（岩土工程专业论文）既有公路下连拱隧道管棚变形测试与作用机理研究.pdfVIP

摘要 管棚超前支护技术作为浅埋暗挖隧道的一种辅助工法，在防止隧道塌方、抑 制地层位移、控制地表沉降方面发挥着重要作用，特别在下穿既有公路、铁路及 其他结构物的隧道与地下工程施工中，管棚支护技术以其超前加固距离长、可靠 性高、工期短等优点被广泛应用。本论文以隧道开挖过程中管棚的作用机理为研 究对象，对隧道施工中管棚的变形进行了现场测试，运用弹性地基梁理论分析了 管棚的受力与变形，采用三维有限差分程序模拟了管棚与隧道开挖的相互作用， 并对管棚的支护效果作出评价，综合现场测试、理论分析、数值模拟结果基础上， 提出了一些设计与施工建议，主要研究的内容包括： 1 对常吉高速公路土江冲隧道进行了详细的现场测试，采用应变计对管棚的 纵向变形进行了测试，根据现场测试结果分析了管棚在隧道开挖过程中的受力特 性和作用机理； 2 以支护结构与围岩相互作用为基础，建立了基于双参数p a s t e m a k 地基上的 管棚弹性固定端弹性地基梁模型并提出了求解方法，推导出管棚的扰度方程及应 力、应变计算公式； 3 以土江冲隧道作为工程实例进行计算，采用弹性固定端双参数弹性地基梁 模型分析土江冲隧道的管棚变形和受力，计算出管棚的扰度、纵向变形、地基反 力曲线，计算结果与实测值吻合较好，说明采用弹性固定端双参数弹性地基梁模 型分析管棚受力特征是可行的； 4 采用三维有限差分软件( f l a c 3 d ) 对土江冲隧道开挖与管棚的相互作用进行 模拟，计算中采用梁单元模拟管棚钢管、提高管棚加固范围的围岩参数模拟注浆， 分析了隧道开挖过程中管棚的受力与变形。同时对不设管棚情况下隧道的施工过 程进行了模拟，将两种计算结果与现场实测值进行了比较，分析了开挖过程中隧 道围岩及支护结构的变形特征，对管棚在浅埋暗挖隧道中的支护效果进行了评价： 5 通过现场测试、理论计算、数值模拟方法分析了隧道开挖工程中管棚的变 形特征及加固机理，对管棚的设计与施工进行了探讨，在总结现有设计经验的基 础上提出一些设计与施工建议。 关键词：连拱隧道；既有公路；管棚；现场测试；作用机理；弹性地基梁；数值 模拟 a b s t r a c t p i p er o o fp r e s u p p o r tt e c l l i l o l o g y ，a sa na u x i l i a r yt e c h n i q u ei ns h a l l o wt u n n e l s e x c a v a t i o n ，h a si m p o n a n tf u n c t i o no np r e v e n t i n gt u n n e lc o l l a p s e ，r c s t r 4 j n i n gg r o l l n d m o v e m e n ta n dc o n t r o l l i n gg r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n t e s p e c i a n yi nt h et l l 皿e l so ro t h e r u n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g sw h i c hp 勰sc r o s s - b e l o wt h ee x i s t i n gh i g h w a y s ，r a i l w a y sa n d o t h e rs t r u c t u r e s ，p i p er o o fm e t h o dw a sb e e nw i d e l ya p p l i e db e c a u s ei th a s l o n g p r e - r e i n f o r c e dd i s t a n c e ，h i g h 代l i a b i l i t y ，s h o r tc o n s t r u c t i o np e r i o da n do t h e rr e l a t i v e a d v 锄t a g e s t h cw o r k i n gm e c h a n i s mo fp i p er o o fi ns h a l l o wt u n n e l sw a sb e e n 船 f e s e a r c h e do b j e c ti nt h i sp a p e r ，a n dt h ei o n g i t u d i n a ld e f o m a t i o n so ft h ep i p er o o fw e r e t e s t e db yi n s t a l l a t i o no fas e r i o u so fs t r a i n g a u g e s t h e n ，t h et h e o r i e so fe l a s t i c f o u n d a t i o nb e a mw e r ea p p l i e