铁路隧道大管棚超前支护施工过程数值模拟

铁路隧道大管棚超前支护施工过程数值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。边界笛条件碗与本却构模饼型为减按小边铲界效慰应的森影响腊，取家隧道宗中心搁线和妈隧道治底板撕的交界点为棒原点六，模块型的纵左、月右及察下边半界距颈离取3～5倍的业隧道息的开届挖直执径，扑即左野、右狗边界特为60砌m，下稿边界委为36惕m，上归边界夺为地晌表，岂隧道撒轴线槽方向感取20检m。计勺算模菊型的狭左、仇右、腿前、若后边狱界和漫下边扇界均嘉为法扑向约梳束，尼上边距界为交自由巩边界速。围岩亲土体竞的本蜻构模准型采响用经议典的Mo酱hr俭-C族ou团lo端mb理想铃弹塑皂性模纹型。支护心结构桥模拟在数谢值模尸拟中斑，将艘管棚岭钢管稳作为叹简支左梁处颠理，流采用桶梁单同元进踩行模劫拟。因为未管棚怎末端潜部与崇孔口原管焊段接成再整体勾，孔凶口管垒固定议在钢披拱架赵周边怕，因费此端众部可蔑以承民受较致大的临弯矩润和具铃有较多大的阵竖向叠抗力脊，可趴以将破端部进按固亦定支邮座考皱虑。对于答插入耻土体竹中的孤管棚充部分凭，由季于注验浆，赶使得康钢管解与周药围岩合体结劳合在扬一块野，因章此将跌梁单斜元的为节点批与周例围岩稀体应亚力单封元位持移协输调，肾从而买限制盗钢管帅空间下内的倡平动荣自由蓄度，昏但由朵于钢箭管本鹊身与架周围缓加固辛体之昂间的辫刚度碎差异蓄很大堆，因贺此将祸梁单己元的通三个氏转动安自由李度不础作约秧束。支护害结构学模拟管棚役采用89恶mm直径张的无脾缝钢点管，朋设计仅在拱产部12平0°范围纺打设挥，每燥环长10甘m，环脖向间劝距0.靠4m，纵忌向搭徐接长匀度3m，外残插角5～10相°，注1:巴1的水狮泥浆肾，为陶增加寒管棚每的抗耽弯能炎力。在注弯浆过加程完杠成后列，管喇棚内罢充满摄混凝塞土浆纪液，殖待浆古液凝瓣结后袜，管境棚相恩当于费钢管稍混凝龟土梁厦。支护胳结构搬模拟在钢写管内叫设置岔钢筋旋笼，序钢筋家笼由单四根钱主筋餐和固郊定环躲组成员，主索筋直槽径为Φ1巾8，固馅定环绝采用蛋短管无节，蓝节长5c萝m将其帝与主细筋焊申接，界按1.隙5m间距记设置善，管再棚梁顷结构逮如图4所示结。支护暑结构束模拟为了真考虑腾管内苹混凝购土及训加筋统对管区棚力堡学性宋质的如影响山，在吵数值侨模拟写计算孩过程阀中，而将管剖内混眠凝土探的作把用采叙用等燥效弹铁模的魔方法持处理它，即牵将管鬼内混园凝土印的刚荣度折衣算给胜管棚景，计算缸方法伤如下公式式中鱼：E为折劳算后资管棚火的弹肥性模赌量；S为管誓棚截伴面积嚼；E0管棚封钢管蚀弹性绣模量伟；S0为管践棚钢飞管有掠效截体面积被；Eg为混顷凝土晃的有岭效截均面积佳；Sg为混耳凝土峰的弹伤性模烈量，瞧取1.家5×适10穗10臣Pa；Es为锋钢筋询的有粥效截咐面积肾；Ss为钢旺筋的现弹性桨模量冤。支护精结构它模拟管棚遍梁、富初支饺的等斧效参锁数如堡下表现所示名称密度/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支护悉结构贱模拟注浆把完成拆后，湾长管利棚与咏注浆酱加固垮圈在鲁拱顶滩形成贪了稳纪固可羡靠的垂固结橡壳。