吉东风 姚哨峰 郝伯瑾* 张占锋

(1.焦作市城市建设项目管理有限公司，河南焦作 454150;2.上海交大船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240;3.黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003;4.河南同晟置业有限公司，河南郑州 450008)

0 引言

黄土是一种特殊的土质，从结构上说黄土具有明显的大孔性，结构疏松，孔隙度大。黄土特殊的工程特性给黄土隧道施工带来了很多研究课题，特别是黄土的压缩性、湿陷性。与岩体以及一般土体相比，黄土工程性质差，遇水之后结构迅速破坏，强度明显降低，产生急骤显著附加变形，从而引发了很多隧道的塌方事故［1］。目前在黄土地区的隧道施工多采用管棚技术，但都遇到了不同程度的工程难题。

管棚技术是从原始的钻探技术衍生并逐渐发展起来的一种新兴技术，是在不破坏地表的情况下支护岩土的技术。沿着隧洞开挖轮廓周线，用特定的机械(如水平定向钻机和夯管锤)把一系列钢管顺着隧道轴线方向按一定次序打入开挖前方的地层内，然后向管内注浆固结周围的围岩，最终形成一个棚架支护体系，以支撑来自外侧的围岩压力，从而保证其隧洞开挖、衬砌的连续性和安全性。管棚注浆法中钢管是沿隧道开挖轮廓周边，间隔一定的间距，沿洞轴以一定外插角呈外插状分布，同时起到超前管棚和注浆管的作用。这样通过注浆加固，拱顶以上被加固密实，形成结实体，整体稳定性增大，加之管棚的临时支护作用，可达到理想的开挖条件。伍振志研究了管棚注浆法在浅埋松软地层开挖中的加固机理［2］，朱彦鹏探讨了管棚注浆法在黄土公路隧道浅埋段中的支护机理和实际应用效果［3］，高怀鹏结合工程实例探讨了长管棚预注浆超前支护技术在浅埋偏压大跨隧道洞口施工中的应用［4］。梁瑞利介绍了扇形支撑及径向导管注浆在黄土隧道偏压沉陷中的应急使用和围岩加固效果［5］。这些都为管棚注浆加固技术的施工和研究积累了丰富的经验。

本文通过对黄土隧道施工洞口段的过管棚注浆加固技术的三维有限元仿真分析，对注浆加固管棚隧道施工技术的效果进行了系统评价，有效地指导了隧道施工，为保证隧道施工安全和工程质量起到了重要的作用，也可以为类似的工程模拟以及施工提供借鉴。

1 工程概况

函谷关隧道所在地位于灵宝市大王镇函谷关村。隧道总体走向呈南北向曲线展布，采用小净距隧道(测设线间距:进口9.7 m，出口13.4 m)，隧道最大埋深约32 m，洞轴线走向方位角约135°。属短隧道。隧址底层单一，属第四系上更新统(Q3)新黄土(马兰黄土)，风积成因(eol)。黄褐色，中密，稍湿，主要以粉土为主，具大孔隙，含少量钙质结核，表层见大量虫孔及植物根孔。厚度巨大，其上部为湿陷性黄土。纵坡速度VP=857 m/s～1 023 m/s。隧址多为Y形和直线形冲沟，冲沟狭窄，沟壁陡峭，为黄土冲沟，沟内为降雨及融雪暂时性流水。隧道进出口位于斜坡，坡度约25°～45°。进出口自然黄土边坡现处于基本稳定状态，植被不发育，地表植物主要是农作物和乔木树。该黄土隧道围岩等级属于Ⅴ级，属于软弱围岩，入口段土层松软，属于浅埋段黄土隧道。隧道暗洞均采用新奥法施工，隧道对于Ⅴ级围岩段采用多台阶分步法开挖施工。本隧道洞身段初期支护主要形式有:C20号喷射混凝土厚度28 cm，Φ8钢筋网(间距20×20双层)、锁脚锚杆、钢拱架纵向间距0.5 m等。本工程的进口段拟采用管棚超前支护方式进行加固处理。为了优化设计，我们建立了隧道洞口在不同长度的管棚超前支护下开挖的三维有限元ABAQUS计算模型，分析隧道在不同参数管棚注浆超前预支护作用下，隧道开挖拱部和边墙的变形、地表下沉、地层内应力，进而分析管棚对支护区稳定性的影响机理，说明管棚注浆的强预支护效果，并初步选定一个优化的长度进行施工。

2 三维有限元计算与结果分析

2.1 有限元计算

数值模拟方法分为有限单元，有限差分和离散元等。在实际工程应用中应用最为广泛的为有限单元法，ABAQUS强大的实体建模能力可以快速精确的模拟复杂的隧道结构，通过完善的网格划分工具即可生成理想的三维有限元网格，并且计算精度和速度也很高［9］。