dt oa n a l y s et h em e c h a n i c a lb e h a v i o u ro fp i p er o o f a t h r e e d i m e n s i o nf i n i t ed i f 话r e n c ec o d e ( f l a c 3 d )w a su t i l i z e dt os i m u l a t et h e i n t e r a c t i o nb e t 、e e np i p er o o fa n dt u n n e le x c a v a t i o na n dt h ep r e - s u p p o ne 矗色c to fp i p e r o o fw a se v a l u a t e d s o m ea d v i c ea b o u tp i p er o o fd e s i g n 如dc o n s t r u c t i o nw e r ep u t f b r w a r db ya n a l y z i n gt h ef i e l d t e s tr e s u l t s ，t h e o r e t i c a la n a l y s i sr e s u l t sa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t s t h em a i nr e s e a r c hc o n t e mo ft h i sp a p e r 船f o l l o w s ： 1 as e r i e so fd e t a i l e df i e l d t e s t sw e r ec a r r i e do u ti n7 r u j i 粕g c h o n gt u n n e lo f c h a n g j ie x p r e s s w a ya n dt h el o n g i t u d i n a ld e f o r m a t i o n so ft h ep i p er o o fw e r et e s t e db y as e r i o u so fs t r a i ng a u g e s ，觚dt h e nt h em e c h a n i c a lb e h a v i o u ra n dw o r k i n gm e c h a n i s m o fp i p er o o fw e r ed i s c u s s e da c c o r d i n gt of i e l d t e s tr e s u l t s 2 b a s eo nt h ep “n c i p l eo fi n t e r a c t o nb e t w e e ns u p p o r ts t r u c t u r ea n ds u r r o u n d i n g r o c k ，an e w e l a s t i cj o i n td o u b l e p a r a m e t e re l a s t i cf o u n d a t i o nb e a mm o d e lf o rp i p e r o o f i ns h a l l o wt u n n e l sw a s p u tf o n v a r d 锄dt h es o l u t i o no ft h i sm o d e lw a sg i v e n t h e nt h e c o r r e s p o n d i n gd e n e c t i o ne q u a t i o n s ， s t r e s sa n ds t r a i nf o r m u l a so fp i p er o o fw e r e d e d u c e d 3 t h ep r o p o s e de l a s t i cj o i n td o u b l e p a r a m e t e re l a s t i cf o u n d a t i o nb e 锄m o d e lh a d b e e nu t i l i z e dt oa n a l y z et h em e c h a n i c a lb e h a v i o r so ft h ep i p er o o fi n7 r u j i 彻g c h o n g t u n n e la n dt h ed e n e c t i o nc u r v e ， l o n g i t u d i n a ld e f b 加a t i o nc u r v ea n df o u n d a t i o n r e a c t i o nc u r v ew e r ec a l c u l a t e d t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sn t t e dt h ef i e l d t e s