隧道管棚预支护技术数字化建模及优化研究

张鑫 杜孟超

摘 要：本文主要对隧道施工过程中的围岩失稳和破坏机理进行分析，对管棚预支护技术的应用场合、支护形式进行整理，对管棚和施工导向墙进行参数化设计，并借助经典力学理论知识，通过数字化建模和数学计算推导出管棚设计的关键技术参数和重要指标参数。

关键词：管棚支护;钻爆法;预支护;稳定性分析

中图分类号：U455.7文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）31-0124-04

Study on Digital Modeling and Optimization of Pre-Support

Technology for Tunnel Pipe Shed

ZHANG Xin DU Mengchao

（Xi'an China Railway Engineering Equipment Co.， Ltd.，Xi'an Shaanxi 710200）

Abstract： This paper mainly analyzed the instability and failure mechanism of surrounding rock in the process of tunnel construction， sorted out the application occasions and support forms of pipe roof pre support technology， carried out parametric design for pipe roof and construction guide wall， and deduced the key technical parameters and important index parameters of pipe roof design with the help of classical mechanical theory and digital modeling and mathematical calculation.

Keywords： pipe shed support;drilling and blasting method;pre-support;optimization analysis

1 研究背景

随着我国公路、铁路修建里程不断增加，隧道施工里程也在不断增加。隧道施工往往需要穿越如软弱大变形、富水、严重风化、断层等各种复杂的地层，施工难度大。当隧道施工面临浅埋地段、软弱破碎地层及大面积淋水或涌水等不良地质条件时，施工难度急剧增加，掌子面围岩稳定性将严重降低，易出现失稳风险，甚至会出现隧道洞体坍塌、冒顶等重大工程事故。为了提高隧道掌子面及拱顶的稳定性，使隧道能按照正常进度进行施工，可以采用管棚超前预支护方法进行岩体结构加强性支护，以达到加固围岩、提升隧道施工安全的目的。

本文首先对几种常见类型围岩的受力形变特性进行了描述，然后对管棚预支护技术的应用场景、布置形式及系统关键参数的计算方法进行研究，最后对关键参数计算结果进行评价与优化，以达到提高管棚支护系统安全性，提升施工性价比的目的。

2 不同类型围岩受力扰动变形形式及特点

隧道开挖后，形成的洞室破坏了原始围岩的稳定性和应力平衡，造成岩体的载荷回弹[1]，导致应力和地下水重新分布，并引起围岩变形、破坏。通常情况下，围岩的应力变化分布是从洞室周围向岩体内部逐渐减弱的，特别是对于洞室周围拉应力和压应力集中的区域，应力释放更为明显。

隧道施工所造成的围岩变形破坏程度和特性还与围岩的岩性和结构有关，在遭受相同程度的施工扰动后，不同岩性和结构的围岩内部岩体松动程度和围岩破坏效果相差较大，所酿成的工程事故严重程度也相差较大。

对于硬度较大的块状岩体，岩体本身具有较强的力学强度和抗变形能力，结构面较长且较稀疏，裂隙水含量极少，属于均质且各向同性的连续介质。此类岩体应力与应变呈线性关系，受到扰动破坏时主要发生脆性开裂、岩爆等现象。岩爆时应力快速释放将岩块迅速射出，产生气流和声音，造成洞室内施工设备与人员损伤。在洞室周围压应力和拉应力集中的区域，极易产生岩体的脆性开裂，降低岩体稳定性，造成局部塌方，引发安全事故。

软硬岩体分层交互出现的岩体地层，岩体结构主要由里层面为主，并夹杂伴随有层间错动和泥层等质地软弱的结构发育。由于岩体层间物质类型属性质地差距较大，很难达到各向同性的连续介质属性，在受到擠压等扰动时，极易因应力急剧变化而造成岩体的弯曲、开裂。在距离洞室较近的岩体中，因应力变化较大而极易造成弯曲折断，若不能对岩体进行及时支护，极易造成局部岩体的坍塌跌落。由于洞室顶部岩体受重力影响，极易因拉应力变化造成岩体层状弯折，造成塌落，洞室侧壁岩体因弯折产生鼓包现象，引发隧道变形和相关事故。

对于碎裂岩体，由于具有一定程度的碎裂，并含有一定量的泥沙，若碎裂和夹泥含量低，岩体将具有一定程度的自稳性，不易造成大规模塌方;若碎裂和夹泥含量较高，岩体刚性较弱，隧道施工时如不及时进行支护，易产生大的塌方事故。

