浅埋暗挖黄土隧道围岩变形控制研究

报告，围岩及支护的物理力学参数见表1。

2 模拟结果与分析

2.1 位移分析

图3为隧道开挖后的地层变形云图。从图3中可以看出，当采用三台阶七步预留核心土法进行施工时，隧道开挖扰动范围比较大。隧道开挖后，受初始地应力的影响，隧道周围的土体向隧道内挤压。主要表现为隧道上部土体的沉降和隧道底部土体的隆起。其沉降变形主要集中在隧道拱顶的区域，并以45°向上发展，最大沉降点的位置出现在隧道拱顶处，其沉降量为137 mm；隧道隆起变形主要集中在隧道仰拱处，且仰拱处的最大隆起变形值大于隧道拱顶处最大沉降变形值，最大的隆起值为161 mm。隧道变形严重。

图4为隧道拱顶沉降随开挖步的变化曲线。随着开挖步的增加，拱顶沉降不断加大，在一定时间后慢慢趋于稳定。图5为地表沉降曲线。由于隧道开挖，隧道上部土体下沉，并在隧道上方地表处形成沉降槽，沉降槽以隧道中线为对称轴左右对称分布。地表沉降的最大沉降值为60 mm，位于隧道中线正上方，沉降槽的影响范围40 m，约为其埋深2倍。

2.2 初期支护应力分析

图6为初期支护第一主应力云图。从图6中可以看出，初期支护的第一主应力的最大值出现在隧道拱顶处，第一主应力最大值为2.3 MPa。而在隧道起拱处和边墙处初期支护的第一主应力值较小。

2.3 塑性区分析

隧道的塑性区分布情况是判断围岩变形与稳定的重要指标。隧道开挖后由于应力重分布，导致洞周围岩发生剪切破坏进而引起塑性区向围岩内部深处发展。图7为隧道围岩塑性区分布云图，由图7中可以看出，塑性区主要集中在隧道边墙和拱脚处。由上述分析可得，开挖造成的围岩变形较大，需要采取必要地加固措施以控制围岩的变形。

3 超前管棚支护

目前，工程中用到的围岩加固措施主要有：降水加固法、高压旋喷桩加固法、超前管棚预先支护法、超前小导管支护法和全断面注浆加固法。其中，超前管棚预先支护法是对开挖前方一定范围内的上部地层进行加固，以支承地面荷载并预防隧道因上覆土层太薄所导致的崩塌，进而减小隧道开挖对地表造成的影响。这是目前国内、外在进行浅埋暗挖隧道施工时常用到的方法。其中，超长大管棚可以有效改善管棚及管周土体，起到梁效应作用。超长大管棚因其一次施工到位，节省管棚工作室施工时间，大大节省资金，且提高施工速度，因此越来越多的应用于各类工程实践。故本文采用超长大管棚进行围岩加固，以减小地层大变形以及其带来的支护失效。

3.1 超前管棚加固方案

统计国内相关超长大管棚的施工实例，发现目前国内的管棚直径主要集中在89～186 mm之间，且施工的角度、范围各有不同，而这两者又直接关系到施工成本和施工技术方案。根据已有研究，在隧道埋深和断面尺寸已经确定的情况下，可以分析受施工影响明显的范围来确定管棚长度及管棚的布置形式。

因此，本文在进行数值分析时，结合以往的工程经验，管棚直径取159 mm，管棚布置在隧道拱顶上部150°范围内，距开挖线外30 cm，环向间距40 cm。数值模拟时，钢管弹性模量取210 GPa，注浆体弹性模量取23 GPa，钢管密度取2700 kg/m3，注浆体密度取2200 kg/m3。管棚采用梁单元进行模拟，管棚施做区域与模型纵向深度相同，数值模型如图8所示，其管棚钢管参数见表2。

3.2 结果对比分析

图8为采用超前管棚支护时隧道拱顶随开挖步的变形曲线。图9为采用超前管棚支护时地表沉降变形曲线。与没有采取围岩加固措施时的模拟结果相比（图4和图5），两种工法下得到的拱顶沉降和地表沉降曲线的变化趋势相同，但其沉降值均得到了有效的减小。采用围岩超前加固措施后，提高了围岩的变形能力，其拱顶沉降和仰拱隆起的最大值都得到了减小，且围岩的扰动范围也变小了。

