管棚的适用条件及一些土体状况的应用.docx
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管棚的适用条件及一些土体状况的应用
管棚的适用条件及一些土体状况的应用
引言
随着我国道路交通建设的迅速发展，隧道工程施工日益增多，面临一些不良地质条件的隧道掘进施工和事故处理，超前管棚支护技术具有广阔的应用前景。
管棚法是公路隧道施工中最常采用而行之有效的超前支护方法之一。
在超前预支护工法中，管棚法由于施工便捷、安全可靠、工艺简单、工期短、效率高、预加固效果明显，经济和社会效益显著等优点，被国内工程界广泛采用。
管棚法最早于20世纪80年代应用于意大利隧道工程，之后在法国、日本等国家得到广泛推广，目前已成为国内外地下工程施工的主要辅助工法之一，被广泛应用于浅埋、松散、软弱、破碎、塌方、涌水等地质条件下的隧道暗挖施工。
仅1998年之前，我国就有13项城市浅埋地下工程采用管棚法施工获得成功，其应用目的主要是在开挖阶段防止围岩坍塌、控制施工引起的地层变位。
尽管管棚的工程应用非常普遍，但其理论研究相对较少。
现阶段的工程设计大多是通过经验及工程类比确定相应参数，现场施工管理方对其质量控制指标也欠缺了解。
本文结合几种地质条件下管棚的支护，对具体地质条件中管棚的作用谈几点思考。
1.管棚的适用条件
管棚作为隧道施工的辅助方法，可适用于：
软弱砂土质地层、砂卵砾石地层，膨胀性软流塑、硬可塑状粉质粘土地层，裂隙发育岩体、突泥突水段、断层破碎带、塌方段、破碎土岩堆地段、浅埋大偏压等地质和地下水丰富条件的地下构筑物施工的支护，隧道进出口段开挖的支护，也多应用于地铁等穿越城区的地下工程的开挖预支护，可作为穿越既有建筑物、公路、铁路及地下结构物下方修建隧道的辅助方法；作为隧道洞口段及修建大断面隧道施工的辅助工法及作为其他施工的辅助工法，也常用于浅埋但不宜明挖地段或浅埋隧道情况下，地表有建筑物、或隧道接近地中结构物时等对施工沉降有特殊要求的工程等。
2.管棚的主要作用和优点
（1）梁拱效应：
先行施设的管棚，以掌子面和后方支撑为支点，形成一个梁式结构，二者构成环绕隧洞轮廓的壳状结构，可有效抑制围岩松动和垮塌。
（2）加固效应：
注浆浆液经管壁孔压入围岩裂隙中，使松散岩体胶结、固结，从而改善了软弱围岩的物理力学性质，增强了围岩的自承能力，达到加固钢管周边软弱围岩的目的。
（3）环槽效应：
掌子面爆破产生的爆炸冲击波传播和爆生气体扩展遇管棚密集环形孔槽后被反射、吸收或绕射，大大降低了反向拉伸波所造成的围岩破坏程度及扰动范围。
（4）确保施工安全：
管棚支护刚度较大，施工时如发生塌方，塌碴也是落在管棚上部岩碴上，起到缓冲作用，即使管棚失稳，其破坏也较缓慢。
此外，管棚施工过程中可通过钻孔预知管棚范围内围岩的地质情况，为随后的注浆、开挖、支护提供了第一手资料。
3.管棚支护原理
管棚的作用机理，就是将管棚上部围岩传来的比较集中的荷载分散到掌子面前方的土体和格栅（钢）拱架上，从而减少了掌子面前方土体所受压力的强度，取得比没有管棚预支护条件下更大的掌子面上坡稳定安全系数。
国际上如日本，较为常用的管棚结构为大管径（管径为299〜999mm，甚至更大）的钢管密排布置，钢管的两端支撑的刚度达到足够的值之后，管棚在实际工程中将起到简支梁作用。
而我国设计规范推荐采用的导管直径为80〜180mm，隧道工程常用直径为108mm，环向间距为40cm，与日本的大管径管棚在刚度上有本质区别。
硬质岩石介质中，管棚所受围岩压力会及时转移到支护的钢拱架上，管棚与拱架共同作用，真正形成“棚”。
而在软弱围岩区，前方围岩和格栅钢架本身的刚度并不高，且底部围岩软弱，作为支座不具备简支的条件，更类似于弹性支座。
此时，管棚更为主要的作用是和围岩共同作用。
管棚是在开挖之前先将钢管打入围岩中，外露端支承焊接在立好的钢拱架上，一般主要布置在隧道上断面，即拱部"做好之后再开挖面上就形成了一个保护棚，随后的开挖是在保护棚下进行的。
