同侧上、下纵向错开15m;开挖循环进尺不宜大于初期支护钢架设计的间距。钢架的纵向连接钢筋应及时施做，并封闭成环;逐段拆除靠近已完成二次衬砌6-8m，范围内中隔壁底部钢架;管棚长度35m，搭接4m。

3.3 模拟方法及施工方案

3.3.1 初始地应力模拟

在数值模拟中，仅考虑由重力引起的围岩初始应力，忽略构造应力的影响。计算中，取重力加速度9.8m/s2，参照表1将围岩力学参数赋值给计算模型，按弹塑性求解。

3.3.2 超前管棚注浆支护模拟

实际施工中，首先设置导向墙和导洞，然后通过导洞进行钻孔，最后插入钢管进行注浆。由于数值计算对超前管棚的实际施工过程很难进行模拟，并且超前管棚的施作对围岩的扰动远低于隧道开挖时的影响，因此数值模拟对超前管棚的施作进行了简化处理，超前管棚按等效方法。

3.3.3 施工方案

分别按照超前管棚支护的有无两种施工方案进行数值模拟，以便将结果分析对比，得到超前管棚的支护效果：

方案一：无预支护，围岩注浆区与所在区域围岩参数保持一致。

方案二：超前管棚支护，围岩注浆区注浆后力学参数变化参照表1。

3.4 管棚预支护效果分析

3.4.1 施工方案数值分析

①无超前管棚支护的施工方案模拟

在无超前管棚支护，进行数值模拟分析，得出CRD法开挖后竖向位移，如图5（a）所示。开挖完成后，隧道围岩竖向位移与应力基本呈对称分布。随着隧道的开挖，隧道掌子面卸载形成低应力区，在拱脚处出现高应力区。由于该方案未采用超前管棚支护，隧道开挖引起围岩变形量较大。隧道的竖向位移最大值出现在拱顶处，约4.62cm;仰拱处底鼓量约2.79cm;水平位移最大值出现在侧墙处，约1.27cm。地面沉降达3.67cm，沉降影响范围约3倍洞径。

②采用超前管棚支护的施工方案模拟

当对隧道开挖施作超前管棚支护时，进行数值模拟分析，得出CRD法开挖后竖向位移，如图5（b）所示。开挖完成后，隧道围岩竖向位移与应力基本呈对称分布。隧道的竖向位移最大值仍然出现在拱顶处，约2.68cm;仰拱处底鼓量约2.89cm;水平位移最大值出现在侧墙处，约0.66cm。地面沉降约2.13cm，沉降影响范围约1.5倍洞径。

3.4.2 位移结果对比分析

由图6可见，采用和不采用超前管棚两种方案下，横断面地表沉降呈现相同的沉降槽形式，但超前管棚支护方案使地表最大沉降减少了1.9cm，约49%;由表2可见，采用超前管棚支护方案，隧道支护结构变形量分别降低了42%和48%。由此可见，超前管棚注浆支护对围岩加固效果明显，有效减少了围岩变形，保证了隧道围岩稳定性。

3.4.3 应力结果对比分析

隧道的开挖打乱了围岩初始应力情况，使其应力重新得到分布，应力变化集中在隧道仰拱处、拱脚处，而应力的变化直接引起隧道支护结构的变形，严重时可以导致隧道围岩失稳，威胁隧道的安全。通过对比分析隧道采用和不采用超前管棚支护时的隧道支护结构应力云图（图7、图8），从而了解隧道超前管棚支护的效果。

由表3，对比两种方案可以看出，最大主应力和最小主应力在施作超前管棚注浆支护时均较无预支护时有所减小。尤其是拱顶部位，由于管棚注浆区域的支护作用，使拱顶部位的最大主应力和最小主应力分别下降了92%和80%，拱顶支护基本处于免压状态。拱脚处应力仅有部分下降，施工中应避免拱脚处的破坏。拱顶中隔壁两侧的应力集中区得到了有效的扩散，应力分布趋于均匀，超前管棚注浆支护的“承载拱”效应明显。可见超前管棚注浆通过注浆填充围岩的裂隙和裂缝以提高围岩的整体性，增大了围岩的刚度，提高了围岩的自承能力。

4  结论

①由超前管棚支护机理分析知，超前管棚自身的受力特点类似于“简支梁”的支撑效果，配合注浆，形成了支护“承载拱”。能够有效加固拱顶围岩，改善围岩状况，适用于松散、破碎地层及洞门开挖的超前支护。

②由计算模型对比无超前支护方案和超前管棚方案分析知，采用超前管棚方案时围岩位移降低了40%以上;隧道开挖引起的围岩应力也有所降低，尤其拱顶位置，应力降低了80%以上。可见，通过超前管棚注浆支护的区域，围岩刚度增大，自承能力显著提升，位移收敛得到有效抑制，充分发挥了超前管棚支护的“承载拱”效应。

③超前管棚注浆支护能很好的减小软弱破碎围岩的形变和下沉量，降低隧道支护结构的受力。超前管棚注浆支护法适用于隧道浅埋段、洞口段及节理裂隙发育，岩体破碎，岩土力学性质和整体稳定性差，地下水发育，易发生坍塌、突水、突泥现象等各种软弱破碎围岩。

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