对于受风化严重或新近堆积的松散岩体，其力学表现多为弹塑性、塑性或流塑性，其遭受破坏时多以拱形的冒落形式，造成隧道内岩体的局部塌方、塑性挤入和滑动变形等。

所以，在不同类型岩体环境中进行隧道管棚支护作业时，应结合不同岩性地层的特点综合考虑管棚参数的计算、评价与优化。

3 管棚设计与支护参数研究

3.1 管棚预支护技术应用场合

管棚超前预支护技术作为较为重要的一种隧道施工辅助方法，近年来在国内外各种工况的隧道及地下工程施工过程中被广泛应用。管棚超前支护技术主要被用于软弱土层、砂砾地层或软岩、岩堆、松散、破碎带等地层中，起到加固地层、防止地面沉降和地面设施损坏等作用，有效保障隧道的施工安全[2]。

3.2 管棚预支护的形式和参数设计

3.2.1 管棚布置形式。为保证隧道洞室施工安全，防止洞室发生局部坍塌，管棚预支护应沿隧道开挖截面轮廓形状的外周布置，重点布置在易发生损坏、坍塌的隧道拱顶、侧壁等位置或需重点防护的位置。主要布置形式为将棚管按照防护要求以一定间隔排列于支护面外轮廓。棚管的具体配置和布置形状取决于实际施工隧道的地质特性、地表建筑物或设施情况等。

对隧道施工重点部位进行管棚的超前布置，可以在隧道重点部位形成以钢拱架支撑为主体的梁结构。以加固局部岩体。同时，棚管多为中空钢管，可通过钢管向重点区域岩体注入水泥砂浆、水玻璃等岩体加固材料，以加固围岩性，保证隧道掌子面和重点防护区域的岩体稳定。

3.2.2 管棚预支护参数设计。管棚预支护的设计参数主要包括钢管选型、管棚长度、仰角、棚管间距、掘进步距、钢拱架间距以及管棚水平搭接长度等。目前，管棚所采用的钢管多为热轧无缝钢管，随着国内外隧道管棚预支护技术的发展，管棚的形式和种类也日趋多样，按照国内目前常规管棚应用情况，管棚主要设计参数如下。

钢管参数。通常选择钢管外径为89～109 mm（小直径），109～200 mm（大直径）;长度4～6 m，采用焊丝或丝扣（>15 cm）进行分段连接，安装仰角为3°～5°。

钢管间距。钢管间距主要受岩土稳定性和钻机施工精度影响，假设管棚钢管在隧道拱顶以半圆形（圆心角为[α]）断面均匀排布。根据几何关系及施工经验，可确定第[i]根钢管与地面的距离：

第[i]根钢管的间距为：

其中，[Li]为第[i]根钢管到地面距离;[L]为隧道拱顶到地面距离;[gi]为第[i]根钢管的钢管间距;[R]为钢管支护半径;[α]为圆心角。管棚布局横截面模型如图1所示。

3.2.3 管棚支护长度。管棚支护掘进步距过长或过短都会影响施工效率和施工安全。根据实际施工经验，掘进步距应控制在0.5～2.0 m。管棚支护长度计算简图如图2所示，计算公式如式（3）和式（4）所示。

其中：[S]为管棚支护长度，m;[a]为外露钢管长度（可理解为钢拱架宽度），m;[b]为任意一个循环进尺，m;[c]为超前支撑长度，m;[θ]为安装仰角，°。

3.3 管棚施工导向墙设计

为保证管棚施工钢管打入方向准确，同时对钢管进行支撑，需要在管棚施工工作室的工作面位置制作一定厚度和硬度的混凝土防护墙，作为管棚施工的起始端，用以固定钢管，确定钢管导入方向。同时，可防止在管棚注浆作业时浆液流入管棚工作室，影响管棚施工。套拱内按照固定间距预埋安装有事先制作好的钢拱架，钢拱架内部安装有钢套管，管套孔口设置有外插角，可以起到管棚钻机施工导向和预防钻机钻头因自重下沉的作用。

钢拱架设计是按照圆形隧道的结构形式，结合弹性力学相关理论对其进行设计计算的[3]。设围岩竖直方向的自重应力：[?z=∫zdz]，围岩水平方向的应力：[?x=μ1-μ?z]，则围岩初始应力为：