tv a l u e sw e l l a n di tw a si n d i c a t e dt h a tt h ee l a s “cj o i n td o u b l e p a r a m e t e re l a s t i cf o u n d a t i o nb e a m m o d e lw a sf e a s i b l et oa n a l y z et h em e c h a n i c a lb e h a v i o r so fp i p er o o fi ns h a l l o w t u n n e 】s i i 4 am r e e d i m e n s i o nf i n i t ed j f f j ：r e n c ec o d e ，f l a c j uw a se m p l o y e dt os i m u l a t e t h ei m e r a c t i o nb e t w e e nt u 肌e le x c a v a t i o na n dp i p er o o fi nt u j i a n g c h o n gt u n n e l t h e s t e e lp i p e sw e r es i m u l a t e db yb e a me l e m e n ta n dj e t g r o u t i n gw a ss i m u l a t e db y e n h a n c i n gt h ep r o p e n yp a r a m e t e ro fs u r r o u n d i n gr o c kp r e f e i n f b r c e db yp i p er o o f - t h e m e c h a n i c a lb e h a v i o u ra i l dd e f b 瑚a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fp i p er o o fw e r e 姐a l y z e di n t l l n n e le x c a v a t i o n m e a n w h i l e ，t h et u 仰e lc o n s t m c t i nw i t h o u tp i p er o o fp r e s u p p o r t w a sa l s os i m u l a t e da n dt b et w os i m u l a t e dr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t hf i e l d t e s tr e s u l t s t h ed e f o 肿a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs u r r o u n d i n gr o c k 蚰ds u p p o r ts t n i c t u r e sw e r e a n a i y z e da n dt h ep r c s u p p o r te f 托c to fp i p er o o fi ns h a l l o wt u n n e l sw a s e v a l u a t e d 5 t h ed e f o 加a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dp r e r e i n f o r c i n gm e c h a n i s mo fp i p er o o fi n s h a l l o wt u n n e l sw e r ea n a l y z e db y6 e l dt e s t ，t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n 肌dn u m e r i c a i s i m u l a t i o na n dt h ed e s i g na n dc o n s t m c t i o na b o u tp i p er o o fw e r ed i s c u s s e d s o m e a d v i c ea b o u td e s i g na n dc o n s t r u c t i o n o fp i p er o o fw e r ep u tf b n v a r db a s eo n s u n l m a r i z i n gt h ee x i s t i n ge x p e r i e n c e s k e yw o r d s ： d o u b i e a r c ht u n n e l ；p i p er o o f f i e l d - t e s t ；w o r k i gm e c h a i s m ； e l a s t i cf o u n d a t i o nb e a m ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n l 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：夺忽明日期：砷年 厂月p 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：芍佬d 8 日期：冲朔b 日 导师签名2 飞扫譬七 日期2z 一1 年岁月冶日 1 1 引言 第一章绪论帚一早 三百t 匕 随着我国城市建设和交通建设的快速发展，需要在繁忙的公路、铁路和既有 建筑物下修建各种地下设施，目前常采用的施工方法主要有：明挖法、暗挖法、 顶管法及盾构法。