管棚作用机理分析和力学模型建立

工程施工技术ｌ　ＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｊ　【文章编号】１００７．９４６７（２０１０）０２－０１２１－０３　管棚作用机理分析和力学模型建立　■段亚刚（中铁第一勘察设计院集团有限公司城建院，西安７１００４３）　【摘要】对管棚支护的力学效应予以分析，给出了管棚注浆量　支护加固体系。　的计算方法，并在此基础上得出了简化后的力学模型，提出了　建立管棚支护体系力学模型的基本观点和简化原则。　【关键词】管棚；作用机ＪＥ；模型　【中图分类号】Ｕ＿４４５．４　【文献标志码】Ｂ　２管棚支护效应分析　总起来讲，管棚主要有以下三个效应：　１１梁的效应：管棚因前端嵌入围岩内，沿隧道工　作面推进方向布置的一端与初次支护结构体相联结　（如与砂浆锚杆出露端相焊接）而形成纵向支撑梁，　这种结构是最有效提供竖向抗力的布置方式。这是　典型的超前管棚的梁效应。但应该注意的是，隧道纵　１引言　管棚在浅埋暗挖施工辅助工法中有着防止隧道　坍塌，控制地层位移的作用，因而当前得以广泛应　用。管棚，就是把一些钢管沿己钻好的孔中打入地层　内，沿隧道开挖轮廓外排列形成钢管棚支承来自于　管棚上部的荷载，且兼作挡土插板用的管排。现代的　超前管棚预支护法，要向钢管内注浆，并通过钢管的　梅花形布置的注浆孔加之足够的注浆压力向地层注　轴方向管棚的板和壳效应，一定条件下也是存在的。　２）拱的效应：如图１所示，沿隧道横断面方向，　若没有超前管棚，则横断面方向的地层拱必须依靠　两侧墙一定范围内的相对稳定土体作为拱脚来建立　拱平衡状态。而在施作超前管棚时，若间距适合或注　浆，以加固软弱破碎的地层，提高地层的自稳能力；　再与强有力的型钢或格栅钢拱架组合形成强大的预　量要求，才能促使其自觉执行施工程序、自检程序和　报验程序，保证施工质量。　定孔深到位、终孔到位、测沉渣到位、下钢筋笼到位、　浇灌混凝土到位、做试块到位。　２）督促施工单位质量保证体系的正常运转是保　证质量的重要手段。应当避免这种现象的发生：施工　５结语　综上所述，钻孔灌注桩的监理是一项复杂的技术　管理工作，要求监理除了具有一定的理论知识外，还　单位技术人员不进行自检就报验，监理成了实际意　义上的质检员。施工单位的质检机构应当有效运作，　预防和及时发现问题。监理应当通过督促、抽查起到　监控作用。　要求有丰富的施工经验和及时纠正不正确施工方法　的能力，防范于未然，才能确保工程质量。　【参考文献】　３）严格执行监理程序和报验程序是工程质量的　必要保证。监理应当在开工前就向施工单位明确：只　有上道工序得到监理签认，方可进行下道工序，并在　［ＩＩＪＴＪ　０４１．２０００公路桥涵施工技术规范［ｓ］．　［２］ＧＢ　５０２０２．２００２建筑地基基础工程施工质量验收规范［Ｓ］．　［３］ＪＴＪ　０７７．９５公路工程施工监理规范［Ｓ】．　开工伊始就严格执行该程序。如果其以种种理由不　执行监理程序，不报验就进入下道工序，监理应当及　时采取必要措施惩戒这种行为，以利今后工作的有　效开展。　【收稿日期］２００９．０９．２１　蠹　符蕴伟（１９７０￣），男，江西抚州人，助理工程师，从事质量　监督管理工作，（ｏａ子信箱）ｍｈｈｕ＠１６３．ｃｏｍ。　１２１　４）现场监理应认真做到“七到位”，即开孔到位、　Ｉ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉ堡　ｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｓｙ　浆饱满，各个超前管棚单元体问极易发生成拱现象，　管棚加固圈的注浆量可通过下式得出：　且其小拱跨度等于其支护间距，因此与原来可能形　Ｑ：Ⅱｒ２　Ｌｎｏ１３　成的拱跨相比，必将成倍地缩小。