案例4-小河沟铁路隧道大管棚超前支护施工过程模拟

案例4——小河沟铁路隧道大管棚超前支护施工过程模拟中科院计算技术研究所管棚的应用管棚法是常用超前支护工法，通过在拟开挖的地下隧道衬砌拱圈隐埋弧线上，预先设置惯性力矩较大的厚壁钢管，并注浆形成管棚注浆帷幕壳体，防止地表下沉和土层坍塌，具有良好的预加固效果，在城市地铁、山岭隧道、软土隧道等复杂工程地质环境中被国内外工程界广泛采用。工程概况小河沟隧道是新建太兴铁路的一条双线铁路隧道，通过膨胀性黄土地层，埋深较浅，围岩软弱松散，设计开挖采用三台阶七步工法结合超前小导管施工。自进入雨季以来，受雨水渗透影响，围岩抗剪强度减弱，施工中经常发生塌方事故，造成重大损失。为保障安全施工，控制隧道变形，变更设计拟采用大管棚注浆措施，加固掌子面前方围岩，控制围岩变形。工程概况隧道全长1803m，最大埋深82m，最小埋深仅5m，位于里程DK75+054~DK75+089。由于该浅埋段，埋深及浅，同时处于汇水区，受雨水影响严重，其稳定性较差，极易发生塌方，因此拟采用台阶法结合管棚注浆预支护技术。地层信息该地段为黄土地貌，与工程性质相关的土层主要是出露地表的上第三系（N）膨胀性黄土，膨胀潜势为等级为中，土呈红褐色，硬塑，结构致密，呈菱形状，土内分布有裂隙，斜交剪切裂隙较发育，由细腻的胶体颗粒组成，断口光滑，局部夹钙质结核。土层密度kg/m3弹性模量MPa泊松比粘聚力KPa摩擦角膨胀性黄土191618.410.352530地层建模数值模型浅埋段的开挖施工，拟采用有限差分软件FLAC3D，图1为建立的小河沟隧道的数值模型图。模型包括33407个模型节点，和29580个单元，隧道断面形状为直墙拱型，按最不利工况，取隧道毛洞单洞跨度为11.96米，高为11.86米。FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSASettings:ModelPerspective10:32:25SunApr212013Center:X:1.094e+000Y:-4.268e+000Z:1.417e+000Rotation:X:90.000Y:360.000Z:0.000Dist:2.929e+002Mag.:1Ang.:22.500BlockGroup12345边界条件与本构模型为减小边界效应的影响，取隧道中心线和隧道底板的交点为原点，模型的左、右及下边界距离取3～5倍的隧道的开挖直径，即左、右边界为60m，下边界为36m，上边界为地表，隧道轴线方向取20m。计算模型的左、右、前、后边界和下边界均为法向约束，上边界为自由边界。围岩土体的本构模型采用经典的Mohr-Coulomb理想弹塑性模型。支护结构模拟在数值模拟中，将管棚钢管作为简支梁处理，采用梁单元进行模拟。因为管棚末端部与孔口管焊接成整体，孔口管固定在钢拱架周边，因此端部可以承受较大的弯矩和具有较大的竖向抗力，可以将端部按固定支座考虑。对于插入土体中的管棚部分，由于注浆，使得钢管与周围岩体结合在一块，因此将梁单元的节点与周围岩体应力单元位移协调，从而限制钢管空间内的平动自由度，但由于钢管本身与周围加固体之间的刚度差异很大，因此将梁单元的三个转动自由度不作约束。支护结构模拟管棚采用89mm直径的无缝钢管，设计在拱部120°范围打设，每环长10m，环向间距0.4m，纵向搭接长度3m，外插角5～10°，注1:1的水泥浆，为增加管棚的抗弯能力。在注浆过程完成后，管棚内充满混凝土浆液，待浆液凝结后，管棚相当于钢管混凝土梁。FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep999ModelPerspective10:49:04SatJun162012Center:X:7.420e-001Y:5.809e+000Z:-4.228e+000Rotation:X:130.000Y:300.000Z:0.000Dist:3.009e+002Mag.:7.45Ang.:22.500SketchMagfac=1.000e+000LinestyleSELGeometryMagfac=1.000e+000SELGeometryMagfac=1.000e+000FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep2929ModelPerspective09:43:43ThuJun212012Center:X:3.146e+000Y:1.137e+001Z:-1.979e+000Rotation:X:100.000Y:340.000Z:0.000Dist:3.875e+002Mag.:7.45Ang.:22.500BlockGroup12SketchMagfac=1.000e+000Linestyle支护结构模拟在钢管内设置钢筋笼，钢筋笼由四根主筋和固定环组成，主筋直径为Φ18，固定环采用短管节，节长5cm将其与主筋焊接，按1.5m间距设置，管棚梁结构如图4所示。支护结构模拟为了考虑管内混凝土及加筋对管棚力学性质的影响，在数值模拟计算过程中，将管内混凝土的作用采用等效弹模的方法处理，即将管内混凝土的刚度折算给管棚，计算方法如下公式式中：E为折算后管棚的弹性模量；S为管棚截面积；E0管棚钢管弹性模量；S0为管棚钢管有效截面积；Eg为混凝土的有效截面积；Sg为混凝土的弹性模量，取1.5×1010Pa；Es为钢筋的有效截面积；Ss为钢筋的弹性模量。00ggssESESESES支护结构模拟管棚梁、初支的等效参数如下表所示名称密度/Kg/m3弹性模量/GPa泊松比截面积/m2X轴惯性矩/m4管棚梁单元484097.10.36.218×10-33.078×10-6初支壳单元250031.90.250.32.25×10-3临时仰拱壳单元250046.980.250.26.66×10-4支护结构模拟注浆完成后，长管棚与注浆加固圈在拱顶形成了稳固可靠的固结壳。