明挖法虽然简单易行，但施工中需中断地面交通，对城市交通 和附近居民生活干扰很大，而且在建筑物或地下管线密集区域采取明挖法施工， 还涉及建筑物和管线的保护、拆迁等问题，随着人们对环境保护的呼声越来越高 和政府对环保的日益重视，该工法的应用越来越少。顶管法和盾构法虽有掘进速 度快，对地面环境影响小等优点，但它对施工机械化程度要求较高，并且施工造 价昂贵，受地质条件、施工环境以及隧道断面形式的限制较大，目前仅在城市隧 道建设中运用较普遍，而在山岭隧道建设中的运用受条件限制较大。暗挖法是根 据围岩条件、覆盖层厚度、隧道断面形式等采取灵活多样辅助措施对围岩进行预 加固，充分调动围岩的自承能力，开挖后及时支护、封闭成环，使支护结构与围 岩共同作用形成联合支护体系，是一种抑制围岩过大变形的综合配套施工技术。 该工法对地质条件、施工环境、断面形式等适应性强，可以避免对地面交通和居 民生活的影响，同时也是一种比较经济的施工方法。 当隧道上部覆盖层较薄、地面荷载较大以及围岩条件较差时，为了支承地面 荷载和稳定开挖面，采用暗挖法施工需要采取辅助施工方法对开挖面前方围岩进 行预加固。同时，在软弱、破碎地层或不良地质条件下修建山岭隧道，特别是处 于软弱地层的洞口浅埋段，为了确保隧道施工能够安全通过软弱地层并保持隧道 掌子面和地表稳定，也需要采取相应辅助施工方法进行地层预加固。根据预加固 措施对周围地层特性和应力分布的不同影响可分为地层改良法和超前预支护法。 地层改良法是通过注浆、旋喷、冻结等措施改良开挖面前方地层，提高围岩的物 理力学参数和土工特性；超前预支护法是在隧道开挖之前通过向掌子面前方地层 打入钢管、钢板、锚杆等并进行注浆，沿隧道横断面轮廓形成一个拱形连续预支 护体系，它既起到加固开挖面前方地层，同时又利用其支承力保持掌子面前方围 岩的稳定，从而减小地层位移和地表沉降。 实践表吲卜引，超前预支护体系能够从时间上、空间上有效地抑制掌子面前方 围岩产生过大变形，控制围岩松弛，对地面沉降、拱顶沉降和周边收敛有显著的 抑制效果，并能使开挖面前方一定范围内的围岩处于稳定状态。管棚支护是一种 常采用超前预支护措施，它具有超前加固距离长、施工快、安全性高、工期短等 优点，被认为是隧道和地下工程防塌防沉最有效的辅助工法之一，在隧道、地铁 和地下通道等工程中得到广泛应用。 1 2 管棚的概念及分类 1 2 1 管棚的概念 管棚( p i p er o o f ) 又称为称伞拱( u m b r e l l aa r c h ) ，其实质是在隧道或地下工程 的开挖轮廓线外以一定间距、沿洞轴以一定外插角进行钻孔，成孔后推入钢管或 者利用夯管、顶推技术直接将钢管夯入或顶入地层，通过钢管上布置的注浆孔向 地层注浆，然后清除管内浆液并填充水泥砂浆而形成的超前预支护体系，管棚中 钢管起着支承上部荷载和充当注浆管的双重作用，图1 1 为常见的管棚支护构造示 意图。 图1 1管棚支护构造示意图 1 2 2 管棚的分类 目前，施工机具的日趋多样化促进了管棚支护技术的发展，管棚种类和形式 也越来越多样化，根据我国隧道与地下工程施工中管棚的使用情况可将其分类如 下： 1 按钢管的布置层数分类 ( 1 ) 单层管棚：沿隧道开挖轮廓线布置单层钢管的管棚，是目前使用最普遍的 类型： ( 2 ) 双层管棚：沿隧道开挖轮廓线布置两层钢管的管棚，在隧道上部荷载较大， 对地表沉降有严格控制要求的隧道中使用。为了节约材料和费用，通常只在隧道 拱部一定范围内布置双层钢管，而在两侧布置单层管棚。 。 2 按单循环钢管长度分类【9 1 ( 1 ) 短管棚：单循环钢管长度小于6 m 的管棚； ( 2 ) 长管棚：单循环钢管长度大于6 m 的管棚。 3 按钢管直径分类【1 0 】 ( 1 ) 小管棚：钢管直径小于1 2 9 m m 的管棚，称为小管棚体系，通常将由3 0 由 5 0 m m 的小管棚称为小导管： ( 2 ) 中管棚：钢管直径在1 2 9 2 9 9 m m 之间的管棚，称为中管棚体系； ( 3 ) 大管棚：钢管直径大于3 0 0 m m 的管棚，称为大管棚体系。 4 按钢管之间是否搭接分类【1 1 】 ( 1 ) 搭接管棚：钢管之间采用各类公母接头连接成整体的管棚； ( 2 ) 非搭接管棚：钢管之间未采用任何搭接，处于地层中的钢管之间相互独立 的管棚。 5 按注浆分类【1 2 】 ( 1 ) 注浆管棚 先管后注法：即先打设钢管，利用钢管作注浆管向围岩注浆，浆液通过钢 管上的预留孔渗入围岩。 