保护棚中钢管有两方面作用，一方面，钢管起着普通锚杆的作用，加强整体性，使围岩形成较强的围岩壳:
另一方面，钢管又具有“梁”的功能，它一端支承于拱架上，另一端在围岩中（开挖中要保证有一定长度在未开挖岩体中，也可理解为满足最小搭接长度的要求），那么具有两端支承的“梁”就能承受一定荷载，即松散下坠的压力。
特别是大管棚除具有锚杆功能加固围岩外，还因其本身具有一定刚度与拱架结合能起到支撑作用，故在软弱围岩施工中是一项防止及控制塌方的有效技术措施。
管棚将周围的土层和钢管固结成整体，以增强其支撑能力，并起到防水的作用，开挖前使围岩固结成整体防止及控制塌方，增大围岩强度形成拱形薄壳，拱顶预形成加固的伞形保护环防止土层塌方，使塌方体具有一定的支撑和自稳能力，并起到可能的棚架作用。
4.几种具体地质情况的分析
不同的研究学者针对不同地质条件得出的结论有较大的差异。
事实上，在实际的施工中，隧道的地质条件、埋深、隧道几何参数、施工方法等存在较大差异，因此根据不同的条件得出的认识与结论也不尽相同。
尽管如此，有两点可以肯定，即：
（1）浅埋隧道仍然可以形成承载拱；
（2）拱高的判定可以认为是工作面开挖扰动区土体高度。
4.1浅埋黄土地层
与岩体相比，黄土土体强度低，变形大，自承能力小，工程性质差，受水的影响十分强烈，一旦被水浸泡，达到饱和状态，其强度会明显降低，工程性质发生很大变化。
在黄土隧道中，因其土质比较松散，开挖后易形成分层坍塌，层厚一般为20～60cm，故需较强的初期支护。
管棚可以提高地层的刚度和承载能力，在管棚中注浆能有效增强管棚的抗弯和抗剪强度，另外，密布的管棚能起到隔断地层的效果，可以一定程度上控制地表的沉降。
对管棚而言，其受力最不利位置发生在隧道开挖但未支护时掌子面附近，此时其纵向应变最大，因此可依此建立双参数地基梁模型，模拟单根钢管受力，受力简图如图1所示。
图1隧道施工期间的管棚受力简图
浅埋黄土地层在开挖过程中自承能力差，管棚受力比较明确。
因此分析中不考虑管棚上部土体与管棚的相互作用，认为已开挖段，管棚承受上覆土重。
至于未开挖段，由实测数据可知围岩变形始于掌子面前方一定范围，隧道掌子面处围岩已经发生松动和变形，在掌子面前方形成一个松弛区，因此该段范围内，管棚仍将受到围岩压力。
由图1可知，管棚全段主要由4部分组成：
（1）AB段：
已开挖且初期支护施作完毕段，其上作用上覆土重力q（x），分析中按Winkle地基梁考虑。
（2）BC段：
已开挖一段距离但尚未施作初期支护，其上作用覆土重力q（x）。
（3）CD段：
未开挖段，其上作用三角形（或梯形）分布荷载q（x），与此同时，由于此时管棚下方土体尚未破除，其下还作用有弹性抗力p（x）。
（4）DE段：
未受扰动段，由于此段不在掌子面开挖超前影响范围内，仅管棚下方受p（x）作用。
根据施工过程中的管棚受力特征可推导出单根管棚受力模型，以B端作为坐标原点，隧道开挖高度为h，AB段长度为a，BC段长度为s，CD段长度为d，其中d=htan（45°－ϕ/2），管棚受力模型如图2所示。
图2管棚受力模型
地基反力采用双参数模型中的Pasternak模型进行计算，由弹性地基梁理论可得地基反力及管棚挠曲微分方程：
pb*
b*
（x）
式中：
E为管棚弹性模量；I为管棚惯性矩；k为基床系数；w（x）为管棚挠度；Gp为地基剪切模量；b为弹性地基梁宽度；b*为考虑地基连续性情况下弹性地基梁的等效宽度，b*=b[1+（Gp/k）1/2/b]。
计算时，假定隧道埋深变化不大时，掌子面附近围岩压力q（x）可简化为均布载荷q0，由此可得管棚各段控制方程。
苟德明等提出了浅埋暗挖隧道中管棚双参数受力模型的计算方法，通过边界条件，得到双参数地基模型管棚的转角、弯矩和剪力计算结果。
通过列出边界条件，求出全部待定系数，带入管棚各段方程可得管棚各段挠度方程Wi，带入下式可分别计算管棚的转角、弯矩和剪力：
Q（X）=
小结
（1）对于黄土地层，土质松散，土体稳定性极差，施工难度相对较大。
