案例4 小河溝鐵路隧道大管棚超前支護(hù)施工過(guò)程模擬課件

管棚的應(yīng)用管棚法是常用超前支護(hù)工法，通過(guò)在擬開(kāi)挖的地下隧道襯砌拱圈隱埋弧線上，預(yù)先設(shè)置慣性力矩較大的厚壁鋼管，并注漿形成管棚注漿帷幕殼體，防止地表下沉和土層坍塌，具有良好的預(yù)加固效果，在城市地鐵、山嶺隧道、軟土隧道等復(fù)雜工程地質(zhì)環(huán)境中被國(guó)內(nèi)外工程界廣泛采用。管棚的應(yīng)用管棚法是常用超前支護(hù)工法，通過(guò)在擬開(kāi)挖的地下隧道襯1工程概況

小河溝隧道是新建太興鐵路的一條雙線鐵路隧道，通過(guò)膨脹性黃土地層，埋深較淺，圍巖軟弱松散，設(shè)計(jì)開(kāi)挖采用三臺(tái)階七步工法結(jié)合超前小導(dǎo)管施工。

自進(jìn)入雨季以來(lái)，受雨水滲透影響，圍巖抗剪強(qiáng)度減弱，施工中經(jīng)常發(fā)生塌方事故，造成重大損失。為保障安全施工，控制隧道變形，變更設(shè)計(jì)擬采用大管棚注漿措施，加固掌子面前方圍巖，控制圍巖變形。工程概況小河溝隧道是新建太興鐵路的一條雙線鐵路隧道，通過(guò)2工程概況隧道全長(zhǎng)1803m，最大埋深82m，最小埋深僅5m，位于里程DK75+054~DK75+089。由于該淺埋段，埋深及淺，同時(shí)處于匯水區(qū)，受雨水影響嚴(yán)重，其穩(wěn)定性較差，極易發(fā)生塌方，因此擬采用臺(tái)階法結(jié)合管棚注漿預(yù)支護(hù)技術(shù)。工程概況隧道全長(zhǎng)1803m，最大埋深82m，最小埋深僅5m，3地層信息該地段為黃土地貌，與工程性質(zhì)相關(guān)的土層主要是出露地表的上第三系（N）膨脹性黃土，膨脹潛勢(shì)為等級(jí)為中，土呈紅褐色，硬塑，結(jié)構(gòu)致密，呈菱形狀，土內(nèi)分布有裂隙，斜交剪切裂隙較發(fā)育，由細(xì)膩的膠體顆粒組成，斷口光滑，局部夾鈣質(zhì)結(jié)核。土層密度kg/m3彈性模量MPa泊松比粘聚力KPa摩擦角膨脹性黃土191618.410.352530地層信息該地段為黃土地貌，與工程性質(zhì)相關(guān)的土層主要是出露地表4地層建模數(shù)值模型淺埋段的開(kāi)挖施工，擬采用有限差分軟件FLAC3D，圖1為建立的小河溝隧道的數(shù)值模型圖。模型包括33407個(gè)模型節(jié)點(diǎn)，和29580個(gè)單元，隧道斷面形狀為直墻拱型，按最不利工況，取隧道毛洞單洞跨度為11.96米，高為11.86米。地層建模數(shù)值模型淺埋段的開(kāi)挖施工，擬采用有限差分軟件FLAC5邊界條件與本構(gòu)模型為減小邊界效應(yīng)的影響，取隧道中心線和隧道底板的交點(diǎn)為原點(diǎn)，模型的左、右及下邊界距離取3～5倍的隧道的開(kāi)挖直徑，即左、右邊界為60m，下邊界為36m，上邊界為地表，隧道軸線方向取20m。計(jì)算模型的左、右、前、后邊界和下邊界均為法向約束，上邊界為自由邊界。圍巖土體的本構(gòu)模型采用經(jīng)典的Mohr-Coulomb理想彈塑性模型。邊界條件與本構(gòu)模型為減小邊界效應(yīng)的影響，取隧道中心線和隧道底6支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬在數(shù)值模擬中，將管棚鋼管作為簡(jiǎn)支梁處理，采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。因?yàn)楣芘锬┒瞬颗c孔口管焊接成整體，孔口管固定在鋼拱架周邊，因此端部可以承受較大的彎矩和具有較大的豎向抗力，可以將端部按固定支座考慮。對(duì)于插入土體中的管棚部分，由于注漿，使得鋼管與周圍巖體結(jié)合在一塊，因此將梁?jiǎn)卧墓?jié)點(diǎn)與周圍巖體應(yīng)力單元位移協(xié)調(diào)，從而限制鋼管空間內(nèi)的平動(dòng)自由度，但由于鋼管本身與周圍加固體之間的剛度差異很大，因此將梁?jiǎn)卧娜齻€(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度不作約束。支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬在數(shù)值模擬中，將管棚鋼管作為簡(jiǎn)支梁處理，采用梁?jiǎn)?