摘要：针对TimahTasoh输水隧道工程的Ⅳ级围岩洞口段（CH3+590～+633，CH4+315～+346），采用管棚、双排小导管对其进行预加固，运用有限差分软件FLAC3D进行计算，通过隧道拱顶位移、地表沉降及围岩应力、塑性区等变化，分析对比管棚与小导管支护效果的差异，结合国内的隧道工程经验，选出适合TimahTasoh隧道工程的预加固措施。
关键词：隧道工程；大管棚；双排小导管；Ⅳ级围岩；预加固；FLAC3D
1前言
采用管棚、小导管加固隧道围岩，国内外都进行了研究。国外，原苏联全苏运输建筑工程科学研究所和莫斯科汽车公路学院采用物理模型试验，研究了在管棚预加固支护下隧道周围土体的应力状态；通过模型试验，对管棚超前支护效果及机制进行了研究。国内研究认为，小导管或管棚具有承载和传递荷载以及改善围岩力学参数的作用。本文针对TimahTasoh输水隧道工程Ⅳ类围岩洞口段（CH3+590～+633，CH4+315～+346），采用大管棚、双排小导管对其预加固，运用有限差分软件FLAC3D进行计算，通过对隧道管棚与小导管预加固支护措施下的拱顶围岩变形、掌子面挤出位移和支护结构内力的分析结果作两者的支护效果对比，并结合实际施工加以验证，以供类似工程施工参考。
2工程概况
某TimahTasoh输水隧道工程位于某玻璃市（Perlis）境内，隧道（CH3+580～CH4+356）长776.0m。隧道围岩为Ⅳ级，岩性主要为第四系残积土、灰岩，最大埋深为167.5m，最小埋深为12.3m。隧道穿越岩溶地层，根据测区地层岩性、地下水赋存条件、水理性质和水力特征，测区地下水类型主要为：基岩裂隙水、碳酸盐岩岩溶水。地表溶蚀多呈条带状发育，隧道走向大致与其垂直，其中CH3+650～+850，CH4+000～+200段的地表溶蚀现象最为普遍。隧道断面尺寸为净宽10m，净高7m（上部为半径5m的半圆，下部为2m高直墙）。坡率i=0.01%。
3计算模型及参数的选取
计算模型的假定条件：①两侧边界施加水平方向的位移约束；②与隧道轴线垂直的前后两侧边界施加沿轴向的位移约束；③底部边界施加垂直方向的位移约束；④顶部为自由表面，不进行约束。计算模型边界范围：水平方向自隧道中心线至模型边界左右取约36m；模型沿隧道纵向取60m；考虑到隧道浅埋，模型向上取至地表，隧道垂直方向（Z向）取值范围为－33～21m。管棚直径为140mm，壁厚9mm，单根长度为18m，管棚的间距为40cm，纵向搭接长度为4m，管棚外插角2°左右，在拱顶范围180°范围内打设进行超前支护，并进行压密注浆，中间架立H型钢203×203×6，拱架间距80cm。小导管直径为42.0mm，壁厚3.5mm，长度为3.5m，小导管的环线间距为40cm，纵向搭接长度为1.0m，外插角度10°，在拱顶范围180°范围内进行超前支护，并进行压密注浆。初期支护为30cm的C30喷射混凝土，中间架立H型钢203×203×6，钢拱架间距60cm。在计算模型中，围岩、初期支护采用6面体单元进行模拟，二次衬砌视为安全储备，不考虑其作用，钢拱架的作用采用等效的方法考虑初期支护。管棚和小导管采用桩单元模拟，对于填充水泥砂浆钢管的作用，采用等效的方法，将钢管以及内部水泥砂浆的弹性模量、泊松比进行等效换算，然后将参数赋予桩单元。围岩及支护的物理力学参数，见表1。
表1围岩及支护的物理力学参数
按照软件中的fish语言来模拟整个隧道开挖及支护过程。在FLAC3D中，赋予材料不同的本构模型即可以用来模拟开挖或支护，为了尽量消除边界效应的影响，本次分析以y=20m为目标面，以下的分析大多基于此目标面进行。
4拱顶围岩变形分析