黄土浅埋地质条件下，管棚受力最不利位置发生在隧道开挖但未支护时掌子面附近。
在掌子面前方大约一倍开挖跨度开始受力，掌子面过后约一倍开挖跨度受力趋于稳定，开挖纵向影响范围约为一倍开挖跨度。
（2）当隧道开挖且初期支护施作以后，管棚应变增长速率出现明显减小且出现小范围回弹，此时管棚和初期支护形成了有效的棚架体系，使得管棚及围岩受力均处于弹性范围内，保证了隧道的安全施工；当初期支护施作一段时间后，各管棚应变基本保持稳定，说明管棚与初支形成的棚架体系有效的保护了隧道围岩的稳定。
4.2浅埋暗挖隧道
软弱地层在隧道施工中，自承能力差，难以形成承载拱，分担部分隧道上覆土重，为简化分析，忽略土体与管棚之间的相互作用。
管棚与格栅拱架、网喷混凝土等共同组成浅埋地下工程的支护体系，共同承担结构上覆土重。
认为已开挖段管棚承受隧道上覆土体重量，而未开挖段，由经验得出，围岩变形始于掌子面前方一定范围，隧道掌子面围岩已经发生松动和变形，在掌子面前方形成一个松弛区，因此该段范围内管棚仍将受到围岩压力。
其受力作用理论分析与浅埋黄土地层是一致的，这里不做赘余。
小结
（1）提高管棚间土体形成微拱条件
通过提高浆液扩散能力，增强土体中浆液固结作用，对土层起到挤压加固和增加高强夹层作用，促进管棚间土体微拱的形成，提高围岩自承载能力。
（2）重视掌子面围岩的稳定性
在开挖过程中，原围岩的三向应力状态转变为平面应力状态，开挖面及前方一定范围内围岩应力重新分布，也即是掌子面围岩挤压变形的过程。
当开挖面前方围岩的应力状态处于弹性范围时，开挖面稳定；当开挖后围岩处于弹塑性状态时，开挖轮廓及掌子面将向隧道内产生塑性变形，此时需加强支护强度和掌子面稳定措施；如果开挖后围岩产生破坏、滑移的应力状态，围岩大变形随之产生，围岩极不稳定，极易引起坍塌。
因此，必须对掌子面前方围岩采取加固措施。
（3）增强初期支护强度，及时施做二次衬砌
每一次的开挖长度不宜取过长，在施工中不能片面地强调施工进度，管棚挠度随着开挖步长的增大，也在增大，同时随着步长的增加挠度最大值均出现在掌子面附近。
在掌子面前方约一倍开挖跨度管棚开始发生变形，但变形量较小，掌子面过后约一倍开挖跨度管棚变形趋于稳定。
隧道实际施工过程中在相当长的时间内，初期支护承担了主要荷载，发生结构安全问题均在初期支护阶段。
因此，隧道工程设计时不应局限规范的荷载分担条文，不良地质条件下初期支护应适当加强，以保证隧道开挖施工的安全和工程建设的顺利进行。
当初期支护出现裂缝等并发展时，应立即停止掌子面开挖，采取注浆、增设刚性支撑、加大初期支护强度等加固措施，并在条件具备时，尽早施做二次衬砌。
4.3软弱破碎岩体
任何地下工程岩体，在开挖之前，均处于弹性应力平衡状态；开挖后，产生应力重分布。
若洞室围岩表层不能承受应力，则产生裂隙的变形位移向洞室外移动，此时，围岩可分为三个带:
松弛带，应力升高带和不受开挖影响的原岩应力带。
对于软弱破碎岩体，松弛带范围较大，且时间效应明显，随着时间的推移，若围岩的裸露过长或支护强度与围岩不适应，则松弛带的变形会继续加大，应力升高带向岩体深部转移。
隧道在施工过程中，根据受力状态可将隧道分为四段，如图3所示：
图3管棚力学分析计算模型
（1）已开挖支护段（AB段）：
采用间隔有序的钢拱架形成支座，与管棚形成统一的支护体系，上部围岩、管棚与钢拱架发生变形后达到静力平衡，这一段认为是固定端，不发生变形；
（2）开挖未支护段（BC段）：
管棚完全承受上部土体的应力，由于没有下部有效地支撑反力，管棚变形急剧增大；
（3）未开挖被扰动段（CD段）：
管棚的另一端埋入土体中，靠近掌子面的扰动段上部土体发生一定的变形，此时，管棚采用双参数弹性地基梁模拟，作用于管棚的荷载范围为掌子面前方一定长度。
处于扰动段的管棚下部的土体反力有限，不能长久的形成支撑，时间越长，管棚变形越大；
（4）未被扰动段（DE段）。
未扰动段土体不发生形变，给管棚提供了弹性支撑，管棚可以视为弹性地基梁。