支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬管棚采用89mm直徑的無(wú)縫鋼管，設(shè)計(jì)在拱部120°范圍打設(shè)，每環(huán)長(zhǎng)10m，環(huán)向間距0.4m，縱向搭接長(zhǎng)度3m，外插角5～10°，注1:1的水泥漿，為增加管棚的抗彎能力。在注漿過(guò)程完成后，管棚內(nèi)充滿混凝土漿液，待漿液凝結(jié)后，管棚相當(dāng)于鋼管混凝土梁。支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬管棚采用89mm直徑的無(wú)縫鋼管，設(shè)計(jì)在拱部1208支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬在鋼管內(nèi)設(shè)置鋼筋籠，鋼筋籠由四根主筋和固定環(huán)組成，主筋直徑為Φ18，固定環(huán)采用短管節(jié)，節(jié)長(zhǎng)5cm將其與主筋焊接，按1.5m間距設(shè)置，管棚梁結(jié)構(gòu)如圖4所示。支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬在鋼管內(nèi)設(shè)置鋼筋籠，鋼筋籠由四根主筋和固定環(huán)組成9支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬為了考慮管內(nèi)混凝土及加筋對(duì)管棚力學(xué)性質(zhì)的影響，在數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中，將管內(nèi)混凝土的作用采用等效彈模的方法處理，即將管內(nèi)混凝土的剛度折算給管棚，計(jì)算方法如下公式式中：E為折算后管棚的彈性模量；S為管棚截面積；E0管棚鋼管彈性模量；S0為管棚鋼管有效截面積；Eg為混凝土的有效截面積；Sg為混凝土的彈性模量，取1.5×1010Pa；Es為鋼筋的有效截面積；Ss為鋼筋的彈性模量。支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬為了考慮管內(nèi)混凝土及加筋對(duì)管棚力學(xué)性質(zhì)的影響，在10支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬管棚梁、初支的等效參數(shù)如下表所示名稱密度/Kg/m3彈性模量/GPa泊松比截面積/m2X軸慣性矩/m4管棚梁?jiǎn)卧?84097.10.36.218×10-33.078×10-6初支殼單元250031.90.250.32.25×10-3臨時(shí)仰拱殼單元250046.980.250.26.66×10-4支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬管棚梁、初支的等效參數(shù)如下表所示名稱密度彈性模量11支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬注漿完成后，長(zhǎng)管棚與注漿加固圈在拱頂形成了穩(wěn)固可靠的固結(jié)殼。在模擬計(jì)算中，為了考慮這種殼效應(yīng)，通過(guò)提高管棚與加固圍巖形成的厚筒結(jié)構(gòu)的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)線彈性本構(gòu)模型單元模擬管棚注漿層。單排注漿管注漿時(shí)厚筒的厚度可由如下公式計(jì)算過(guò)得出。式中：D為注漿厚筒的厚度；R為漿液的擴(kuò)散半徑；S為相鄰兩注漿孔的間距。經(jīng)計(jì)算得管棚加固區(qū)的有效厚度為60cm，數(shù)值模擬中采用線彈性本構(gòu)模型模擬管棚注漿層。支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬注漿完成后，長(zhǎng)管棚與注漿加固圈在拱頂形成了穩(wěn)固可12施工步驟模擬數(shù)值模擬開(kāi)挖嚴(yán)格按照隧道施工工法，計(jì)算地應(yīng)力平衡后，首先添加大管棚梁?jiǎn)卧凸芘镒{加固殼體，然后開(kāi)挖上臺(tái)階，緊接著對(duì)上臺(tái)階圍巖添加初期支護(hù)殼單元，并在臺(tái)階上添加臨時(shí)仰拱的殼單元，計(jì)算穩(wěn)定后開(kāi)挖下臺(tái)階并添加支護(hù)，最終計(jì)算至平衡。