隧道开挖后的应力场：

其中：t为孔口半径，m;r为径向变量，m;[θ]为角度变量。

管棚施工的位移分量计算：

洞室周边发生位移计算：

围岩发生三次位移计算：

其中：

根据力学分析及数学计算得知，在法向方向圆环衬砌内力为：

若[st≠0]，此时变形协调条件必须满足环向与切向位移连续，从而得到[st]、[sn]的数值：

此时衬砌内力为：

最大内力为：

其中：

式中，[E1]为弹性模量;I为惯性矩，N·m;[μ]为泊松比;[r]为重度，kN/m;[E]为围岩弹性模量，kPa;t为孔口半径，m。

同时可得所需钢筋最大截面积：

其中：[Nmax]为最大压力，N;[f]为钢材抗拉抗折强度，N/mm2。

4 管棚施工受力模型建立及掌子面稳定性分析

4.1 管棚施工受力模型建立

由于模型的建立受施工区域土体条件、支护条件和施工步骤的影响较大，因此，若想成功建立管棚施工模型，必须对各项施工因素进行设定，假设施工地域围岩介质各向同性，管棚几乎不会产生横向剪切变形以及薄膜效应，管棚的水平方应力为0，忽略围岩的地下水影响和钢管与岩体的摩擦力影响。同时，根据实际施工现场经验分析，结合现有的管棚设计方法，在隧道施工过程中，将管棚进行分区域模拟，将焊接在钢拱架上的管棚端视为固定端，掌子面前方岩体中的部分采用弹性地基梁进行模拟，后方部分采用梁模型进行模拟[4]。可将施工过程中管棚和岩体的受力问题映射为两种介质接触面处的接触应力问题进行研究，根据理想状态，假设隧道开挖时地基反力为直线分布[5]，结合前面的章节的各种条件假定，建立管棚施工力学模型如图3所示。

其中：AB为开挖面前方地层到掌子面段;BC为掌子面到距离最近的钢拱架段;CD段为掌子面与破裂面部分;DE为破裂面到固定端部分;[qx]为x段梁上的分布载荷;[px]为x段梁上的地基反力。根据几何关系求解得管棚BC、CD、DE段的挠度曲线方程可化简为：

其中：[x]表示任意段梁的长度，m;[y]为地基沉降量，m;[q]为x段梁的分布载荷，N;[E]为梁的弹性模量，MPa;[I]为梁的界面的惯性矩，m4。

通过求解以上方程式，可得到管棚的挠度、转角、弯矩和剪力方程，从而确定管棚设计的各关键参数。

4.2 管棚作用下的掌子面稳定性分析

通过上节对管棚支护系统的关键参数计算可知，管棚系统对隧道掌子面的穩定性影响问题，本质为管棚与围岩相互作用下接触应力的边坡稳定问题，可以通过极限平衡法、极限分析法及有限元分析法等传统的边坡稳定分析法对管棚支护系统作用下的掌子面稳定性进行分析，从而优化管棚支护系统的各设计参数，提高隧道施工的安全性。

5 结语

本文通过对地质施工环境条件进行假定，通过经典力学理论和数学推导，建立了管棚超前支护的数字化模型与管棚预支护系统的关键参数方程。可根据导入实际施工环境参数推导出管棚施工的重要设计参数，指导管棚系统关键设计参数的取值。同时，根据数学模型方程，求解出管棚系统的重要指标，并通过对关键参数计算结果的评价与优化，达到提高管棚支护系统安全性、提升施工性价比的目的。将管棚超前预支护技术应用于隧道施工过程中，对保证掌子面稳定性和控制地表沉降等具有极为重要的作用。在实际施工中，隧道管棚施工是个受多维因素影响的过程。本文采用二维稳定性分析方法进行数字化建模分析，此分析方法放大了施工安全系数，提升了隧道施工的安全性，对管棚设计施工和系统优化具有重要的验证指导意义。

参考文献：

[1]杨甲豹.破碎围岩中管棚预支护理论及应用研究[D].长沙：中南大学，2010.

[2]朱保国.软弱破碎围岩隧道中管棚超前预支护技术研究[D].成都：西南交通大学，2005.

[3]寇永照.管棚支护参数优化及计算程序设计[D].西安：西安科技大学，2012.

[4]陈佳正，汤华，戴永浩.钻爆法施工管棚支护精细模拟研究[J].科技通报，2020（6）：63-65.

[5]郭磊.浅埋暗挖水下隧道管棚作用机理及开挖的扰动效应研究[D].长沙：中南大学，2010.