很显然随拱跨的缩　式中：Ｑ为管棚加固注浆量；ｒ为浆液扩散半径江为　短，调整和成拱达到平衡所需的时间大为减少。因　注浆长度；　为地层空隙率；　为地层填充系数；　为　此，在建立了成组排列的拱脚以后，隧道很快就建立　浆液消耗系数。　起新的平衡，使边界为连续的小拱群严密控制，而小　浆液在裂隙岩体中的扩散半径计算：　拱下的土体则由随后的及时喷混凝土来约束，这便　裂隙岩体各个方向的渗透性大多是不均匀的。　是管棚的成拱效应。　由于无法确知裂缝形态和特征，如裂缝的宽度、分布　状况、裂隙表面形态等，要准确地分析浆液的扩展半　径问题是困难的。但可以将管棚注浆采用的水泥．玻　璃双浆看作为牛顿流体，即仅有黏度，不考虑其凝聚　力，此时可得到浆液在平面径向等宽裂隙中扩散流　动的牛顿流体基本方程式：　（　ｌｎ　图１横断面方向超前支护体的拱群效应　ｐｏ－ｐ　—　３）强化岩体效应：钢管插入后，用注浆泵通过花　式中，Ｐ。为灌浆孔裂隙ＶＩ处的灌浆压力；　为浆液的　管注入的浆液经壁孔挤入围岩裂隙或缝隙中加固围　岩，从而提高岩体弹模和强度。在浅埋的情况下，地　黏度系数；１＂ｏ为注浆管半径；ｔ为浆液终凝时间；ｂ为　表有结构物存在时，或隧道接近地中结构物，地下埋　裂隙宽度。　当ｐ＝Ｏ时，浆液失去继续流动的动力，停止流　设物开挖时，可以有效地控制隧道开挖的影响和防　止围岩的松弛。　动，浆液达到扩散极限，对以上方程式运用试算法，　即可推求浆液的扩散半径。　３管棚作用机理　３．３加固作用机理　３．１管棚的受力状态　对于松散地层，隧道开挖后，围岩会发生片帮冒　在隧道开挖过程中，管棚的荷载传递途径为：所　顶，形成松动压力，其中比较有代表性的理论是岩柱　有临时支撑完成后，上部荷载由管棚转移至钢拱支　理论和普氏理论。　撑上，支撑受弯矩和剪力，再以轴力和弯矩形式传至　岩柱理论适合于埋深极浅的隧道。岩柱理论认　基座。管棚侧面泥土压力主要由管棚承担。在永久状　为，在松散地层开挖后，由于洞项下沉及岩柱两侧摩　态时（当完成隧道拱形混凝土结构后），上部及侧面荷　擦力的存在，使顶部岩体卸载，而两侧岩层加载。根　载将以压弯和剪切形式传至混凝土拱形结构，再传　据岩柱理论，隧道开挖后边墙侧压很大。因此，在开　送到基座。　挖前必须进行超前加固措施，尤其应加强墙部的支　３．２管棚的加固圈形成　护，否则很难成拱，极易使顶板完全塌方。　管棚注浆法中的钢管是沿隧道开挖轮廓周边，　普氏理论适合于埋深较浅的隧道。普氏理论认　间隔一定的间距，沿洞轴以一定的外插角呈外插状　为，隧道开挖后，顶部岩体失去稳定，产生坍塌，并形　分布。钢管起双重作用：一是起超前管棚作用；二是　成自然拱。随之，隧洞两侧由于应力集中而逐渐破　起注浆管的作用。这样通过注浆加固围岩，拱顶以上　坏。因此，顶部坍塌并进一步扩大形成塌落拱。根据　被加固密实，形成结实体，整体稳定性增大，加之管　普氏理论，对上覆围岩破碎且埋深较浅的隧道，如果　棚的临时支护作用，可达到理想的开挖条件。　不进行超前支护，则隧道拱部极易坍塌。因此应加强　对隧道拱顶的支护。　工程施工技术Ｉ　采用管棚注浆法进行超前预加固时，加固圈将　起到“承载拱”的作用，承载拱上部的岩层重量，使拱　内部围岩与支护系统处于免压状态，拱内部围岩与　支护系统受到的力仅是由于拱向隧洞方向的变形引　起的形变压力。