上臺(tái)階開(kāi)挖后位移云圖

下臺(tái)階開(kāi)挖后位移云圖施工步驟模擬數(shù)值模擬開(kāi)挖嚴(yán)格按照隧道施工工法，計(jì)算地應(yīng)力平衡13計(jì)算結(jié)果分析為研究大管棚對(duì)掌子面前方加固效果，在隧道拱頂軸線方向上每隔1m布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)開(kāi)挖過(guò)程中沉降值變化，點(diǎn)布置如下圖。計(jì)算結(jié)果分析為研究大管棚對(duì)掌子面前方加固效果，在隧道拱頂軸線14計(jì)算結(jié)果分析各點(diǎn)沉降位移與未添加管棚注漿支的護(hù)開(kāi)挖工法相比較，所得結(jié)果如下兩圖。從圖可知在掌子面前方4m處，圍巖的變形達(dá)到最大值，未加管棚時(shí)位移達(dá)到了95cm，圍巖基本上已經(jīng)進(jìn)入塑性破壞狀態(tài)。而管棚注漿超前支護(hù)后，其掌子面前方的圍巖最大沉降位移控制在8cm以內(nèi)，保證了前方土體的穩(wěn)定性。

無(wú)管棚拱頂沉降位移

有管棚拱頂沉降位移圖計(jì)算結(jié)果分析各點(diǎn)沉降位移與未添加管棚注漿支的護(hù)開(kāi)挖工法相比較15計(jì)算結(jié)果分析管棚梁的彎矩變形圖和注漿加固區(qū)的變形圖如下所示，由圖可見(jiàn)管棚和管棚加固的區(qū)域的最大彎矩和最大應(yīng)力并不是發(fā)生在掌子面上，而是發(fā)生在掌子面前方未開(kāi)挖階段，距掌子面4m到5m的范圍內(nèi)，與前述監(jiān)測(cè)位移曲線變化相符合。管棚梁?jiǎn)卧獜澗貓D

管棚注漿殼體單元應(yīng)力圖計(jì)算結(jié)果分析管棚梁的彎矩變形圖和注漿加固區(qū)的變形圖如下所示，16結(jié)論大管棚注漿法使鋼管與圍巖通過(guò)漿液充填縫隙而形成一體，從而限制了管棚與圍巖的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)形成強(qiáng)度較高的管棚注漿層殼體。一方面，分析可知管棚在掌子面前就有了一定的變形，這也說(shuō)明管棚可以承擔(dān)掌子面前方的荷載，減小地層工前沉降，同時(shí)起到阻隔沉降和均勻地層沉降的作用，控制掌子面前方土體的位移，防止前方土體的塌方涌入。另一方面，管棚在承擔(dān)了圍巖一部分縱向的荷載，減少了拱頂初期支護(hù)圍巖受力，增強(qiáng)了隧道的安全系數(shù)。結(jié)論大管棚注漿法使鋼管與圍巖通過(guò)漿液充填縫隙而形成一體，從而17管棚的應(yīng)用管棚法是常用超前支護(hù)工法，通過(guò)在擬開(kāi)挖的地下隧道襯砌拱圈隱埋弧線上，預(yù)先設(shè)置慣性力矩較大的厚壁鋼管，并注漿形成管棚注漿帷幕殼體，防止地表下沉和土層坍塌，具有良好的預(yù)加固效果，在城市地鐵、山嶺隧道、軟土隧道等復(fù)雜工程地質(zhì)環(huán)境中被國(guó)內(nèi)外工程界廣泛采用。管棚的應(yīng)用管棚法是常用超前支護(hù)工法，通過(guò)在擬開(kāi)挖的地下隧道襯18工程概況

小河溝隧道是新建太興鐵路的一條雙線鐵路隧道，通過(guò)膨脹性黃土地層，埋深較淺，圍巖軟弱松散，設(shè)計(jì)開(kāi)挖采用三臺(tái)階七步工法結(jié)合超前小導(dǎo)管施工。