在模拟计算中，为了考虑这种壳效应，通过提高管棚与加固围岩形成的厚筒结构的参数来实现，并通过线弹性本构模型单元模拟管棚注浆层。单排注浆管注浆时厚筒的厚度可由如下公式计算过得出。式中：D为注浆厚筒的厚度；R为浆液的扩散半径；S为相邻两注浆孔的间距。经计算得管棚加固区的有效厚度为60cm，数值模拟中采用线弹性本构模型模拟管棚注浆层。2222SDR施工步骤模拟数值模拟开挖严格按照隧道施工工法，计算地应力平衡后，首先添加大管棚梁单元和管棚注浆加固壳体，然后开挖上台阶，紧接着对上台阶围岩添加初期支护壳单元，并在台阶上添加临时仰拱的壳单元，计算稳定后开挖下台阶并添加支护，最终计算至平衡。FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep2479ModelPerspective15:00:43MonApr222013Center:X:-4.113e+000Y:1.035e+001Z:2.173e-001Rotation:X:110.000Y:320.000Z:0.000Dist:2.929e+002Mag.:4.77Ang.:22.500ContourofY-DisplacementMagfac=1.000e+000-1.6840e-002to0.0000e+0000.0000e+000to2.0000e-0022.0000e-002to4.0000e-0024.0000e-002to6.0000e-0026.0000e-002to8.0000e-0028.0000e-002to1.0000e-0011.0000e-001to1.2000e-0011.2000e-001to1.3703e-001Interval=2.0e-002SketchMagfac=1.000e+000LinestyleFLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep5001ModelPerspective15:02:22MonApr222013Center:X:-3.527e+000Y:7.303e+000Z:1.840e+000Rotation:X:110.000Y:320.000Z:0.000Dist:2.929e+002Mag.:3.81Ang.:22.500ContourofY-DisplacementMagfac=1.000e+000-3.7180e-002to-2.5000e-002-2.5000e-002to0.0000e+0000.0000e+000to2.5000e-0022.5000e-002to5.0000e-0025.0000e-002to7.5000e-0027.5000e-002to1.0000e-0011.0000e-001to1.2500e-0011.2500e-001to1.5000e-0011.5000e-001to1.7500e-0011.7500e-001to2.0000e-0012.0000e-001to2.2061e-001Interval=2.5e-002SketchMagfac=1.000e+000Linestyle上台阶开挖后位移云图下台阶开挖后位移云图计算结果分析为研究大管棚对掌子面前方加固效果，在隧道拱顶轴线方向上每隔1m布置一个监测点，监测开挖过程中沉降值变化，点布置如下图。计算结果分析各点沉降位移与未添加管棚注浆支的护开挖工法相比较，所得结果如下两图。从图可知在掌子面前方4m处，围岩的变形达到最大值，未加管棚时位移达到了95cm，围岩基本上已经进入塑性破坏状态。而管棚注浆超前支护后，其掌子面前方的围岩最大沉降位移控制在8cm以内，保证了前方土体的稳定性。无管棚拱顶沉降位移有管棚拱顶沉降位移图计算结果分析管棚梁的弯矩变形图和注浆加固区的变形图如下所示，由图可见管棚和管棚加固的区域的最大弯矩和最大应力并不是发生在掌子面上，而是发生在掌子面前方未开挖阶段，距掌子面4m到5m的范围内，与前述监测位移曲线变化相符合。FLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep5001ModelPerspective20:10:02MonApr222013Center:X:-2.551e-001Y:1.027e+001Z:-4.665e+000Rotation:X:110.000Y:50.000Z:0.000Dist:2.929e+002Mag.:7.45Ang.:22.500beamMomentMzMagfac=1.000e+001ExaggeratedGridDistortionpositivewrtSELsystemnegativewrtSELsystemMaximum=6.796e+004SELGeometryMagfac=1.000e+001ExaggeratedGridDistortionFLAC3D3.00ItascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis,MNUSAStep5001ModelPerspective20:17:59MonApr222013Center:X:-1.128e-001Y:1.025e+001Z:-4.129e+000Rotation:X:120.000Y:60.000Z:0.000Dist:2.929e+002Mag.:7.45Ang.:22.500ContourofSYYMagfac=1.000e+001ExaggeratedGridDistortionGradientCalculation-5.2722e+005to-5.0000e+005-5.0000e+005to-4.5000e+005-4.5000e+005to-4.0000e+005-4.0000e+005to-3.5000e+005-3.5000