(重庆交通大学 重庆 400000)

管棚法是在隧道开挖轮廓线以外，以一定间距、角度，打设一定长度的钢管作为支撑，并通过钢管注浆同时加固围岩，确保隧道开挖安全的一种支护体系。它具有支护距离长、安全性高、施工速度快、工期短等优点，因此，被广泛运用于地铁隧道、地下通道等工程中。虽然相关研究较多，但管棚支护的设计参数主要根据经验得到。为此，借助前人研究成果，笔者针对回龙湾隧道工程暗挖段施工和复杂的地质、环境条件，采用数值计算软件对管棚预支护设计参数中管棚的布置角度、钢管直径的变化、钢管间距的变化、隧道开挖步距对管棚预支护效果的影响进行系统分析，总结规律，为复杂地质条件下浅埋暗挖隧道的管棚预支护设计提供参考。

一、工程概况

以重庆铁路轨道东环线回龙湾隧道为例，该隧道位于南温泉背斜东翼，单斜构造，产状N20～43°E/35～45°NW，未见断裂构造形迹。地下水以基岩裂隙水为主，地下水不发育，地下水无侵蚀性，预计该段最大涌水量为950T/d。洞身段以泥岩为主，质软，易出现拱顶掉块、剥落、坍方，隧道进口左侧挖方边坡顺层。隧道进口覆盖0～2m粉质粘土，拱顶至地面约为5.2m，隧道洞身基岩为侏罗系中下统自流井组，珍珠冲组泥岩夹砂岩、砂岩，强风化层厚1～4m。隧道DK23+580～DK23+650段为下穿龙洲湾公路隧道段，拱顶离公路隧道底5～7m，施工易发生塌方，沉降。

二、管棚的参数选取

该隧道洞跨为10m,洞高为5m,根据上述洞室开挖对周围岩体的影响范围,有限元计算分析范围取水平方向至少四倍的洞跨，这里取50m,洞室中心左右各25m，竖向从隧道底部向下取为简化计算,纵向取15m,隧道底部到模型边界为5m，上部为岩体。模型左、右、前、后和下部边界均施加法向约束。围岩以泥岩为主，部分泥岩夹砂岩，围岩较破碎。泥岩属于软质岩，易风化软化，节理裂隙发育，故采用随机裂隙模拟节理发育情况。对所研究的下穿龙洲湾隧道段和洞口段由工程资料对隧道参数进行取值。围岩密度取2.3g/cm3，内摩擦角取33°，弹性模量取1.5Gpa。节理法向刚度取2Gpa/m，节理剪切刚度取0.5Gpa/m，节理摩擦角取23°。管棚支护采用直径108mm，长30m的大管棚，打入仰角为3°，管棚间距40cm，管棚等效刚度65Gpa，注浆区域围岩等效弹性模量取7Gpa，注浆区域厚度由经验值取0.4m。

三、与工程实例对比

建立模型对管棚沉降计算后结果如下：

可以看到，洞口段管棚的最大沉降值约为1.32cm，拱顶上方沉降值为1.2mm左右。现场检测沉降数据最大沉降值为12.8mm，表明洞口段数值模拟结果与现场监测结果吻合度较好。

四、管棚参数优化分析

(一)管棚直径对支护效果的影响

在设定地层条件及管棚其它参数一致(环向间距0.4m的情况下，选择钢管直径分别为50mm,100mm,150mm,200mm,250mm和300mm六种情况进行模拟分析。

将各管棚直径带入模型计算后最大挠度的结果如下表所示：

直径/mm挠度/mm5025100131508.62006.92506.13005.9

随着管棚钢管直径的增大，管棚挠度和受力有非线性减小的趋势，这说明相对较大直径的管棚可以有效地控制周围岩体的松动破坏，加强管棚的超前预支护作用;另外，随管径的增大其抗弯能力加强。因此，为保证周围岩体及工作面岩体的稳定以及控制地层变位至某一限定值，就应增加超前支护钢管的直径。但单纯依靠增大管径并不能带来预期的作用效果，钢管直径存在着最佳直径的概念。在上述实例中，管棚直径在大于150mm后沉降值减小趋于平缓，故管棚最佳直径选择为150mm。

(二)管棚环向间距对支护效果的影响

对于管棚超前支护的间距，无疑减少间距意味着土体力学性能的改善，对管棚与土体成拱有促稳效应。因此若地层条件差，则管棚应加密布置。根据回龙湾隧道的地质条件，在设定地层条件及管棚其它参数一致的情况下，选择钢管环向间距分别为0.3m，0.4m，0.5m，0.6m四种情况进行模拟分析。

计算结果如下:

环向间距管棚沉降0.3m1.32cm0.4m1.49cm0.5m1.73cm0.6m2.52cm

从以上结果来看，管棚间距的减小，有利于管棚支护发挥作用，在间距大于0.5m时，管棚支护效果明显减弱，排布间距从0.6m减小到0.5m使最大沉降值减小了9.1mm。而在间距小于0.5m时，减小管棚排布间距对拱顶沉降的影响就逐渐减弱，0.5m减小到0.4m间距仅仅使沉降值减小了2.4mm。而0.4m减小到0.3m沉降值减小了1.3mm。

从管棚挠度来看，对于前述条件下本计算模型来讲，随着管棚环向间距的增加，挠度有着减小幅度逐渐减缓的趋势，所以并不是单纯减小间距就能明显改善支护效果。对于特定的条件下，在满足预支护作用的同时，存在相对较优的管棚环向间距，对于本计算模型，在管径为150mm情况下以0.3m为较优。

(三)管棚的注浆加固区厚度对支护效果的影响

在此以回龙湾隧道工程实例为计算依据，分别模拟注浆厚度为0cm，10cm，20cm，30cm，40cm，50cm的工况下对管棚支护效果的影响。

这里计算时设定钢管直径150mm，壁厚6mm，排布间距30cm，弹性模量E=65.6Gpa，泊松比μ=0.262。分别带入上述五六种工况进行模拟，计算结果如下：

注浆厚度cm管棚最大沉降值mm050.11028.62020.63013.244010.78508.32

通过计算结果可以看到，注浆厚度在小于30cm 时，从0cm增大到30cm明显降低了管棚沉降，证明增大管棚注浆厚度可以有效提高土体参数，增强支护效果。但是在从30cm增大到40cm时，管棚沉降值仅仅减少了3mm，从40cm增大到50cm时，仅仅减少了2.4mm。所以在注浆厚度超过30cm后，仅增大注浆厚度对支护效果的影响已经不大了，而增大注浆厚度对施工难度的增加就越发明显。所以注浆厚度采用40cm最为经济且满足支护效果。

四、结论

1.钢管直径的增大对增强管棚支护效果存在限值，要依据实际工程的情况选取，在本工程中选择150mm直径为最优选择。

2.管棚支护效果随之管棚间距减小而增强，一般布置间距为30～60cm之间，本工程选择30cm可以最大程度发挥超前支护效果。

3.注浆厚度对支护效果影响明显，而单纯的增大注浆厚度对优化支护效果帮助不大，本工程中取40cm为最优选择。