本文用ABAQUS软件对经过管棚加固的隧道进行模拟计算，采用管棚的梁式计算模型，对于注浆封口后的钢管的作用，可采用等效方法予以考虑，即将钢管对应于内部填充物的弹性模量折算。围岩采用摩尔—库仑本构关系，初期支护，二次衬砌，钢材及混凝土按线弹性材料计算。模型管单元通过与初支共节点创建，围岩全部以六面体剖分。

部分计算结果如图1，图2所示。

表1列出了不同管棚长度L下拱顶最大位移ug(cm)、围岩的最大主应力值σmax(MPa)、水平收敛最大值ux(cm)、地表最大下沉值ue(cm)及其位置。

2.2 分析结果

1)管棚有效的减小了拱顶最大位移值。

a.没有管棚超前预支护时，拱顶各开挖步最大节点竖向位移在16.95 cm。

图1 12 m管棚加固最大地表沉降分析

图2 18 m管棚加固围岩最大应力分析

表1 不同管棚长度和围岩响应的关系

b.有管棚作超前预支护时拱顶各开挖步的最大节点竖向位移明显减小，其中用18 m时拱顶位移13 cm，节点位移最大减小值为3.95 cm，管棚起到了降低地层沉降的重要作用。

2)以水平的收敛为代表，管棚有效的减小了洞周位移收敛的最大位移值。就拱腰处水平收敛值来说，当施作18 m的管棚时水平收敛2.19 cm，而在未施作管棚时，最大洞周位移是3.18 cm，可见管棚减小了一定的洞周最大位移。

3)由计算结果可以看出管棚对应力的影响比较明显，管棚的存在极大的减小了最大应力。

a.无管棚超前预支护时，围岩内的节点应力最大值比有18 m管棚超前预支护时大大概27倍，最大应力均发生在拱腰处。

b.有18 m管棚时，掌子面拱顶节点应力的最大值比较小，并且从结果看来，掌子面前方地层的拱顶节点应力都是缓慢地增加，隧道的开挖释放应力被扩散到了更大的范围，减小了应力集中，降低了掌子面前方地层的受力强度，增强了隧道开挖面的稳定性。

4)由计算看出，地表沉降的最大值，在有管棚超前预支护时，要比没有管棚超前预支护时显著减小，这在很大程度减小了隧道开挖对地层的扰动程度，减小了由于开挖而引起的地层变形，增强了隧道掌子面的稳定性。

以上的分析结果说明用此管棚注浆支护方式来增强围岩稳定，控制洞周围岩变形是可行的。可以选用18 m的管棚长度来施工。

3 结语

隧道设计施工理论的核心内容在于对围岩的设计分析计算，一个隧道设计施工成功与否的关键在于其隧道围岩是否稳定，因此对隧道围岩稳定性分析研究是解决隧道设计施工难题的关键，围岩稳定性除了靠围岩自身，主要是通过一系列围岩加固措施来保证的。

本文通过对经过管棚注浆处理的黄土隧道洞口段作三维有限元计算，数值模拟了不同管棚长度下的黄土隧道围岩响应情况，对函谷关隧道特定段的变形规律进行了系统研究，归纳起来得出以下几点结论:

1)管棚注浆法能够显著抑制浅埋黄土地层的变形和拱顶下沉，减少隧道初始支护结构的变形和受力，避免浅埋黄土地层开挖中塌方现象的产生，保证了施工安全。

2)管棚注浆技术能改善松软破碎岩层的物理力学性质，在隧道拟开挖轮廓上部形成了具有比较强的承载能力的加固带。由于改良层分担了围岩的大部分松动荷载，而支护结构位移仅由改良层围岩变形压力引起。所以隧道初期支护结构受力、变形比较小，又由于改良层加固带的刚度较大、整体性较好，所以隧道的周边变形比较均匀，应力集中现象较不采用管棚注浆时明显降低。这对于保证隧道开挖稳定和减少二次衬砌费用都是比较有益的。

3)管棚的长度并不是越长越好，需要在数值模拟分析的基础上进行综合方案比选，选择最优的长度参数。

总之，管棚注浆法是一种行之有效的超前支护技术。本文为进一步分析黄土地区管棚注浆法的支护机理提供了参考依据，为类似工程中做好超前支护工作，确保隧道施工安全提供了借鉴，同时也为今后西北地区黄土公路隧道管棚注浆法的设计和施工提供了优化数据。

［1］周建富，顾 军.软塑状土质隧道施工技术［J］.西部探矿工程，2001，70(3):83-84.

［2］伍振志，傅志锋.浅埋松软地层开挖中管棚注浆法的加固机理及效果分析［J］.岩石力学与工程学报，2005，24(6):1025-1029.

［3］朱彦鹏，何江飞，李 军.黄土公路隧道浅埋段管棚注浆支护机理及监测分析［J］.建筑科学与工程学报，2011，28(1):11-15.

［4］高怀鹏，毛海东.长管棚预注浆超前支护技术在浅埋偏压大跨隧道洞口施工中的应用［J］.公路，2005(10):214-217.

［5］梁瑞利.黄土隧道大段落偏压沉陷处理技术［J］.铁道建筑技术，2013(5):77-79.