!浅埋暗挖隧道管棚变形监测及受力机制分析

DEFORMATION MONITORING AND MECHANICAL BEHAVIORS OF PIPE-ROOF IN SHALLOW TUNNELS
GOU Deming1，YANG Junsheng2，ZHANG Ge1
，2
(1. School of Bridge and Structure Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha，Hunan 410076， China；2. School of Civil and Architectural Engineering，Central South University，Changsha，Hunan 410075，China)
，该模型将已施作
的初期支护作为管棚的刚性固定端，不发生任何转 角，而未开挖段作为 Winkler 地基上的弹性地基梁。 本文采用应变计对常德—吉首高速公路土江冲 隧道管棚变形进行量测，在现场测试结果的基础上 建立管棚的弹性固定端双参数弹性地基梁模型。该 模型对刚性固定端 Winkler 弹性地基梁模型进行了 改进，地基反力采用双参数模型中的 Pasternak 模 型，既避免了 Winkler 模型中地基不连续的缺陷， 又避免了弹性半空间理论在数学处理上的麻烦
第 26 卷 第 6 期 2007 年 6 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.26 No.6 June，2007
浅埋暗挖隧道管棚变形监测及受力机制分析
苟德明 1，阳军生 2，张 戈1
，2
(1. 长沙理工大学 桥梁与结构工程学院，湖南 长沙 410076；2. 中南大学 土木建筑学院，湖南 长沙 410075)
[13]
φ 108×6 mm 无缝钢管，内层钢管长 40 m，环向间
距 40 cm，外层钢管长 19 m，环向间距 42 cm，内 外层钢管呈梅花型布置(见图 1)。钢管内设置 3 根
φ 22 mm 钢筋，灌以水泥与水玻璃(浓度为 35 波美
度)的混合液，注浆结束后及时清除管内浆液，并用 M30 水泥砂浆填充，以增强管棚的刚度和强度。 管棚施工前在 319 国道路基边坡上施作 C25 混 凝土套拱，然后在路基边坡上搭设脚手架，在脚手 架上安装钻机进行钻孔。管棚施工工艺为：架设钻 机→钻孔→清孔→安装钢管→安放钢筋笼→注浆→ 清理管内浆液→M30 砂浆填充。为使中导洞提前进 洞和保证隧道工期，管棚施工从中导洞顶部开始，
，12]
隧道进口与 319 国道垂直相交，相交长度约 15 m， 隧道埋深约 4.0 m。洞口围岩条件差，局部为 319 国道填方路基，围岩由上至下主要为：(1) 褐黄色 亚黏土，主要为 319 国道路基填土，含碎石，层厚 为 6.0 m；(2) 强风化泥质板岩，褐红色，岩石强度 较低，黏聚力 c = 0.05 MPa、内摩擦角ϕ = 20° ，围 岩节理裂隙发育， 呈碎状松散结构， 属于 V 级围岩。 因此，为了保证隧道施工及 319 国道运营安全，必 须加强超前支护以控制围岩变形和地表沉降。 洞口段采用双层管棚作为超前支护，管棚采用
摘要：在土江冲隧道进口段采用应变计对管棚纵向变形进行监测，根据现场测试结果分析管棚在隧道开挖过程中 的受力特性，讨论管棚的作用机制。对管棚的刚性固定端 Winkler 弹性地基梁模型进行改进，建立浅埋暗挖隧道 管棚受力的弹性固定端双参数弹性地基梁模型，推导出管棚的扰度方程及应力、应变计算公式，提出求解方法。 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作用机制的分析，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。 关键词：隧道工程；浅埋隧道；管棚；变形监测；受力机制 中图分类号：U 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2007)06–1258–07
1
引
言
管棚法更是首选的辅助工法之一，因而该工法在隧 道及地下工程中得到广泛应用[1
～4]
。
管棚法作为浅埋暗挖隧道的一种辅助工法，在 防止隧道塌方、控制地层位移方面发挥着重要作用，
收稿日期：2006–09–26；修回日期：2006–11–20 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50308029)
目前，对管棚在隧道开挖过程中的变形监测还 比较少，陈 浩等[5]采用测斜管法对大管棚变形进行
Layout of pipe-roof and monitored steel pipes(unit：cm)
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岩石力学与工程学报
2007 年
然后向两侧分段施工至主洞边墙，每小段按奇、偶 数孔位交替进行。2005 年 11 月 20 日开始中导洞开 挖，在中导洞开挖的同时进行主洞两侧管棚施工， 管棚施工于 2006 年 1 月 10 日全部完成。 2.1 监测方法 为了掌握管棚在隧道开挖过程中的变形以及分 析管棚的受力机制，在土江冲隧道拱顶、拱腰位置 管棚内布置 JMZX–212 型应变计量测钢管纵向应 变，测试钢管编号分别为 W1，W2，W3，W4，N1， N2，N3，N4(见图 1)。外层钢管应变计布置在距洞 口约 8，13 m 处，内层钢管应变计布置在距洞口约 8，13，20 m 处(见图 2)，由于在管棚施工中钢管推 入存在一定偏差，施工中根据推进钢管长度记录各 元件实际位置。在管棚打设前，先根据管节长度对 钢管进行分段，在预埋应变计位置将钢管截断，将 应变计预先安装在钢管内壁上并进行管节编号，钻 孔结束后按管节编号依次推入钢管并进行连接，元 件测线从钢管内部穿出直至管口。 2.2 监测结果分析 在元件埋设初期，由于受管棚及洞外施工的影 响，元件读数呈现不规律波动。至 2006 年 1 月 15 日管棚及洞外施工基本完毕， 中导洞已掘进 180 m， 不再影响管棚变形，元件读数也呈基本稳定趋势， 故将该日的量测读数作为基准值 ε 0 ，以后每次量测 读数 ε i 减去基准值 ε 0 即得钢管应变 ∆ε i 。该隧道洞 口段主洞分侧导坑、上台阶、下台阶三部开挖，由 于右洞地质条件相对较差，施工时先行开挖右洞。 在主洞开挖工程中，元件读数变化幅度较大，说明 主洞开挖对管棚变形和受力有较大影响。本文仅选 取具有代表性的左、右洞拱顶位置钢管分析主洞开 挖对管棚变形的影响，图 3～6 分别为 N3，N1， W3，W1 钢管的实测应变 ∆ε i 与时间 t 的关系曲线。 根据 ∆ε i -t 曲线介： 苟德明 (1978 – ) ，男，硕士， 2001 年毕业于长沙交通学院岩土工程专业，主 要 从 事 岩 土 和 隧 道 工 程 方 面 的 研 究 工 作 。 E-mail ： gdm606@