钻在模锣拟计杨算中烘，为男了考己虑这隐种壳赌效应遭，通惨过提劣高管摔棚与咐加固损围岩女形成搞的厚槐筒结赔构的刚参数轮来实弱现，依并通阅过线畅弹性惩本构毁模型呀单元隆模拟裕管棚帐注浆敬层。屯单排期注浆节管注库浆时暂厚筒患的厚誓度可绪由如仇下公煮式计进算过耍得出薄。式中道：D为注圈浆厚颠筒的坡厚度绑；R为浆酿液的盼扩散使半径湿；S为相叮邻两栗注浆铺孔的咬间距孝。经计比算得悠管棚坡加固菜区的无有效铜厚度乳为60峡cm，数惠值模容拟中篇采用箩线弹纱性本谢构模我型模冠拟管颂棚注战浆层训。施工习步骤疏模拟数值丹模拟处开挖恭严格扒按照钟隧道何施工漏工法上，计为算地顶应力糊平衡稼后，较首先旬添加缝大管歪棚梁旧单元另和管硬棚注世浆加闭固壳书体，搬然后的开挖益上台俊阶，拆紧接巧着对叠上台竞阶围拥岩添如加初盖期支暂护壳睁单元衬，并舞在台够阶上底添加杠临时意仰拱锡的壳柔单元喜，计堆算稳金定后控开挖彼下台芽阶并安添加检支护素，最携终计诉算至乐平衡师。上台纽奉阶开学挖后妹位移汉云图下台帖阶开帮挖后傅位移保云图计算谋结果登分析为研蜓究大腾管棚汤对掌指子面绩前方邮加固铲效果僚，在叔隧道蒸拱顶别轴线版方向挪上每丛隔1m布置喘一个灶监测彩点，屈监测苹开挖挤过程士中沉胁降值腾变化亏，点泥布置弱如下伙图。计算村结果托分析各点灰沉降叮位移恒与未府添加蝴管棚宪注浆填支的甜护开绞挖工心法相读比较虎，所仅得结蛋果如下两野图。从图化可知迫在掌风子面莫前方4m处，盲围岩屑的变桶形达过到最劣大值擦，未香加管云棚时融位移羞达到地了95恨cm，围盾岩基存本上纷已经榴进入踏塑性勤破坏渔状态网。而促管棚读注浆邻超前堤支护老后，受其掌听子面捐前方绕的围灿岩最妖大沉希降位盟移控限制在8c职m以内竖，保框证了惧前方郊土体怪的稳未定性逼。无管隶棚拱号顶沉篮降位堤移有管罚棚拱直顶沉畅降位质移图计算爱结果蓬分析管棚肺梁的驳弯矩煌变形睛图和注浆亩加固善区的蹲变形莫图如下所示截，由氧图可厘见管成棚和街管棚滔加固抬的区架域的葱最大径弯矩长和最脏大应敞力并异不是遥发生毅在掌侮子面醋上，循而是坦发生落在掌沸子面大前方皮未开鄙挖阶乌段，历距掌吉子面4m到5m的范蝇围内串，与产前述铁监测酸位移穗曲线布变化裂相符药合。管棚光梁单摩元弯兵矩图管棚培注浆祝壳体沾单元战应力培图结论大管寸棚注折浆法伏使钢胖管与盏围岩得通过末浆液捞充填执缝隙则而形付成一跃体，书从而珍限制定了管吉棚与统围岩播的相伞对运治动，熄同时垄形成迎强度砍较高蒸的管炒棚注恰浆层堆壳体苗。一方习面，芬分析裂可知阵管棚约在掌悄子面校前就乡丰有了网一定幸的变贸形，兰这也给说明通管棚它可以夕承担凯掌子勾面前捎方的泉荷载女，减刷小地森层工河前沉甚降，立同时啊起到渣阻隔傅沉降询和均艰匀地偶层沉盛降的睁作用艳，控时制掌歪子面胞前方宽土体蛙的位般移，健防止屈前方驳土体慕的塌拿方涌舅入。另一拴方面鱼，管论棚在悼承担泻了围佣岩一敢部分免纵向丽的荷芦载，仓减少伙了拱秋顶初毒期支购护围发岩受靠力，慨增强瞎了隧哗道的梢安全链系数湾。人有别了知趟识，疑就会汁具备符各种蛙分析弃能力舒，明辨存是非狂的能贪力。所以瞧我们顾要勤垃恳读滥书，趟广泛靠阅读惹，古人裙说“逼书中叨自有注黄金桥屋。”通