淺埋隧道施工工法及超前管棚支護分析
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摘要：以新建青蘭高速（寧夏境）六盤山隧道為依托工程，通過數值模擬手段，研究了淺埋隧道采用臺階法、CD法和雙側壁法施工中隧道變形規律，分析了超前管棚支護對隧道變形的影響。結果表明：對于拱頂沉降的控制，雙側壁法優于臺階法、CD法；對于仰拱隆起，雙側壁法和臺階法效果接近，優于CD法；對于水平收斂，臺階法優于雙側壁法優于CD法。綜合考慮隧道變形控制效果和施工難易程度，采用臺階法施工較為合適。超前管棚支護中，隨著管棚直徑和范圍的增大，拱頂沉降、仰拱隆起逐漸減小，而拱頂沉降、仰拱隆起隨著管棚間距的增大而增大。
關鍵詞：公路隧道；淺埋隧道；臺階法；管棚支護
0引言
淺埋隧道施工中往往面臨圍巖風化程度強、巖體破碎、隧道施工期變形大等問題，極易引發隧道坍塌等工程事故。淺埋隧道施工是需要重點研究的問題。Atkinson等［1］結合上下限分析原理，利用模型試驗對淺埋隧道的穩定性開展了研究；Davis［2］假定了不同隧道破壞模式，并分析了不排水條件下淺埋隧道的穩定性；Leca等［3］對隧道的三維穩定性進行了研究；姜功良［4］對隧道穩定系數進行了求解；韓煊等［5］對Peck公式的計算參數進行了優化建議；楊峰、陽軍生［6］提出了針對淺埋隧道圍巖壓力的理論計算方法。超前管棚是控制圍巖變形、保證隧道施工穩定性的重要工程措施。茍德明等［7］提出了彈性固定端的雙參數地基梁模型。以上針對淺埋隧道荷載計算、隧道失穩破壞模式、超前管棚作用的理論研究，對淺埋隧道施工具有很重要的指導意義。本文以寧夏東毛高速六盤山隧道為依托工程，采用數值模擬的手段，研究臺階法、CD法和雙側壁法在淺埋隧道施工中的變形控制效果，分析超前管棚對隧道變形控制作用，研究成果可提出淺埋隧道施工的合理工法及超前管棚支護參數［8］。
1工程概況
寧夏六盤山隧道是青島至蘭州公路（寧夏境）東山坡至毛家溝段高速公路控制性工程，設計為分離式隧道，隧道左線起迄樁號為ZK6＋270～ZK15＋760，長度9490m，隧道右線起迄樁號為K6＋230～K15＋71隧道長度9480m，是全國海拔2000m以上高原地區的高速公路特長隧道。隧道所經區域年平均氣溫－0．8℃，極端最低溫度－25．7℃，從10月底至來年4月份，每年冬期長達6個月。不良地質主要有涌水突泥、軟巖大變形和巖層不整合接觸帶等。
2不同施工工法隧道變形數值模擬
2．1模型建立和計算參數
在數值模擬軟件FLAC3D中建立淺埋隧道變形計算模型，施工工法分別為臺階法、CD法和雙側壁法，如圖1所示。其中，隧道埋深20m，左右邊界和下邊界為40m，計算采用彈塑性模型和Mohr－Coulomb屈服準則。計算采用的圍巖和支護結構的力學參數見表1。
2．2計算結果
淺埋隧道不同施工方法的隧道橫斷面位移如圖2～圖4所示。不同施工方法下的隧道拱頂沉降、水平收斂以及仰拱隆起計算結果如圖5所示。圖5表明在拱頂沉降的控制上雙側壁法優于臺階法優于CD法，在仰拱隆起上，雙側壁法和臺階法效果接近但是優于CD法，在水平收斂的控制上，臺階法優于雙側壁法優于CD法。綜合考慮隧道變形的控制效果和施工的操作難易程度，選取臺階法施工較為合適。隧道地表沉降變化如圖6所示。表明在隧道10m和20m斷面上，對于地表沉降的控制上，雙側壁法優于臺階法優于CD法，在隧道30m，40m和50m斷面處，臺階法優于雙側壁法優于CD法。