先注后管法：即先对围岩进行注浆后再进行钢管打设，在特别破碎地层、 砂砾层或流塑状地层中出现塌孔、卡钻等情况下通常采取先注后管法。 ( 2 ) 不注浆管棚：钢管推入地层后不进行注浆，仅用水泥砂浆填充钢管，有时 为了增大钢管的强度和刚度，在钢管内设置钢筋笼后再填塞水泥砂浆。 6 按施工方法分类1 ( 1 ) 钻孔法：是目前最常用的方法，常规钻孔法先采用钻机成孔，然后推入钢 管形成管棚；在软弱地层中，为了克服钻孔卡钻、塌孔等问题，通常采用水平导 向、跟管钻进技术，即钻孔和进管同时进行。钻孔法施工常采用的钻机有锚杆钻 进、坑道钻机、导向钻机、水平钻机以及专用的管棚台车： ( 2 ) 夯管法：即采用夯管锤直接将钢管夯入地层形成管棚的方法，一般适用于 软塑地层； ( 3 ) 顶管法：即在软弱地层中采用顶推技术直接将钢管项入地层形成管棚的方 法，常用的管技术有螺旋钻进式、水平钻进式、泥浆平衡式。 在我国地下工程施工中，除了在管幕顶推施工中通常采用大直径管棚外，应 用最广泛的是中小管棚体系，钢管直径多在2 0 0 m m 以下，其中以巾1 0 8 m m 的钢管 应用最多。随着地下工程的发展和复杂工程的出现，双层管棚以及横向搭接管棚 的运用也逐步增多，管棚的施工方法和设备选型也日趋多样化。 1 3 管棚支护技术的应用及发展 1 3 1 管棚支护技术的适用条件 管棚超前支护的应用范围很广，对于特殊地质和特殊施工环境下，管棚的支 护效果已经得到很多工程实例的验证，其主要使用于以下特殊地质和施工环境： 1 在极破碎岩体、砂土质地层、塌方体、岩堆体、强膨胀性地层、强流变性 地层、裂隙发育岩体、断层破碎带、等特殊地质地段，在浅埋偏压地段、软塑地 层或岩溶发育地段，采用管棚支护可得了良好的支护效果。 2 地下水发育，造成隧道大面积渗水地段，需对围岩进行严注浆以形成注浆 帷幕封堵地下水情况下，采用管棚注浆能达到良好的注浆效果和形成理想的开挖 条件。 3 隧道埋深较浅但不宜明挖施工地段，或者浅埋隧道穿越既有公路、铁路或 地表建筑物，上部荷载较大，对地表沉降要求较高或者必须对地下管线以及其他 重要建筑物进行保护的情况下，采用管棚作为超前支护可己取得很多成功实例。 对于以上特殊地质和特殊施工环境下，采用管棚超前支护可以取得好的支护 效果，可以有效控制围岩松弛、将隧道开挖的影响控制在最小范围，形成良好的 开挖条件和有效保护既有结构物。 1 3 2 管棚的主要用途 管棚作为隧道施工的辅助方法，它对保护地下管线及重要建筑物、稳定开挖 面、控制围岩变形和地表沉降、防止洞口塌方等方面发挥重要作用，在隧道及地 下工程施工中得到广泛应用，根据工程实例，管棚的主要用途有： 1 作为在既有公路、铁路下修建隧道的防护( 图1 2 a 、图1 2 b ) ： 2 作为在地面或地下重要建筑物下方修建隧道的防护( 图1 2 c 、图1 2 d ) ； 3 作为隧道洞口段的辅助施工方法( 图1 2 e ) ； 4 作为大断面隧道的辅助施工方法( 图1 2 f ) ； 5 作为穿过河底、海底、断层破碎带、塌方地段、软塑地层等困难地段的辅 助施工方法( 图1 2 9 、图1 2 h ) ； 6 代替施工便梁或挡土插板作为其它施工的辅助方法。 ( a ) 管棚应用于下穿铁路隧道 圜型 ( b ) 管棚应用于下穿公路隧道 匡三三蒌重兰兰j ( c ) 管棚作为地表建筑物防护( d ) 管棚作为地下建筑物防护 ( f ) 管棚应用于大断面隧道 小导管太管棚 ( g ) 管棚应用于塌方地段处理( h ) 管棚应用于大断面隧道 图1 2 管棚的主要用途 1 3 3 管棚支护技术的应用实例 管棚支护技术最早于2 0 世纪7 0 年代起源于比利时修建安特卫普( a n t w e r p ) 地 铁车站【l ”，当时将一系列直径1 3 m 的石棉水泥管段水平地推进地层，然后开挖管 内土体，绑扎钢筋并浇注混凝土，形成一系列覆盖面积为4 5 0 0 m 2 的钢筋混凝土梁， 为后续开挖施工提供了很好的保护作用，这一技术被称为“a n t w e r p 技术”i l “。 2 0 世纪8 0 年代，意大利在米兰铁路联线的威尼斯车站设计与施工中，为解决 隧道断面大、埋深浅、存在多层建筑物基础、地层未固结、地下水发育等不利因 素以及达到将地层变形控制在数毫米之内的目标而采用了新颖的“管拱技术”【l ”， 即沿着隧道洞轴线方向用金属盾构推进机械将一系列外径2 1 m 、内径1 8 m 的钢筋 混凝土管段水平地推入地层以形成微型隧道，然后通过微型隧道在正洞拱顶的横 向连接部位进行开挖，并通过正洞服务隧道开挖横向连接拱基础，再浇注钢筋混 凝土以形成一系列大型的横向拱肋。这一系列大型的横向拱肋作为主要承载构件， 具有很高的强度和刚度，在隧道开挖之前己形成一个能支承洞周荷载并能调动围 岩形成承载拱的半圆柱形钢筋混凝土框架。管拱具有半圆形断面，类似复合桁架 结构，其中纵向构件为钢筋混凝土管，承载构件为大型横向肋，它被认为是 “a n t w e r p 技术”的发展。 后来，意大利为了开挖穿越阿尔卑斯山脉的公路隧道，基于对地质、地貌和 环境的考虑，开发了管棚技术【m l 。