铁路隧道大管棚超前支护施工过程数值模拟

6.66×10-4
SEL Geometry
Magfac = 1.000e+000
SEL Geometry
Magfac = 1.000e+000
FLAC3D 3.00
Step 2929 Model Perspective 09:43:43 Thu Jun 21 2012
Center: X: 3.146e+000 Y: 1.137e+001 Z: -1.979e+000 Dist: 3.875e+002
Rotation: X: 100.000 Y: 340.000 Z: 0.000 Mag.: 7.45 Ang.: 22.500
Block Group
12
Sketch
Magfac = 1.000e+000 Linestyle
Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, MN USA
围岩土体的本构模型采用经典的Mohr-Coulomb理想弹塑 性模型。
7
支护结构模拟
在数值模拟中，将管棚钢管作为简支梁处理，采用梁单元 进行模拟。
因为管棚末端部与孔口管焊接成整体，孔口管固定在钢拱 架周边，因此端部可以承受较大的弯矩和具有较大的竖向 抗力，可以将端部按固定支座考虑。
对于插入土体中的管棚部分，由于注浆，使得钢管与周围 岩体结合在一块，因此将梁单元的节点与周围岩体应力单 元位移协调，从而限制钢管空间内的平动自由度，但由于 钢管本身与周围加固体之间的刚度差异很大，因此将梁单 元的三个转动自由度不作约束。
X: 90.000 按最不利工况，取隧道毛洞单洞跨度为11.96米，高为11.86
Y: 360.000
米。 Z: 0.000
Mag.: 1
Ang.: 22.500
6
边界条件与本构模型
为减小边界效应的影响，取隧道中心线和隧道底板的交点 为原点，模型的左、右及下边界距离取3～5倍的隧道的开 挖直径，即左、右边界为60m，下边界为36m，上边界为地 表，隧道轴线方向取20m。计算模型的左、右、前、后边 界和下边界均为法向约束，上边界为自由边界。
Center: X: 7.420e-001 Y: 5.809e+000 Z: -4.228e+000 Dist: 3.009e+002
Rotation: X: 130.000 Y: 300.000 Z: 0.000 Mag.: 7.45 Ang.: 22.500
Sketch
Magfac = 1.000e+000 Linestyle
土层 膨胀性黄土
密度 kg/m3
弹性模量 MPa
泊松比
粘聚力 KPa
摩擦角
1916
18.41
0.35
25
30
5
地层建模
C3D 3.00数值模型浅埋段的开挖施工，拟采用有限差分软件FLAC3D
spective 1 2013
，图1为建立的小河沟隧道的数值模型图。模型包括33407
Rotation: 个模型节点，和29580个单元，隧道断面形状为直墙拱型，
8
支护结构模拟
管棚采用89mm直径的无缝钢管，设计在拱部120°范围打 设，每环长10m，环向间距0.4m，纵向搭接长度3m，外插 角5～10°，注1:1的水泥浆，为增加管棚的抗弯能力。
在注浆过程完成后，管棚内充满混凝土浆液，待浆液凝结 后，管棚相当于钢管混凝土梁。
FLAC3D 3.00
Step 999 Model Perspective 10:49:04 Sat Jun 16 2012
E E0S0 Eg Sg Es Ss S
式中：E 为折算后管棚的弹性模量；S为管棚截面积；E0管 棚钢管弹性模量；S0为管棚钢管有效截面积；Eg为混凝土 的有效截面积；Sg为混凝土的弹性模量，取1.5×1010Pa； Es为 钢筋的有效截面积；Ss为钢筋的弹性模量。
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支护结构模拟
铁路隧道大管棚超前支护施工过程数值模拟
中科院计算技术研究所
1
管棚的应用
管棚法是常用超前支护工法，通过在拟开挖的地下隧道衬砌 拱圈隐埋弧线上，预先设置惯性力矩较大的厚壁钢管，并注 浆形成管棚注浆帷幕壳体，防止地表下沉和土层坍塌，具有 良好的预加固效果，在城市地铁、山岭隧道、软土隧道等复 杂工程地质环境中被国内外工程界广泛采用。
Itasca Consulting Group, Inc. Minneapolis, MN USA
9
支护结构模拟
在钢管内设置钢筋笼，钢筋笼由四根主筋和固定环组成， 主筋直径为Φ18，固定环采用短管节，节长5cm将其与主筋 焊接，按1.5m间距设置，管棚梁结构如图4所示。
10
支护结构模拟
为了考虑管内混凝土及加筋对管棚力学性质的影响，在数 值模拟计算过程中，将管内混凝土的作用采用等效弹模的 方法处理，即将管内混凝土的刚度折算给管棚，计算方法 如下公式
3
工程概况
隧道全长1803m，最大埋深82m，最小埋深仅5m，位于里 程DK75+054~DK75+089。由于该浅埋段，埋深及浅，同时处 于汇水区，受雨水影响严重，其稳定性较差，极易发生塌方， 因此拟采用台阶法结合管棚注浆预支护技术。
4
来自百度文库
地层信息
该地段为黄土地貌，与工程性质相关的土层主要是出露地 表的上第三系（N）膨胀性黄土，膨胀潜势为等级为中， 土呈红褐色，硬塑，结构致密，呈菱形状，土内分布有裂 隙，斜交剪切裂隙较发育，由细腻的胶体颗粒组成，断口 光滑，局部夹钙质结核。
2
工程概况
小河沟隧道是新建太兴铁路的一条双线铁路隧道，通过 膨胀性黄土地层，埋深较浅，围岩软弱松散，设计开挖采用 三台阶七步工法结合超前小导管施工。
自进入雨季以来，受雨水渗透影响，围岩抗剪强度减弱， 施工中经常发生塌方事故，造成重大损失。为保障安全施工， 控制隧道变形，变更设计拟采用大管棚注浆措施，加固掌子 面前方围岩，控制围岩变形。
管棚梁、初支的等效参数如下表所示
名称
密度 / Kg/m3
弹性模量 泊松比 / GPa
截面积/ m2 X轴惯性矩/ m4
管棚梁单元
4840
初支壳单元
2500
临时仰拱壳单元 2500
97.1 31.9 46.98
0.3
6.218×10-3
3.078×10-6
0.25
0.3
2.25×10-3
0.25
0.2