自進(jìn)入雨季以來(lái)，受雨水滲透影響，圍巖抗剪強(qiáng)度減弱，施工中經(jīng)常發(fā)生塌方事故，造成重大損失。為保障安全施工，控制隧道變形，變更設(shè)計(jì)擬采用大管棚注漿措施，加固掌子面前方圍巖，控制圍巖變形。工程概況小河溝隧道是新建太興鐵路的一條雙線鐵路隧道，通過(guò)19工程概況隧道全長(zhǎng)1803m，最大埋深82m，最小埋深僅5m，位于里程DK75+054~DK75+089。由于該淺埋段，埋深及淺，同時(shí)處于匯水區(qū)，受雨水影響嚴(yán)重，其穩(wěn)定性較差，極易發(fā)生塌方，因此擬采用臺(tái)階法結(jié)合管棚注漿預(yù)支護(hù)技術(shù)。工程概況隧道全長(zhǎng)1803m，最大埋深82m，最小埋深僅5m，20地層信息該地段為黃土地貌，與工程性質(zhì)相關(guān)的土層主要是出露地表的上第三系（N）膨脹性黃土，膨脹潛勢(shì)為等級(jí)為中，土呈紅褐色，硬塑，結(jié)構(gòu)致密，呈菱形狀，土內(nèi)分布有裂隙，斜交剪切裂隙較發(fā)育，由細(xì)膩的膠體顆粒組成，斷口光滑，局部夾鈣質(zhì)結(jié)核。土層密度kg/m3彈性模量MPa泊松比粘聚力KPa摩擦角膨脹性黃土191618.410.352530地層信息該地段為黃土地貌，與工程性質(zhì)相關(guān)的土層主要是出露地表21地層建模數(shù)值模型淺埋段的開(kāi)挖施工，擬采用有限差分軟件FLAC3D，圖1為建立的小河溝隧道的數(shù)值模型圖。模型包括33407個(gè)模型節(jié)點(diǎn)，和29580個(gè)單元，隧道斷面形狀為直墻拱型，按最不利工況，取隧道毛洞單洞跨度為11.96米，高為11.86米。地層建模數(shù)值模型淺埋段的開(kāi)挖施工，擬采用有限差分軟件FLAC22邊界條件與本構(gòu)模型為減小邊界效應(yīng)的影響，取隧道中心線和隧道底板的交點(diǎn)為原點(diǎn)，模型的左、右及下邊界距離取3～5倍的隧道的開(kāi)挖直徑，即左、右邊界為60m，下邊界為36m，上邊界為地表，隧道軸線方向取20m。計(jì)算模型的左、右、前、后邊界和下邊界均為法向約束，上邊界為自由邊界。圍巖土體的本構(gòu)模型采用經(jīng)典的Mohr-Coulomb理想彈塑性模型。邊界條件與本構(gòu)模型為減小邊界效應(yīng)的影響，取隧道中心線和隧道底23支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬在數(shù)值模擬中，將管棚鋼管作為簡(jiǎn)支梁處理，采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。因?yàn)楣芘锬┒瞬颗c孔口管焊接成整體，孔口管固定在鋼拱架周邊，因此端部可以承受較大的彎矩和具有較大的豎向抗力，可以將端部按固定支座考慮。對(duì)于插入土體中的管棚部分，由于注漿，使得鋼管與周圍巖體結(jié)合在一塊，因此將梁?jiǎn)卧墓?jié)點(diǎn)與周圍巖體應(yīng)力單元位移協(xié)調(diào)，從而限制鋼管空間內(nèi)的平動(dòng)自由度，但由于鋼管本身與周圍加固體之間的剛度差異很大，因此將梁?jiǎn)卧娜齻€(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度不作約束。支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬在數(shù)值模擬中，將管棚鋼管作為簡(jiǎn)支梁處理，采用梁?jiǎn)?4支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬管棚采用89mm直徑的無(wú)縫鋼管，設(shè)計(jì)在拱部120°范圍打設(shè)，每環(huán)長(zhǎng)10m，環(huán)向間距0.4m，縱向搭接長(zhǎng)度3m，外插角5～10°，注1:1的水泥漿，為增加管棚的抗彎能力。在注漿過(guò)程完成后，管棚內(nèi)充滿混凝土漿液，待漿液凝結(jié)后，管棚相當(dāng)于鋼管混凝土梁。