基于ABAQUS隧道开挖中管棚超前支护效果有限元分析

杨 昊

（1.安徽省建筑科学研究设计院绿色建筑与装配式建造安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑工程质量第二监督检测站，安徽 合肥 230031）

1 引言

随着中国城市化进程的推进，城市人口不断增加，可使用城市空间越来越少，因此对关于地下空间的开发利用以及已有地下结构加固等方面的研究十分必要。而隧道工程作为地下结构的重要组成部分，在促进经济发展、改善民生、提高城镇居民幸福指数等方面扮演着极其重要的角色。

合肥市地铁口复杂土质环境的隧道开挖，西安地铁6号线区间隧道浅埋暗挖施工穿越地裂缝场地、福建三明莆炎高速公路布盂隧道工程均采用了管棚超前支护的施工方法[1-3]。管棚支护在实际中有着广泛的应用，而对管棚支护的研究也极具意义。除施工领域实际测量分析外，国内外众多学者也从数值计算角度对管棚超前支护方法进行了分析，岳洪武[4]采用MIDAS/GTS有限元软件建立了软弱岩层的有限元模型并分析管棚支护结合注浆施工方法的支护效果。赵文财[5]等人建立有限元模型分析研究了管棚支护对黄土隧道开挖的积极影响。本文利用ABAQUS有限元分析软件建立了隧道开挖的有限元模型计算分析了管棚施工的支护效果，为隧道开挖中管棚超前支护的优化设计提供依据。

2 有限元分析

管棚支护是把一组钢管沿着开挖轮廓外已钻好的孔中打入地层，并与钢拱架组合形成棚架预支护加固体系支撑来自管棚上部的荷载。为分析管棚支护效果，本节将建立有限元模型模拟含管棚支护的隧道初步开挖结果。有限元分析所涉及的管棚支护方法具有以下特点。为简化有限元计算[6-11]，模型采用半径120mm的钢管，厚度为20mm，角度为1°，单根长度5m，沿拱架布置一周，共计24根，沿隧道深度每隔5m布置一个。隧道半径为4m，埋深10m，加固岩土层厚0.5m，主要物理力学参数如表1。

物理力学参数 表1

2.1 模型建立与网格划分

在模型中，隧道半径为4m，围岩高为20m，宽为16m，注浆岩层厚0.5m，钢管半径为0.12m，厚度为0.02m，拱架厚度为0.3m，沿隧道深度为5m。围岩及注浆岩层采用实体C3D8R单元，钢拱架采用壳单元S4R，钢管采用T3D2桁架单元，加固岩层与围岩之间接触定义为硬接触，切向摩擦系数为0.8，围岩与棚架之间接触定义为嵌入。模型中主要含围岩、加固岩层、管棚结构。管棚单元和注浆岩层单元分别如图1、图2所示。同时建立不含棚架支护的有限元模型，与上述模型区别在于其仅有围岩、注浆岩层单元而不含管棚单元。

图1 管棚单元

图2 注浆岩层单元

2.2 有限元计算结果

图3～图6为有限元计算结果相关云图。对比应力云图可知，棚架支护可有效降低隧道周边注浆岩层的应力，降低率可达31.5%。同时管棚支护降低了隧道周边注浆岩层的应力集中，较不含管棚结构的隧道而言，含管棚支护的隧道，其周边岩层受力更加均匀。

图3 不含管棚支护模型Y向应力云图

为准确表征位移沉降，反映棚架支护效果，定义Δ为注浆岩层顶端与底端节点位移差，Δ0为不含棚架节点位移差，Δ1为含棚架节点位移差。调用节点位移和应力峰值计算如下：

虽然棚架结构会增加隧道重量，导致隧道整体下沉，但在工程实践中，通常会对隧道下部岩土进行夯实等工序，从而降低隧道的整体沉降。对比节点位移差可知棚架支护可有效控制隧道变形，防止隧道垮塌。

图4 不含管棚支护模型位移云图

图5 含管棚支护模型Y向应力云图

图6 含管棚支护模型位移云图

不同的地质条件，管棚支护效果也不相同，本文在上述研究的基础上对四种不同材料参数的岩土隧道[12]开挖隧道建立有限元模型，材料参数如表2，是否含有棚架支护的两种隧道位移差δ=Δ1−Δ0，无棚架支护与棚架支护注浆岩层内最大应力比值如图7所示。

图7 两种隧道应力关系与变形关系

材料参数表 表2

由图7可得，隧道围岩弹性模量大小对管棚支护效果影响十分明显。当岩土弹性模量为15MPa时，棚架支护效果明显，隧道变形量差值即图7所示的位移差值可高达37.54mm，加固岩层最大应力比值F0MX/F1MX可达17.2，管棚支护极大地降低了注浆岩层区域的应力集中，减小了隧道变形量。但随着岩土弹性模量的增加，管棚支护的作用效果迅速降低，当岩土弹性模量为150GPa时，位移差值仅为4.2mm，应力比值为1.1，管棚支护的作用效果不明显。

3 结论

本文通过建立有限元模型分析了管棚支护对不同隧道初步开挖的影响结果，主要结论如下：

①超前管棚支护的施工工艺能有效地阻止隧道变形，保证隧道完整，由应力云图可以看出隧道中管棚及钢拱架单元受力较大，管棚结构能起到明显的承重效果；

②注浆岩层在隧道开挖过程中扮演着重要的承重作用，但仅仅有注浆岩层难以实现较为优异的支撑效果，注浆岩层搭配棚架支护，能有效缓解岩层的应力集中，减小隧道变形；

③岩土力学参数不同，棚架对其内的隧道支护影响不同，当岩土的弹性模量较小时，管棚结构可以起到明显的支护效果，管棚及注浆岩层的利用也更加充分，随着岩土弹性模量的增加，这种积极影响被削弱。