当管棚为惯性力矩较大的厚壁钢管　面扰动区和未扰动区。初支稳定区即初期支护结构　已封闭成环且已有相当强度的区段，拱顶沉降已稳　定；初支未稳定区是初支尚未封闭，或刚刚封闭，但　由于超挖、混凝土早期强度弱而仍处于松弛状态，拱　顶沉降尚未稳定的阶段；开挖区为单日进尺长度，可　且沿隧道开挖轮廓周边密布时，加固圈的变形较小，　因此隧道支护结构所承受的上部荷载大大减小。　视为无支撑区；工作面未扰动区为考虑工作面开挖　引起应力释放而导致基床系数相应减小的区段；未　４管棚支护的力学模型　模型的建立必须基于客观的土层条件、支护结　构条件和实际的施工步骤，才能真实地反映管棚的　受力和变形特点，描述各种因素对管棚支护的影响。　管棚支护结构在理想条件下，具有板、壳作用。　但实际施作时，很难保证每种作用都得到发挥，模型　建立时完全考虑管棚的作用，不仅使模型的复杂性　大大增加，而且也有安全性问题。所以，建立模型时　基于以下观点和简化原则：　１）由于隧道开挖对土体扰动范围在工作面前　１Ｄ（Ｄ为隧道直径）左右，所以管棚对隧道施工的支　护作用始于工作面前至少１倍洞径范围外；　２）隧道埋深低于２Ｄ时，预支护结构上的作用荷　载应以无承载拱条件考虑；　３）管棚的作用在于将其上的荷载通过自身的梁　效应转嫁到已施作好的隧道初支结构和工作面前方　的土体中，所以，在管内注浆和在工作面全断面注浆　有效地提高了土体自稳能力和管棚基础的承载力；　４）在管棚施工中由于是一次穿越，一次施作，不　考虑管棚问搭接；　５）管棚起始端由于固定于施工竖井井壁上，所　以可以看作为弹性地基梁的有一定垂直位移的固定　端，而管棚其它部分可以理解为弹性地基梁；　６）假设围岩为各向同性的连续介质；　７）支撑管棚基础的围岩为线弹性半无限体，符　合Ｗｉｎｋｌｅｒ假设。　根据以上分析，管棚支护结构的力学模型可以　图２表示。　根据管棚的支撑条件，在纵向上可以分为５个　区，分别为初支稳定区、初支未稳定区、开挖区、工作　扰动区即尚未受到开挖影响的区段。　土体荷载　。　［［［Ⅲ　　．Ｌ　支稳定匡初童　稳定区　揎堕匹往亘盟　匡　盍　麴匡　　『图２管棚支护结构的力学模型　在开挖区荷载最大，为计算的工作面扰动区范　围高度岩体重量，向两侧至扰动区边界和初支未稳　区边界处渐变为零。支撑与管棚孔口管焊成整体，此　时端部能承受较大的弯矩和具有较大竖向抗力，可　以按固定支座考虑。此外，也可以在开挖一段距离　后，已初支作为管端支护的，此种条件下，模型中管　端无约束，为自由端。　【参考文献】　【１】伍振志，等．浅埋松软底层开挖中管棚注浆法的加固机理及　效果分析［Ｊ］．岩土工程学报，２００５，２４（６）：１０２５－１０２９．　【２】顾问宇，等．管棚超前支护在平顶直墙隧道中的优化设计　［Ｊ］．现代隧道技术，２００９，４６（３）：４８．５２．　【３】徐干成．地下工程支护结构［Ｍ］．北京：水利水电出版社，　２００３．　【４】许家华，吴锋．大管棚超前支护施工技术［Ｊ］．铁道建筑技术，　２０００，２４（５）：１２６—１２９．　［５１张川，左永江，杨春满．水平管棚超前支护施工技术的研究　与应用［Ｊ］．煤炭科学技术，２０００，２８（１　１）：３６－３９．　【６】常艄东．管棚法超前预支护作用机理的研究［Ｄ】．成都：西南　交通大学土建学院，１９９９．　【７】余静，刘之洋，等．超前围壁锚杆结构与作用机理［Ｊ］．煤炭学　报，１９８６，（２）：６４－６９．　【收稿日期］２００９．１　１－６　段亚刚（１９８０￣），男，河北张家口人，助理工程师，从事　隧道和地下工程研究，（电子信箱）０５１２１２６５＠ｂｊｔｕ．ｅｄｕ．ｃａ。　１２３