随着隧道开挖掌子面的向前掘进，后方已支护段管棚与钢拱架形成格栅结构，共同承受上方土体应力。
管棚作为次梁将荷载传递给下面的主梁（钢拱架）以及掌子面前方的弹性地基上，使得掌子面上的荷载大大减小，提高了掌子面的稳定性。
已开挖未支护段，管棚作为主梁，承受上方最大的土体荷载，是管棚发生挠度最大的阶段。
由于隧道开挖引起的围岩变形始于掌子面前方一段距离，这一段距离为松弛区，处理不当极易造成掌子面的坍塌。
由于管棚的预支护作用，松弛区围岩承受上部土体的压力小于土体本身的自重应力，在一定时间内可以保持一定的稳定性。
所以，在隧道施工过程中，最不利情况位于开挖未支护段及松弛段，开挖后应及时支护衬砌。
随着掌子面的掘进，管棚最大挠度段及上部松散体也在不断的前进，整个过程是动态变化的。
管棚预支护条件下，掌子面的稳定性分析就是将无支护条件下作用于隧道掌子面上方的松弛土体荷载转换为管棚支护下地基反力作用于支护下方围岩的边坡稳定性分析问题。
管棚支护条件下，应用弹性地基梁理论，管棚与地基间存在一定的接触应力，即
取等截面梁微段dx（如图4所示）
图4地基梁的微段
其平衡关系为
;
式中Q为梁截面上的剪力；M为梁截面上的弯矩；b为梁的宽度；q为梁所受的分布荷载；p为梁所受的地基反力。
且梁的挠曲微分方程为：
联立可得管棚挠曲微分方程为：
在隧道纵向，掌子面附近较短的距离范围内，隧道埋深荷载相差不大，可将管棚上方围岩压力q视作均布荷载。
由此可知，在隧道开挖过程中，不同施工段管棚的挠曲微分方程如下：
（1）开挖未支护段（BC段）：
BC段长度为d，围岩压力为q=
H，地基反力p=0，由上式可得管棚挠曲微分方程为
=b
（2）未开挖被扰动段（CD段）：
CD段长度为
，其中D为隧道高度。
围岩压力为q=γH，根据Pasternak模型，地基反力为
，得出管棚挠曲微分方程为：
（3）未被扰动段（DE段），围岩压力为q=0，地基反力为
，其微分方程为：
根据各段相应的微分方程，求出各待定系数，再根据欧拉公式：
Q（X）=
求出管棚的弯矩、剪力和转角。
小结
（1）对于隧道软弱破碎围岩地段，采用超长管棚管棚预支护可有效地减少拱顶下沉，防止围岩坍塌，增加施工安全度，提高隧道长期稳定性。
在开挖过程中，已经开挖还未进行衬砌支护的这一部分，全部围岩压力由钢管承受，变形最大，是此段隧道开挖最危险的区域。
（2）围岩的变形始于掌子面前方1.5至2倍开挖高度范围。
（3）管棚剪力最大处为掌子面附近，掌子面前方管棚承受剪力较小，剪力在掌子面处突然减小，这说明掌子面附近的土体对限制围岩变形起到了很大的作用，所以在实际工程中，往往采用留核心土法来减小开挖对隧道拱顶的影响。
5.结论
（1）对于一些土体性质较差的地质条件，以及因交通、实际路况需要对隧道强度要求较高的情况，管棚法无疑是一种有效、经济的超前支护技术。
开挖在超前管棚支护下进行，提前发挥超前支护的作用，可增加施工安全度，有效保证岩体稳定，减少地表下沉和防止围岩松散、坍塌。
（2）本文分析了浅埋黄土地层、浅埋暗挖隧道以及破碎围岩的受力，总结了其受力最危险的区域，提出了具体施工中的一些注意事项，以及防止围岩塌落，增加施工安全度的措施。
参考文献
[1]董新平，胡新朋，周顺华.软弱地层管棚作用特性判别和分析[J].地下空间与工程学报，2006，2（4）：
631-632
[2]周顺华.软弱地层浅埋暗挖施工中管棚法的棚架原理[J].岩石力学与工程学报，2005，24（14）：
2569-2570
[3]王全峰，向晓峰.某隧道工程长管棚失效引起的几点思考[C].地下交通工程与工程安全，2011：
263-265
[4]李健，谭忠盛，喻渝等.浅埋下穿高速公路黄土隧道管棚变形监测受力机制分析[J].岩石力学与工程学报，2011，30
（1）：
3003-3007
[5]赵佳.管棚法施工中格栅支护机理分析[J].华东交通大学学报2009，26（6）：
16
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