3超前管棚支護參數下的控制技術研究
3．1模型建立和計算參數
在數值模擬軟件MIDAS中建立淺埋隧道超前管棚支護計算模型，如圖7所示。其中：注漿管棚的等效彈性模量Ep按受彎構件進行計算。根據鋼管混凝土規范提供的抗彎剛度表達式為：其中，Es，Is分別為鋼管的彈性模量和慣性矩；Ec，Ic分別為管內砂漿的彈性模量和慣性矩；Ep，Ip分別為注漿管棚的等效彈性模量和慣性矩；kw為考慮管棚砂漿開裂引起砂漿剛度折減的系數，本次計算取0．6。為探究超前管棚對隧道變形的控制效果，分別分析超前管棚直徑、布置范圍和管棚間距對隧道變形的影響，計算工況見表2。
3．2計算結果
淺埋隧道超前管棚支護的數值模擬計算結果如圖8～圖10所示。圖8表明，隨著管棚直徑和范圍的增大，拱頂沉降逐漸減小，而拱頂沉降隨著管棚間距的增大而增大。當管棚直徑由64mm增加至84mm時，拱頂沉降分別為27．45mm，23．41mm，20．85mm，19．34mm，18．56mm和18．12mm。當管棚范圍由140°增加至240°時，拱頂沉降分別為26．41mm，22．36mm，19．34mm，17．61mm，16．59mm和15．89mm。當管棚間距由0．2m增加至0．7m時，拱頂沉降分別為18．45mm，18．84mm，19．34mm，21．02mm，23．26mm和27．41mm。圖9表明，隨著管棚直徑和范圍的增大，水平收斂逐漸減小，而水平收斂隨著管棚間距的增大而增大。當管棚直徑由64mm增加至84mm時，水平收斂分別為9．94mm，8．96mm，8．21mm，7．69mm，7．45mm和7．21mm。當管棚范圍由140°增加至240°時，水平收斂分別為9．14mm，8．35mm，7．69mm，7．12mm，6．88mm和6．74mm。當管棚間距由0．2m增加至0．7m時，水平收斂分別為6．89mm，7．11mm，7．69mm，8．65mm，9．98mm和11．58mm。圖10表明，隨著管棚直徑和范圍的增大，仰拱隆起逐漸減小，而仰拱隆起隨著管棚間距的增大而增大。當管棚直徑由64mm增加至84mm時，仰拱隆起分別為49．69mm，44．98mm，41．25mm，38．35mm，37．11mm和34．65mm。當管棚范圍由140°增加至240°時，仰拱隆起分別為44．98mm，40．25mm，38．11mm，37．58mm，37．12mm和36．89mm。當管棚間距由0．2m增加至0．7m時，仰拱隆起分別為36．84mm，37．19mm，38．11mm，39．43mm，41．36mm和44．89mm。
4結語
本文依托寧夏東毛高速六盤山隧道，采用數值模擬手段，研究了淺埋隧道采用臺階法、CD法和雙側壁法施工中隧道變形規律，分析了超前管棚支護對隧道變形的影響，得到如下結論：1）淺埋隧道施工工法對隧道變形控制效果，對拱頂沉降的控制，雙側壁法優于臺階法、CD法；對于仰拱隆起，雙側壁法和臺階法效果接近，優于CD法；對于水平收斂，臺階法優于雙側壁法優于CD法。綜合考慮隧道變形控制效果和施工難易程度，采用臺階法施工較為合適。2）淺埋隧道施工超前管棚支護中，隨著管棚直徑和范圍的增大，拱頂沉降、仰拱隆起逐漸減小，而拱頂沉降、仰拱隆起隨著管棚間距的增大而增大。
作者:汪軍鵬 單位:中鐵十四局集團有限公司