在该工程中每段管棚由长1 2 m 、外径8 8 9 m m 、 重2 0 k g m 的3 3 4 5 根钢管组成，管壁上每6 0 c m 设置一个由薄钢板做成的注浆阀 门，注入的浆液经由阀门进入管间土层，从而形成稳定的拱形管棚。 管棚支护技术产生以后，在欧美、日本以及其他国家得到了迅速和广泛的应 用，其布置形式及施工方法也得到快速发展。德国承建商p o t s c h 公司在一段穿越 铁路的立交桥工程中，用t r a c t o t e c h n i k 公司的夯管锤将4 4 根中由1 2 2 m 、壁厚 2 2 m m 的钢管夯入地层，互相邻接在路堤下形成圆形支护【。美国首例管棚法施 工项目是加利福尼亚v a l l e y 工程公司在穿越科罗纳奥克街高速公路的隧道中采 用q 2 0 0 管棚。日本非常注重大直径管棚的研究与开发，于1 9 7 6 年首次采用管棚 法在砂土和淤泥地层中建设地铁车站，管棚采用直径2 9 7 m m 、长l o m 的钢管【1 7 】； 1 9 7 7 年，日本的尼西马楚建筑公司在盛岗市铁路路基下修建矩形断面隧道时，隧 道拱部采用了1 1 根长1 7 6 m 、直径9 3 0 m m 的钢管，边墙采用6 根同规格的钢管构 成管棚【1 7 】：1 9 8 8 年施工的八户市3 、4 、l l 街道隧道中，日本对1 8 0 m 长的隧道全 部采用长管棚施工，创造了世界上最长的大直径管棚，钢管直径4 0 6 4 m m 、壁厚 9 5 m m ，钢管间距6 5 0 m m ，管棚从施工从隧道两端各推进9 0 m 【”】。韩国在仁川市 地铁工程穿过8 车道汉( 城卜仁( 川) 高速公路段，采用t e r r a 公司的夯管锤进行大 管棚施工，钢管直径8 1 5 m m 、壁厚1 6 m m ，管棚长4 5 m ，由2 6 根钢管组成【川。 我国于2 0 世纪8 0 年代末引入管棚支护技术，并很快在山岭隧道、软弱地层、 大断面隧道、穿越既有公路、铁路以及建筑隧道中得到广泛应用和发展。在我国， 管棚支护技术首先被应用于山岭隧道施工中，并在穿越破碎带、松散带、软弱地 层、涌水、涌砂层等软弱围岩隧道施工中发挥了重要作用。如在1 9 8 6 年，衡广复 线南岭隧道d k l 9 3 5 + 3 3 0 d k l 9 3 5 + 3 6 0 、 d k l 9 3 5 + 4 4 5 d k l 9 3 5 + 4 7 0 、 d k l 9 3 5 + 7 0 4 7 2 8 岩溶泥流地段，先采用高压劈裂注浆加固，然后打设长管棚， 管棚采用由1 0 8 4 5 m m 无缝钢管，并在钢管内设置4 根o 】6 钢筋形成的钢筋笼【1 9 】： 1 9 8 6 年，重庆“八一”隧道一次性打设6 2 根4 0 m 长、巾1 0 8 4 5 m m 管棚穿过北端 4 0 m 长岩土堆积物地层【2 0 l ；1 9 9 2 年，中梁山隧道分别采用注浆小管棚和注浆长管 棚通过煤系地层和f 4 断层破碎带。随中我国交通建设的大力发展，在兴建的宜昌 云集隧道、深圳大梅沙隧道、川藏公路二郎山隧道、京九铁路江西赣州段歧岭隧 道、京珠高速公路洋碰隧道、海南环岛高速公路青岭隧道、福建杨梅岭隧道、贵 州凯里大阁山隧道等工程中均采用了管棚支护技术。 在我国城市地铁和轻轨建设中，管棚支护技术也得到广泛应用，比如北京地 铁王府井车站、西单车站、东单车站、崇文门车站、蒲黄榆车站，广州地铁二号 线公纪区间，南京地铁南京站东井亭区间渡线段、重庆轻轨大坪车站等大跨度、 大断面隧道中均采用了管棚支护技术。其中北京地铁崇文门车站采用了巾6 0 0 的 大直径管棚1 2 ”，东单车站采用t t 4 0 水平导向钻机成孔，然后t t l 4 5 型夯管锤夯 入钢管的长管棚施工方法【2 2 1 。另外，南京地铁南北线一期工程珠江路站一鼓楼站 区间隧道还采用管棚支护技术穿越软塑、可塑状粉质粘土和淤泥质粉质粘土不良 地质地段j 。 在穿越既有公路的隧道施工中，对施工引起的沉降有特殊要求，管棚支护技 术以其超前加固距离长、安全性高的特点发挥着不可替代的作用，目前我国已建 成不少穿越既有公路的隧道。1 9 9 9 建成的隧道深圳科苑立交隧道采用巾1 5 2 8 m m 的管棚穿越交通繁忙的深南大道【2 3 】；沪一蓉一西高速公路八字岭隧道采用 由1 0 8 6 m m 长管棚+ 由4 2 小导管成功穿越3 1 8 国道，下穿国道段隧道最大埋深不 足5 m 、最小埋深仅1 2 6 m 1 8 1 ；福建长乐高速公路官头岭隧道采用由1 0 8 6 m m 长管 棚+ 由5 0 小导管穿越1 0 4 国道【“】，该隧道与1 0 4 国道呈3 0 。斜交，斜交长度约4 0 m ， 隧道埋深9 l o m ；怀渝铁路采用由1 0 8 5 m m 长管棚在d k 7 9 + 9 7 5 处穿越渝长高 速公路路堤1 2 5 1 ，新建铁路与既有高速公路呈3 8 2 0 斜交，斜交长度约4 0 m ，隧道埋 深约9 5 m ；杭州市万松岭隧道采用由1 1 4 m m 长管棚+ 由4 2 m m 小导管穿越既有的 万松岭公路【l 】；广西岑溪一梧州高速公路牛岭山隧道采用由8 9 8 m m 长管棚穿越 2 0 7 国道；湖南省常吉高速公路土江冲隧道采用巾1 0 8 6 m m 的双层管棚成功穿越 3 1 9 国道1 2 ”，该隧道为一座四车道高速公路连拱隧道，下穿3 1 9 国道段最大埋深 约4 5 m 。 