山东汇通建设集团有限公司 山东省济南市 250000
摘要：在本研究中，通过相应的试验对管棚的工作机理进行了系统的分析，并在此基础上针对隧道拱部最终所形成的棚或者架的条件分别进行了阐述。在依据棚架体系理论的基础上，指出管棚在隧道施工中的主要作用。
关键词：软弱底层；浅埋暗挖；管棚法；棚架原理
引言 当要在软弱地层中进行隧道开挖施工时，由于软弱地层中的围岩本身在自稳能力上就有所欠缺，通常都需要在施工时提前做好预支护或者预加固处理，也有些工程中使用的加固方法为盾构法。当使用超前预支护时，最常用到的方法就是管棚法，这种方法不仅施工方便，在施工投入上也较少，是国内工程界中使用最广泛的方法之一。
1 管棚的工作机理
通常情况下，管棚在多数的工程中都起一定的简支梁的作用，而其两端的支撑梁则主要负责对简支梁进行支撑。在其上覆地层中通常发生的变形主要表现为两种，一种为管棚的挠曲变形，另一种则发生在端头支撑梁处。因此若要对变形情况进行控制，通常都主要需要对管棚或者端头支撑梁做好相应的处理，如提高管棚或者提升端头支撑梁的刚度。在国外一些发达国家中，通常都将此方法应用于铁路或者公路的隧道穿越过程中，以此来避免在隧道开挖施工中对原有的交通线路造成破坏。
但是纵观我国多数隧道工程的施工，尤其是当在软弱地层施工时，所使用较多的还是管棚格栅知乎体系，这与国外的大刚度管棚支撑梁法存在着很大的差异。以某地隧道开挖工程为例，由于此隧道需要穿越铁路线路，并且此隧道的洞身还处于软弱地层中，隧道跨度约12米，高9米，净间距约为0.5米。在对隧道工程进行超前预支护设计时，选用的管棚的管径约为10.8公分，管棚之间间距为0.35米，注浆用料为MC超细水泥以及水玻璃双液浆，格栅的纵向间距为0.5至0.7米。在此工程案例中，不论是大管还是小管，都适用于软弱地层，并且实践证明，当使用小管做支护是，更能便利施工。本研究就是在试验的基础上对管棚的作用机理进行了相应的探讨。
1.1棚的形成条件
对于软弱地层中的隧道而言，在其拱部处要形成管棚通常需要具备如下两方面条件，首先在管间部位的软弱围岩可以微微拱起，其次则是在拱部的杆件结构的数量足以将围岩产生的压力进行传递或者扩散出去。
在本研究中，笔者通过结合某地地下过街管道中的所使用的管棚工法，在土工离心模拟实验的基础上，对此工法在饱和砂性土层中的应用进行了研讨，判断是否可形成棚效应。在试验时，最初拟定的管棚所使用的原料为ƒ10.8cm×1cm的钢管，且管间距为3.5公分，依次沿过道的顶部及两侧排列分布，在施工时使用的方法为正交CRD工法，即通道断面分4步开挖。开挖时步长约为50公分，试验时使用的模型率为30.模型土的指标主要如下表
在进行此试验时，仅对管棚进行了模拟，却并未设置格栅。试验结束后，通过设置管棚可以使饱和砂性土的稳定性得到保障，也就是说当管棚间距为35公分时，砂性土地层可以在关鹏作用下形成微拱。
基于上述试验，可继续进行对全断面的模拟试验，在参数不变的情况下，将加速度达到30g时，管棚上方的土体依然可以保持稳定。之后再进行破坏试验，当将模型的加速度提升至50g时，通过破坏现场的照片可以发现管棚间有微拱形成，但在其掌子面可发现明显的坍塌现象。
通过上述试验可证实当管棚的数量以及间距都设置合理时，管棚即可充当棚使用，通过棚的形成可以对围岩变形起到一定的控制作用，还能将围岩的压力进行扩散，同时还能将开挖时出现的应力适当减少。
2.2 棚架体系
虽然当设置管棚之后可以起到微拱的作用，但是当隧道的开挖进尺达到一定深度后，如若在掌子面出现坍塌现象，管棚的作用将会在一定程度上有所削弱，严重者还会全部丧失。事实证明，当进行超前预加固时若使用小管棚，则必须要辅助使用格栅拱架，以此起到一定的支撑作用，并形成以管棚和拱架为主体的棚架支护体系。
以某地的隧道工程为例，在此开挖工程中使用工法为6步开挖，其支护体系为格栅支护，通过对此工程进行观察后发现，当开挖工程完成之后，对观测点进行测量后发现观测处的内力值主要如下表.
由上表可知，在拱圈处的格栅拱架主要负责受压，而在水平方向附近的格栅则不止受压，同时也会受到一定的拉力，以此来对拱部以及边墙上的格栅所受到的作用力进行调节。通过试验可知，此时格栅的总体应力处于20至60MPa之间，在个别观测点处应力值可超过100MPa。由于本身格栅的间距就在50至75公分之间，因此在开挖阶段，管棚所起到的作用仅仅就是产生微拱以及将围岩压力向格栅上进行传递，其所受到的应力要比格栅承受的要小。基于此就不难发现，在辅助工法中可以使用小管棚。而管棚的最小直径则通常由二次衬砌的一次浇筑长度所控制。
2 管棚辅助工法的设计和施工参数
至今，在设计管棚时仍多由以往设计经验以及参考同类工程进行设计，即使在有些工程中会使用锚固岩体法或者等效梁法进行计算，但是这种计算结果也只是起到了定性说明的作用，因此，对于当前而言，应当重视对管棚法的量化计算研究。在进行量化计算时，首先应当对工况转换过程中管棚支护体系的受力转换以及其工作特征进行分析，尤其是在开挖过程中应力释放的阶段以及二次衬砌时。结合此情况，可将管棚主要分为三类，即管径不超过12.9公分的小管棚；管径处于12.9至29.9公分之间的中管棚以及管径超过30公分的大管棚。
当设计为小管棚时，还必须采用管棚格栅支护。在进行设计时应重点对如下参数进行设计，即管径及间距；格栅刚度以及纵向间距；初次支护的厚度等等。而对于中管棚而言，则主要使用搭扣或者密排的方式进行设置。如若使用大管棚，则重点问题则需要解决管棚的施工精度。
3 结束语
随着工程施工技术的不断进步，为使管棚法得到更加广泛的推广，应当在现有工程方法的基础上继续进行探索，如对于不同管径的管棚而言，其各自的技术经济指标以及适用性都有待下一步研究。同时由于小管棚本身就是动态支护，在其沉降控制过程中对于变形情况以及地层损失的计算方法也是下一步需要深入研究的方向。
参考文献
[1]张杰. 软弱富水地层浅埋暗挖隧道地表沉降和支护结构受力的模型试验[J]. 铁道标准设计, 2018, 62(3).
[2]杨勇. 软弱地层浅埋暗挖隧道施工地表沉降控制技术[J]. 科技创新与应用, 2016(1):167-169.
[3]赵志有, 王艳, 曹文文. 黏质粉土地层中超浅埋暗挖地铁出入口地道施工技术[J]. 城市轨道交通研究, 2017, 20(11):78-82.
论文作者:岳战营
论文发表刊物:《建筑实践》2019年第13期
论文发表时间:2019/10/16
标签：格栅论文; 隧道论文; 间距论文; 软弱论文; 围岩论文; 工程论文; 棚架论文; 《建筑实践》2019年第13期论文;