隧道洞口浅埋段管棚超前支护开挖进尺优化

满 帅，孔 超，王海彦

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点试验室，西南交通大学土木工程学院，成都 610031;2.石家庄铁路职业技术学院，石家庄 050041)

隧道洞口浅埋段管棚超前支护开挖进尺优化

满 帅1，孔 超1，王海彦2

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点试验室，西南交通大学土木工程学院，成都 610031;2.石家庄铁路职业技术学院，石家庄 050041)

山岭隧道矿山法施工循环作业的开挖进尺对该隧道工程局部乃至整体的施工安全性、经济性有着重大影响。针对使用管棚超前支护的隧道洞口浅埋段，采用Winkler弹性地基梁计算模型，以管棚钢管挠度为控制条件进行开挖进尺优化分析。以厦深高速铁路某双线隧道工程为依托，首先进行理论计算，同时考虑工程实际确定最优开挖进尺并指导施工，随后将现场实测数据与理论解析值对比，两者有较好的一致性。结果表明，Winkler弹性地基梁计算模型可以较真实地反映管棚在洞口浅埋段软弱破碎围岩中的力学行为。

铁路隧道;管棚超前支护;Winkler弹性地基梁;开挖进尺优化

1 概述

管棚超前支护技术指在开挖前沿隧道外轮廓打设超前长钢管并注浆，在拱顶范围内形成壳状受力结构。管棚体系在地层中发挥梁效应和加强效应［1］，从而可有效抑制隧道洞口崩塌、保证拱顶稳定，控制围岩先行位移和地表下沉。由于其可靠性高，该技术已经在各种复杂、软弱地质条件下的隧道工程中得到广泛应用。

对于管棚的作用机理，近年来国内外学者对此进行了大量研究。现场试验方面研究主要包括:黄土条件下浅埋段管棚受力监测研究［2］、连拱隧道双层管棚监测研究［3］;在管棚受力机理方面也有解析及数值模拟分析［4-6］的研究，其中苟德明［7］等提出了浅埋暗挖隧道中管棚双参数弹性地基梁受力模型的计算方法。但尚缺乏基于管棚超前支护条件下进行合理的开挖进尺优化分析。确定合理的开挖进尺可在工程的安全性和经济性之间找到平衡点，对科学施工有重要的指导意义。

开挖进尺优化分析可归结于对管棚钢管力学行为的研究。由于山岭隧道洞口段围岩条件一般较差，埋深浅且地层破碎，地层共同作用不明显，Winkler地基模型能够较好地反映真实地层的力学性质。为了避免数值模拟中的人为随意性(数值模拟一般采用提高土体参数的方法来间接考虑管棚作用，但参数的提高幅度只能依据人为经验估计确定)和文献［7］中数学模型的复杂性，本文利用经典Winkler弹性地基梁计算模型并考虑初期支护滞后效应，通过控制管棚钢管竖向位移得出合理开挖进尺评价方法。

最后以厦深高速铁路某隧道工程洞口段施工为实例，首先进行开挖进尺优化分析，进而指导实际施工。并将理论解与实测数据对比分析，两者较为吻合。这说明此分析方法可适用于隧道洞口浅埋段开挖进尺优化分析。

2 力学模型的建立

在一个典型的施工循环中，根据力学行为的不同，沿纵向可以将管棚钢管分为4个区段，如图1所示:已支护区段AB、未支护区段BC(即开挖进尺区段，s为开挖进尺)、开挖面前方土体松动区段CD，以及未松动区段DE。因为洞口浅埋段围岩自承能力差，管棚受力比较明确。因此分析中不考虑钢管上部岩土体与钢管的相互作用。在岩土体未受扰动的DE段之前，钢管受到上覆岩土体重力q(x)作用;CE段尚未开挖的岩土体施加给钢管弹性抗力p(x)。

图1 管棚钢管受力分析

2.1 基本假定

在建立管棚力学模型时，做如下假定。

(1)假定钢管为作用在Winkler地基上的梁。根据这个假设，外荷载与位移之间的关系为

式中，k为地基土体弹性抗力系数;ω(x)为地基位移。

(2)管棚的弯曲变形不考虑横向剪切变形的影响、薄膜效应等，忽略管棚与围岩之间的摩擦力。

(3)在开挖面附近较短范围，隧道埋深H及地质条件变化不大，可将管棚承受围岩压力q(x)看作均布荷载。

(4)钢管上部的荷载q(x)可以根据泰沙基公式确定，即

式中，b1=b+htan(45°-φ/2)，b为隧道开挖宽度的一半;γ为围岩重度;K0为侧压力系数;H为洞顶围岩厚度;h为隧道开挖高度;c为黏聚力;φ为内摩擦角;q为地面荷载;δ为管棚环向间距。