第 26 卷
第6期
苟德明， 等. 浅埋暗挖隧道管棚变形监测及受力机制分析
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由于隧道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，而且管棚 与初期支护之间通常有围岩夹层，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，故将 管棚与初期支护连接端看作弹性固定端更能反映管 棚的受力特点。
注：高程以 m 计
图1 Fig.1
管棚及测试钢管布置图(单位：cm)
接近各测点时，元件量测应变 ∆ε i 逐步增大，当掌 子面正好处于某元件下方时，该元件量测应变 ∆ε i 达到最大，即管棚的内力和变形达到最大；(2) 当 隧道开挖面通过某测点一定距离，隧道初期支护施 作以后，钢管应变变化速率明显减小，并且出现小 范围回弹，说明在管棚的保护下进行隧道开挖，隧 道围岩及管棚宏观上处于弹性状态，管棚起到了很 好的超前支护作用；(3) 当隧道初期支护施作一段时 间后，钢管应变基本保持稳定，说明管棚的超前支 护作用基本完成，管棚与初期支护共同作用保持隧 道围岩稳定；(4) 当采用分部开挖时，每部开挖对 围岩均存在一定地扰动，故各测点的 ∆ε i -t 曲线出现 明显波动，其中上台阶开挖对管棚的变形影响最大。 在隧道开挖过程中，以隧道洞口作为零点，假 定套拱内的钢管不发生纵向变形， 而掌子面前方 2.0 倍开挖高度以外的管棚不受开挖影响，也不发生纵 向变形，根据各测点的 ∆ε i -t 曲线与隧道开挖进度 可整理出开挖上台阶时不同掌子面位置 N3，N1 钢 管各测点应变与隧道纵向关系曲线如图 7，8 所示。 由图 7，8 可知：(1) 在隧道开挖过程中，管棚 纵向变形总体上呈凹槽形分布，随着掌子面不断向 前推进，曲线凹槽不断向前和向下移动，当掌子面 位于某测点位置时，该测点应变最大。(2) 在隧道上 台阶开挖前，管棚的应变曲线比较平缓；当上台阶 开挖至测点 1(x≈8 m)时，该测点的应变最大，测点 2(x≈13 m)的应变变化率呈增大趋势，测点 3(x≈ 20 m)的应变也出现一定变化，但变化幅值很小，说 明开挖至测点 1 时对测点 3 的影响较小，隧道开挖 纵向影响范围约为 12 m(约 2.0 倍开挖高度)；当隧 道开挖至测点 2 时，该测点的应变最大，同时测点 3 的应变变化率呈增大趋势，测点 1 的应变变化率 减小，并且出现部分回弹，说明管棚发挥了超前支 护作用，较好地调节了围岩应力；当隧道开挖到测
Abstract： The longitudinal deformations of the pipe-roofs in the entrance of Tujiangchong tunnel are monitored by installation of a series of strain gauges to investigate the mechanical behaviors of the pipe-roofs during the tunnel excavation；and the working mechanism of pipe-roofs in shallow tunnels is discussed. The rigid joint Winkler elastic foundation beam model is revised； and a new double-parameter elastic foundation beam model for pipe-roof in shallow tunnels is put forward. The corresponding deformation equations，stress and strain formula are deduced；and the solutions of this model are given. The proposed elastic joint double-parameter elastic foundation beam model has been used successfully in the evaluation of mechanical behaviors of the pipe-roofs in Tujiangchong tunnel. It shows that the calculation results agree well with the measured values； and the elastic joint double-parameter elastic foundation beam model is reasonable in the analysis of the mechanical behaviors of pipe-roofs in shallow tunnels. Key words：tunnelling engineering；shallow tunnel；pipe-roof；deformation monitoring；mechanical behavior 特别在下穿既有结构物的隧道及地下工程施工中，
了量测。在实际工程中，通常采用数值方法模拟管 棚的超前支护效果[6
～9]
。在管棚受力机制研究方面，
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管棚变形监测
土江冲隧道一座四车道连拱隧道， 全长 410 m，
目前常用的方法是荷载–结构法，即将管棚看为以 下 3 种结构模型：(1) 简单的梁模型[10]，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；(2) 简单模 式弹性地基梁模型[5]，该模型将整个管棚看作弹性 地基梁，取全土柱所受重力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；(3) 刚性固定 端 Winkler 弹性地基梁模型[11