在穿越既有铁路隧道施工中，隧道施工受上部列车动载的影响较大，管棚在 施工中应用很广。杭州市解放路与新交江路连接线工程在k o + 6 2 9 4 6 7 0 段采用 由2 9 9 m m 大直径管棚+ 巾4 2 m m 小导管注浆穿越沪杭铁路【2 8 1 ，该隧道为上下行分离 式小间距隧道，与既有的沪杭铁路呈8 0 0 夹角，隧道拱顶距地表约5 6 m ；位于广 东省境内的拾荷隧道采用巾1 0 8 5 长管棚成功穿越广梅汕铁路【2 9 1 ，该隧道与既有 铁路呈4 8 。角斜交，隧道拱顶距铁路路肩挡墙基础底仅有1 0 m ；南京地铁一号线南 京站过站区隧道采用巾1 5 9 长管棚成功穿越既有京沪铁路站场【30 1 ，该隧道为双线 暗挖隧道，隧道埋深6 6 9 m 8 0 6 m ，以8 0 。交角下穿具有8 条线路的铁路站场， 是国内第一个用矿山法通过既有铁路站场的地铁站。 在下穿地表建筑物的隧道施工中，管棚支护技术对抑制地层位移、控制建筑 物偏斜和下沉也十分有效。北京市北三环路和平东桥至太阳宫西路段热力管线隧 道采用巾1 5 9 6 m m 长管棚成功穿越面积为2 3 4 m x 2 4 5 m 单层砖砌群房1 3 2 l ；渝怀 铁路武隆隧道出口d 2k 1 9 7 + 9 6 0 + 9 9 0 段采用大管棚托换技术成功穿越汇邦制药 厂楼房【6 】，将地表沉降控制在2 0 m m 以内，洞内水平收敛及洞顶沉降最大为2 c m ， 楼房位移总量小于1 c m ，施工中采取了“一次性施作3 6 m 长单向双层大管棚”的施 工方案对侵人隧道内的桩基进行托换处理，管棚采用由8 9 6 m m 无缝钢花管，环 向间距和层间距为4 0 c m 。 从以上工程实践说明，管棚支护技术作为浅埋暗挖法的一种主要辅助工法具 有非常重要的实用价值，随着管棚施工机械的不断发展和管棚技术研究的不断深 入，管棚支护技术在国内外的应用前景都非常广阔，必将给隧道与地下工程建设 带来更大的社会效益和经济效益。 1 4 管棚受力机理的研究现状 在国外，很多学者和工程技术人员对管棚支护机理进行了一系列研究，日本 y o s h i a k ie ta l 在国道t o h o k u 主干线的通道建设中，对管棚引起的荷载分布进行了 现场测试【3 2 1 ，对管棚引起的荷载分布进行了测试和研究；y b o 卸ds h i n 通过模 型试验及数值模拟等方法对纵向长管加固条件下隧道的变形特征进行了研究【3 4 3 5 】；t a na n dr a n i i t h 【13 1 ，0 k a w ae ta l 【3 们，v b l k m a 如a n ds c h u b e n 【3 ”，h e f n ve ta l 【38 1 ， b a e e ta 妒9 】通过数值模拟对管棚的加固效果进行了分析。研究结果表明在隧道开挖过 程中管棚能很好地调节围岩应力重分布，从而很好地抑制地层位移和控制地表沉 降，管棚的支护效果与布置形式、钢管直径、围岩条件等因素有关，但采用二维 数值分析方法还不能完全反映管棚的支护效果和加固机理。 近年来，我国的一些学者和工程技术人员也对管棚支护的机理进行了研究， 例如对川藏公路二郎山隧道【1 7 l 、京珠高速公路洋碰隧道【9 】、北京地铁崇文门车站 管棚的受力和变形进行了现场量测1 2 “。在理论分析方面也取得了一些成果，常艄 东采用w i n k l e r 弹性地基梁理论对管棚受力机理进行了研究【1 7 】；周顺华通过离心 模拟试验以及现场施工量测，提出了管棚法的“棚架原理”【l 叫；董新平等基于有限 元理论基础上对管棚在施工中的作用进行了空间分析，在管棚的效用研究方面提 出了一些有意义结论【4 0 4 2 】；伍振志等4 3 1 、吴军民1 4 4 1 采用数值模拟方法对管棚注浆 法的加固效果进行了研究；肖世国等对箱涵顶进过程中顶部管幕的变形进行了分 析【4 5 1 ；庄丽，周顺华等还采用b i o t 固结理论对管棚施工失水引起的地表沉降进行 了分析【4 ”4 ”。目前，对管棚的受力分析常采用的理论有： 1 简单的梁模型 该理论是以非开挖技术和吸收日本的经验为基础，把管棚作为静定简支梁或 超静定梁【4 引，其结构形式和力学模型如图1 3 所示。该模型简单地将管棚看作一 端支撑在初期支护上，另一端则嵌入未扰动围岩内的简支梁或超静定梁，具有计 算方法简单的特点，但它只把掌子面作为管棚的一个支点，而不考虑掌子面前方 围岩中管棚的支护作用和管棚与围岩之间的接触应力，故不能完全反映管棚的受 力特点和掌子面附近受力情况。日本采用的管棚通常由直径大、刚度大钢管组成， 同时又是密排布置，当钢管的两端支撑梁具有足够的刚度时，开挖引起的变形量 非常小，管棚在实际工程中起简支梁作用，而两端的支撑梁便是简支梁的弹性支 座，上覆地层的变形主要包括管棚的挠曲变形量和端头支撑梁的变形，所以其变 形控制主要通过提高管棚和端头支撑梁的刚度来实现。