(5)假设破裂面始于开挖面且与水平面夹角(45°+φ/2)，则开挖面前方管棚受力段长度 d=htan(45°-φ/2)。

2.2 建立力学模型

根据以上假定，鉴于钢管通常打设长度15～30 m，隧道开挖面距大管棚前端较远，开挖影响范围未达到管棚前端，此时可将管棚钢管视为Winkler半无限长弹性地基梁。

综上，钢管受力的力学模型如图2所示。

图2 钢管力学模型

3 解析方法

3.1 建立微分方程

根据力学模型，由Winkler弹性地基梁理论可得管棚的挠曲微分方程为

式中，b为每根管棚钢管作用范围，可取0.3 m。

由(4)式得各区段挠曲微分方程

3.2 解微分方程

上述微分方程的通解为

并且整理后有下面的方程组成立

解方程组可得待定系数 B1、B2、B7、B8，从而可计算出钢管各段的挠曲方程。

4 开挖进尺优化评价方法

合理的开挖进尺即为在第一步开挖完成且还未施做支护时，能够依靠钢管的承载能力保证围岩的稳定性，不致使拱顶等处发生过大位移。故以下通过控制管棚钢管最大竖向位移来得到合理的开挖进尺。

由图2可见，沿钢管纵向最大竖向位移必出现在BD段，同时考虑初期支护的滞后效应(初期支护施作后不能立即产生力学效应)会进一步加剧钢管变形，结合铁路隧道设计规范［8］中关于拱顶下沉限值的规定，可确定某铁路山岭隧道洞口浅埋段管棚超前支护钢管竖向位移的限值［ω］。当在某个开挖进尺下计算出的钢管竖向位移小于［ω］时，认为该开挖进尺下施工是安全可行的。

在安全的前提下尽量增大一次施工循环的开挖进尺，将很大程度上提高施工的经济合理性。

5 工程实例

5.1 工程概况

厦深高速铁路某双线隧道开挖面积达156.4 m2，隧道洞口段平均埋深仅为20 m，围岩破碎，属于Ⅴ级围岩，进洞施工难度大。为了确保施工过程中的安全，经过专家论证和方案的反复比选，决定采用管棚超前预加固联合钢格栅拱架并喷混凝土施工方法。管棚采用φ89 mm×6 mm无缝钢管，长度为30 m，环向间距40 cm。钢管内灌注水泥浆，水泥浆水灰比为1∶0.5，注浆压力为0.5～1.0 MPa。格栅拱架间距0.8 m。

5.2 理论计算

在实际进洞施工前，通过Winkler弹性地基梁模型计算得到最优开挖进尺，以便随后指导施工从而优化工程的安全性与经济性。

5.2.1 计算参数选择

根据该工程实际情况和现场实测数据，以上计算式中参数选择见表1。

表1 隧道计算参数

5.2.2 理论计算

根据上述开挖进尺的优化方法，确定该工程中管棚钢管竖向位移限值［ω］取20 mm。假设掌子面开挖至距离洞口5 m时，计算不同开挖进尺情况下管棚钢管BD段的竖向位移。开挖进尺s分别取0.5、1.0、1.5、2.0 m 4种计算工况。计算结果见图3。

图3 不同开挖进尺钢管挠度理论曲线

由图3可见，钢管的最大竖向位移随开挖进尺的增加而急剧增长，峰值出现在开挖进尺段。在4种计算工况中，开挖进尺s=1.5 m时最经济合理，此时钢管的竖向最大位移约为12 mm，小于［ω］。考虑到实际施工时钢格栅拱架施作间距为0.8 m，故建议施工时开挖进尺取1.6 m，以便于施工。

5.3 现场测试值与理论值对比

5.3.1 现场监测

为了掌握管棚在隧道开挖过程中的真实变形，施作管棚前在拱顶部位钢管布置应变片测量钢管纵向应变，测试钢管编号为M，见图4。

图4 测试钢管位置示意(单位:cm)