支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬管棚采用89mm直徑的無(wú)縫鋼管，設(shè)計(jì)在拱部12025支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬在鋼管內(nèi)設(shè)置鋼筋籠，鋼筋籠由四根主筋和固定環(huán)組成，主筋直徑為Φ18，固定環(huán)采用短管節(jié)，節(jié)長(zhǎng)5cm將其與主筋焊接，按1.5m間距設(shè)置，管棚梁結(jié)構(gòu)如圖4所示。支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬在鋼管內(nèi)設(shè)置鋼筋籠，鋼筋籠由四根主筋和固定環(huán)組成26支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬為了考慮管內(nèi)混凝土及加筋對(duì)管棚力學(xué)性質(zhì)的影響，在數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程中，將管內(nèi)混凝土的作用采用等效彈模的方法處理，即將管內(nèi)混凝土的剛度折算給管棚，計(jì)算方法如下公式式中：E為折算后管棚的彈性模量；S為管棚截面積；E0管棚鋼管彈性模量；S0為管棚鋼管有效截面積；Eg為混凝土的有效截面積；Sg為混凝土的彈性模量，取1.5×1010Pa；Es為鋼筋的有效截面積；Ss為鋼筋的彈性模量。支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬為了考慮管內(nèi)混凝土及加筋對(duì)管棚力學(xué)性質(zhì)的影響，在27支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬管棚梁、初支的等效參數(shù)如下表所示名稱密度/Kg/m3彈性模量/GPa泊松比截面積/m2X軸慣性矩/m4管棚梁?jiǎn)卧?84097.10.36.218×10-33.078×10-6初支殼單元250031.90.250.32.25×10-3臨時(shí)仰拱殼單元250046.980.250.26.66×10-4支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬管棚梁、初支的等效參數(shù)如下表所示名稱密度彈性模量28支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬注漿完成后，長(zhǎng)管棚與注漿加固圈在拱頂形成了穩(wěn)固可靠的固結(jié)殼。在模擬計(jì)算中，為了考慮這種殼效應(yīng)，通過(guò)提高管棚與加固圍巖形成的厚筒結(jié)構(gòu)的參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)線彈性本構(gòu)模型單元模擬管棚注漿層。單排注漿管注漿時(shí)厚筒的厚度可由如下公式計(jì)算過(guò)得出。式中：D為注漿厚筒的厚度；R為漿液的擴(kuò)散半徑；S為相鄰兩注漿孔的間距。經(jīng)計(jì)算得管棚加固區(qū)的有效厚度為60cm，數(shù)值模擬中采用線彈性本構(gòu)模型模擬管棚注漿層。支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬注漿完成后，長(zhǎng)管棚與注漿加固圈在拱頂形成了穩(wěn)固可29施工步驟模擬數(shù)值模擬開(kāi)挖嚴(yán)格按照隧道施工工法，計(jì)算地應(yīng)力平衡后，首先添加大管棚梁?jiǎn)卧凸芘镒{加固殼體，然后開(kāi)挖上臺(tái)階，緊接著對(duì)上臺(tái)階圍巖添加初期支護(hù)殼單元，并在臺(tái)階上添加臨時(shí)仰拱的殼單元，計(jì)算穩(wěn)定后開(kāi)挖下臺(tái)階并添加支護(hù)，最終計(jì)算至平衡。

上臺(tái)階開(kāi)挖后位移云圖

下臺(tái)階開(kāi)挖后位移云圖施工步驟模擬數(shù)值模擬開(kāi)挖嚴(yán)格按照隧道施工工法，計(jì)算地應(yīng)力平衡30計(jì)算結(jié)果分析為研究大管棚對(duì)掌子面前方加固效果，在隧道拱頂軸線方向上每隔1m布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)開(kāi)挖過(guò)程中沉降值變化，點(diǎn)布置如下圖。計(jì)算結(jié)果分析為研究大管棚對(duì)掌子面前方加固效果，在隧道拱