而我国应用较多的中小管 棚体系，特别在软弱地层中应用较广的是管棚与拱架联合支护体系，与日本所采 用的大刚度、大直径管棚与弹性支撑梁体系有着根本区别。 y 图1 3 管棚的梁理论计算模型 2 简单模式弹性地基梁模型 该模型将整个管棚看作弹性地基梁( 如图1 4 所示) 【2 ”，取全土柱重量作为荷载 作用在一次开挖长度范围，得到一次掘进长度的位移和应力增量，按每次掘进长 度计算累计位移和应力。该模型的缺陷在于将整个管棚看作为弹性地基梁，而实 际在隧道开挖后，管棚与初期支护共同作用支撑围岩压力，管棚也不再支承于弹 性地基上。 差主 y 图1 4 管棚的简单模式弹性地基粱模型 x 3 刚性固定端w i n k l e r 地基梁模型 利用模型进行管棚受力机理分析是近年来出现的一种新方法，该理论假定己 开挖段与隧道拱架共同支护隧道的管棚为具有一定垂直位移的刚性固定端，而未 开挖管棚为弹性地基梁，按照围岩压力理论计算载荷，荷载作用范围取一次掘进 长度和掌子面前方松弛长度之和，从而计算得到一次开挖步距管棚的应变增量， 按照每次开挖步距累计管棚位移和应力【l ”。w i n k l e r 地基刚性固定端如图1 5 所示， 该模型的纵向弯曲应变解析解能够较好地与现场量测和三维有限元计算结果吻 合。但是，弹性地基梁理论仍存在着两点不足：一是w i n k l e r 地基本身具有不连续 缺陷，将管棚看作为相互独立的弹性地基梁，仅能分析出管棚的纵向弯曲应变， 而忽略了钢管之间的组合效应；二是该模型将己施作初期支护作为管棚的刚性固 定端，而不发生任何转角，实际上初期支护施作后其强度是逐渐增长的，在进行 下一循环开挖时并未形成刚性支撑，而且仅有管棚的卞表面与初期支护接触，管 棚并未完全包含在初期支护内，实际会发生一定量的转角。 ( 葡 图1 5 管棚的刚性固定端w i n k i e r 地基梁模型 1 5 本论文的主要研究内容 管棚支护技术作为一种重要的辅助工法在工程实践中得到广泛应用，但管棚 的受力机理以及在施工中的支护效果研究还远落后于实际工程需求，很多设计理 论以及工程实践大都建立在工程类比法和经验法基础上，设计参数缺乏理论依据， 特别是缺少现场实测资料，对管棚的受力机理以及管棚支护效果的研究还不够深 入和缺乏定量描述。在数值模拟上目前还基本处于二维分析，仅采用等效方法提 高管棚支护范围的围岩参数，这种方法只能近似模拟管棚的加固效果，不能进行 管棚的空间效应分析。因此，有必要对管棚的受力机理以及管棚的效用进行深入 研究，为管棚设计和施工参数的选择提供理论依据。本论文的主要研究工作如下： ( 1 ) 以实际工程为依托，对常吉高速公路土江冲隧道进行了详细的现场测试， 采用应变计对管棚的纵向变形进行了量测，根据现场测试结果分析了管棚在隧道 开挖过程中的受力特性和作用机理； ( 2 ) 以支护结构与围岩相互作用为基础，建立基于双参数p a s t e m a k 地基上的 管棚弹性固定端弹性地基梁模型并提出求解方法，推导出管棚的扰度方程及应力、 应变计算公式； ( 3 ) 将弹性固定端双参数弹性地基梁模型应用于土江冲隧道管棚的作用机理 的分析，计算出土江冲隧道管棚的扰度、纵向应变、地基反力曲线，计算结果与 实测结果吻合较好，说明采用弹性固定端双参数弹性地基梁模型分析管棚受力特 征是可行的； ( 4 ) 采用三维有限差分软件( f l a c 3 d ) 对土江冲隧道开挖与管棚的相互作用进 眵 行模拟，计算中采用梁单元模拟管棚钢管、提高管棚加固范围的围岩特性参数模 拟注浆，分析隧道开挖过程中管棚的受力状态以及隧道围岩的变形特征。同时对 不设管棚情况下隧道的施工过程进行模拟，并将两种模拟结果与现场实测值进行 比较，对管棚在浅埋暗挖隧道中的支护效果进行评价； ( 5 ) 通过现场量测、理论计算、数值分析等方法对隧道开挖工程中管棚的变形 特征及加固机理进行分析，并将分析结果运用于实践，总结现有的管棚设计与施 工经验的同时，提出一些设计和施工建议，供管棚设计和施工参考。 第二章管棚与隧道现场量测试验 选定土江冲隧道作为依托工程并进行现场试验，该隧道位于湖南省常德至吉 首高速公路c 1 2 合同段，隧道起讫桩号为k 1 1 1 + 3 1 6 k 1 1 1 + 7 3 0 ，全长4 1 4 m ，其 中k 1 1 l + 3 2 0 k 1 1 1 + 7 3 0 段为暗洞，两端其余部分为明洞，暗洞段采用新奥法进 行施工。 2 1 依托工程简介 2 1 1 工程概况 土江冲隧道是一座双向四车道高速公路连拱中隧道，位于湖南省沅陵县境内。 隧道通过地段地势起伏较大，隧道常德端洞口与3 1 9 国道垂直相交，相交长度约 1 5 m ，国道交通繁忙，主要交通为重载货运汽车。洞口段隧道埋深很浅，拱顶距国 道路面仅有4 5 m ，图2 1 为土江冲隧道平面图和纵断面图。 ( a ) 平面图 - 酤一 ；蕊昌蒜。，。 l 一：l 鬯三 黧蓉鬟滋琴芯蓊急：l l lil i 基l 蓦ll 麓砭! 一 鼎 鞋li 型 t i 嚣l 翟 i l 篇笳。：出一；：g u l 】卅阻l l 目 ilvv ”f ；鼎， s 25 3 5 4s 21 ”1 l 弘10 02 1 08 92 6 - ti i “4 。m 】