图10、图11分别为采用超前大管棚支护时初衬的第一主应力云图和围岩塑性区分布云图。与没有采用围岩加固措施时相比，初期支护的第一主应力得到了有效的降低。运用自编程序统计塑性区的体积，可以发现塑性区的范围得到了明显的降低。

将两种情况下得到的数值模拟结果列于表3中。通过对比可以发现，当采用超前大管棚进行围岩加固时，其隧道拱顶沉降最大值由未加固时的137 mm减小到108 mm，减少了21.16%；地表沉降最大值由未加固时的62.17 mm减小到47.9 mm，减少了20%；仰拱隆起最大值由161.2 mm减小到167.49 mm，增大了3.9%，只是因为加强了上部围岩的承载能力后，隧道下部承受的来自土层的挤压力相对增加，从而变形加大。通过对比分析发现，进行超前大管棚支护可以有效提高围岩的自承能力，减小隧道开挖造成的围岩变形。

3.2 结果对比分析

图8为采用超前管棚支护时隧道拱顶随开挖步的变形曲线。图9为采用超前管棚支护时地表沉降变形曲线。与没有采取围岩加固措施时的模拟结果相比（图4和图5），两种工法下得到的拱顶沉降和地表沉降曲线的变化趋势相同，但其沉降值均得到了有效的减小。采用围岩超前加固措施后，提高了围岩的变形能力，其拱顶沉降和仰拱隆起的最大值都得到了减小，且围岩的扰动范围也变小了。

图10、图11分别为采用超前大管棚支护时初衬的第一主应力云图和围岩塑性区分布云图。与没有采用围岩加固措施时相比，初期支护的第一主应力得到了有效的降低。运用自编程序统计塑性区的体积，可以发现塑性区的范围得到了明显的降低。

将两种情况下得到的数值模拟结果列于表3中。通过对比可以发现，当采用超前大管棚进行围岩加固时，其隧道拱顶沉降最大值由未加固时的137 mm减小到108 mm，减少了21.16%；地表沉降最大值由未加固时的62.17 mm减小到47.9 mm，减少了20%；仰拱隆起最大值由161.2 mm减小到167.49 mm，增大了3.9%，只是因为加强了上部围岩的承载能力后，隧道下部承受的来自土层的挤压力相对增加，从而变形加大。通过对比分析发现，进行超前大管棚支护可以有效提高围岩的自承能力，减小隧道开挖造成的围岩变形。

图8 隧道拱顶沉降随开挖步的变化曲线

图9 地表沉降变形曲线

图10 初期支护最大主应力云图

图11 塑性区分布云图

表3 结果对比

无管棚超

前支护 有管棚超

前支护 减小了

拱顶沉降 137 mm 108 mm 21.16%

地表沉降 62.173 mm 47.9 mm 20%

隧底隆起 161.2 mm 167.49 mm -3.9%

周边收敛 16.6 mm 12.1 mm 27%

初衬最大主应力 2.318 MPa 2.01 MPa 13.3%

4 结论

针对浅埋黄土隧道开挖后，圍岩自稳能力差，变形大等特点，本文以某黄土隧道为例进行数值模拟。首先对原设计中的三台阶预留核心土开挖法进行数值模拟，分析开挖后围岩的变形和初期支护的受力。在此基础上提出超前管棚支护法进行围岩加固。通过对比分析发现，采用超前管棚支护可以有效的减小隧道拱顶的沉降、减小地表沉降、减小初期支护应力，但会增加仰拱的隆起，因此在实际工程中，在加强隧道上部围岩的承载力的同时，还需要采取一定的措施以减小隧道仰拱的隆起。

参考文献：

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（责任编辑：江 龙）

Abstract： Combined with one shallow loess tunnel project，a 3D model is established by soft ware MIDAS， numerical simulation on the deformation control of the surrounding rock of the tunnel is carried out with elastic plastic method and Mohr coulomb yielding criteria. It numerically simulates excavation and support by three bench and seven step to reserve core soil construction method to analysis of the deformation and stress condition of surrounding rock stress and the mechanical properties of primary supporting. Base on this， lead pipe shed support is adopted to reinforce surrounding rock. The effects of the lead pip shed support is presented by comparing with the original construction method.

Key words：soft rock tunnel； large deformation； support effects； numerical analysis

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