为测试钢管纵向应变，在钢管内壁沿环向对称布设2个应变片，布置范围自洞口端沿钢管纵向5～15 m区间，间隔1 m。因为钢管最大竖向位移出现在开挖进尺段，故应变片的布置自洞口端沿钢管纵向5～7 m区间内加密，布置间距为0.4 m，见图5。

图5 钢管应变片布置示意(单位:m)

当管棚超前支护施工完毕后，测读埋设元件的应变值，由于前期管棚打设影响，应变片已有一定读数，将此时的读数作为基准值。

当初期支护施作至离隧道进口5 m时，以1.6 m为进尺进行开挖，待读数基本稳定后记录应变值并减去基准值，以消除管棚施工中的影响。通过式(11)可计算出应变片布置处钢管实测竖向位移。

5.3.2 结果比较

通过实测应变计算出的钢管竖向位移与开挖进尺为1.6 m时的理论计算值比较如图6所示。

图6 理论值与实测值比较(开挖进尺s=1.6 m)

由图6可见，钢管最大实测挠度约为16 mm。理论值与实测计算值存在一定偏差，数值上后者偏大，最大相对差值约8 mm，出现在开挖进尺起始端。

但两者的大致趋势较为吻合。在开挖进尺前半段，理论值与实测值均逐渐增大且前者变化更剧烈;最大竖向位移均出现在开挖进尺中间段;随后两者数值均逐渐减小且实测计算值变化相对更平缓。

6 讨论

(1)实测计算值整体大于理论值的原因是多方面的。第一，岩土体是非线性介质，而理论计算中将其理想化为线弹性;第二，理论计算中未考虑初期支护的延滞效应，导致位移值偏小，此现象在x=5 m处表现最明显，这与实际施工相符;第三，由于实际施工时分部开挖多次扰动围岩，加剧了围岩松弛，使钢管所受的约束作用减小，最终导致钢管挠度增加。

(2)除x=5、7 m处外，实测计算值与理论值相差不大且峰值较为接近，这说明Winkler弹性地基梁计算模型可较好地模拟隧道洞口浅埋段的管棚钢管变形，因为破碎的岩体作为地基其共同作用效应较弱。

7 结语

利用荷载-结构模式同时忽略围岩与钢管间的相互作用，采用Winkler弹性地基梁计算模型计算管棚钢管的变形并与现场实测值对比，结果的一致性说明该模型可以较好地适用于隧道洞口浅埋段管棚在松散软弱岩土体中的变形分析。施工前用此方法进行开挖进尺优化分析，可由此科学地指导施工，平衡工程的安全性与经济性。此分析方法在厦深高速铁路隧道工程中得到了成功应用。

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Optimization of Excavation Footage of Shallowly-buried Section of Tunnel Portal Supported by Advance Pipe Roof

MAN Shuai1，KONG Chao1，WANG Hai-yan2
(1.MOE Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering，Southwest Jiaotong University;School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China;2.Shijiazhuang Institute of Railway Technology，Shijiazhuang 050041，China)

For mountain tunnels constructed by mining method，the excavation footage of one operation cycle has significant influence on local and even overall construction safety and economic efficiency.Aiming at the shallow-buried section of tunnel portal supported by advance pipe roof，using Winkler elastic foundation beam model，and taking the deflection of steel pipe of the pipe roof as the controlling condition，the excavation footage was optimized and analyzed.Meanwhile，citing a double track tunnel on Xiamen-Shenzhen High-speed Railway as an example，the theoretical optimal excavation footage was calculated，and at the same time the actual situation of the tunnel project was taken into account to determine the optimal excavation footage so as to guide the construction.Subsequently，by comparing the field test value with the theoretical analysis value，it can be seen that there is a good conformity between the two values，which proves that the Winkler elastic foundation beam model can truly reflect the mechanical behavior of the pipe roof in the weak and fractured surrounding rocks at the shallow-buried section of tunnel portal.

railway tunnel;advance support by pipe roof;Winkler elastic foundation beam;optimization of excavation footage

U456

A

1004-2954(2013)10-0108-04

2013-03-22

国家自然科学基金资助项目(51178399)

满 帅(1988—)，男，硕士研究生，E-mail:shuaiman07@gmail.com。