在管棚、小导管两种工况下，隧道挖通后目标面（y=20m）围岩的垂直位移云图。
（1）在管棚支护下，拱顶最大竖向位移为19.9mm；在小导管支护下，拱顶最大竖向位移为21.5mm，比管棚支护下位移增大了7.5%。
（2）随着隧道的开挖，小导管支护下，拱顶位移总要大于管棚支护下的数值，最大数值相差2.2mm。通过以上分析，单纯从数值变化而言，管棚对于拱顶沉降的控制效果要稍微优于小导管支护效果，但是两者位移相差量相对来说比较小。故总体而言，当围岩条件不是很差时，管棚和小导管对隧道拱顶位移收敛的控制效果来说是相当的，它们都能显著减小隧道开挖引起围岩的扰动，限制隧道周边的位移变化。
5掌子面挤出位移分析
在浅埋围岩软弱情况下，在隧道横断面上很难形成承载拱，掌子面松弛常常到达地表，因此，掌子面的稳定关系到围岩的稳定、施工的安全及进程。在管棚支护下，掌子面的最大挤出位移为5.1mm，发生在距离隧道底部4.0m左右位置；在小导管支护下，掌子面最大挤出位移为5.3mm，位置与管棚加固相同，相对管棚加固工况下掌子面挤出位移增大了4.0%。通过数据对比可得，管棚和小导管支护下，掌子面挤出位移只有几毫米，位移量很小，说明管棚及小导管超前支护能较好地控制掌子面的位移，体现了管棚及小导管作为超前支护的梁效应，其将上部围岩传来的比较集中的荷载分散到掌子面前方的岩体及初期支护上，减少了掌子面前方土体所受压力的强度，从而保证开挖过程中掌子面的稳定。
6支护结构内力分析
（1）拱顶范围：管棚支护下，弯矩为84kN•m，轴力为529kN，安全系数为5.7；小导管支护下，弯矩为98kN•m，轴力为721kN，安全系数为4.1，与管棚加固工况相比，安全系数降低了28.0%。
（2）拱脚范围：管棚支护下，弯矩为136kN•m，轴力为429kN，安全系数为5.6；小导管支护下，弯矩为128kN•m，轴力为443kN，安全系数为5.0，与管棚加固工况相比，安全系数降低了10.7%。
（3）边墙范围：管棚支护下，弯矩为180kN•m，轴力为156kN，安全系数约为16.0；小导管支护下，弯矩为195kN•m，轴力为175kN，安全系数约为14.7，与管棚加固工况相比，安全系数降低了8.1%。
（4）由不同部位支护结构内力图可以看出，在两种超前支护作用下，拱顶部位受力最大，安全系数最低；边墙部位安全系数最大，可见受力是最小的。
7结束语
管棚及小导管支护都能够很好地与周边的围岩组成复合体起到承载拱的作用，有效地减小了由于隧道施工而引起上部岩土体的扰动，对控制隧道上部地表位移和地层位移起到了较好的效果。在管棚作用下，拱顶位移为19.9mm；在小导管支护下，拱顶位移为21.4mm，相当于管棚支护作用下，拱顶位移增大了7.5%。说明管棚支护对于控制拱顶沉降而言，要稍微优于小导管，但不是很显著。由于管棚及小导管超前支护的预加固作用，在纵向上起到梁支护效果。同时，在横向上又起到平衡拱的作用，其承受上部围岩的重量，而使支护结构及掌子面上部围岩仅承受由于加固复合体的变形而产生的形变压力。预加固措施有效地控制了拱顶围岩的应力释放，使应力重分布变得有利。
参考文献：
[1]张铭海.暗挖隧道邻近建筑物双排小导管注浆加固技术[J].市政技术，2013，31（S1）：127-129+132.
[2]杨坚.双层注浆小导管在隧道穿越软弱围岩地段的应用[J].河南科技，2013（02）：91+188.
论文作者:张广林
论文发表刊物:《基层建设》2018年第5期
论文发表时间:2018/5/22
标签：围岩论文; 导管论文; 隧道论文; 位移论文; 拱顶论文; 安全系数论文; 弯矩论文; 《基层建设》2018年第5期论文;