超前大管棚支护原理

(6)管棚的作用

1)从整个支护体系的角度来看，管棚的作用主要有以下几点：

①管棚主要起加固岩体(围岩)的作用。通过钢管上的孔向围岩注入水泥、水玻璃或泡沫尿烷等材料，以改善围岩状况来保证掌子面稳定。对应的分析方法有两种，一种分析方法是提高岩体的力学参数近似模拟管棚加固作用；另一种分析方法用实体单元模拟岩体，管棚对岩体的加固作用用梁(杆)单元或者壳体单元来进行模拟。

②管棚起到承载作用。对应的分析模型是荷载——梁模型，该类模型是当前管棚分析中的主要计算模型。根据是否考虑岩体的作用可分为两种情况，一种是不考虑岩体的作用，将管棚视作两端固定的梁。对于大直径管棚(欧洲和日本多采用，以日本的管幕工法为代表)多采用该类分析模型；另一方法是考虑管棚下岩体的支撑作用，将管棚视

作埋置在岩层中的管，但其对管棚作用的认识仍局限在将管棚作为承载构件，重点是确定管棚上部荷载以及对管棚受力特点进行分析。

③管棚起到扩散和传递开挖释放荷载的作用。对于采用小直径管棚(直径在159mm以下)的常规跨度隧道，开挖过程中，管棚基本是不承受荷载，主要是起到对开挖释放荷载进行传递、调节的作用。管棚究竟是承受荷载还是传递荷载主要取决于管棚与支护结构的相对刚度比。

2)在施工控制效果上，管棚的作用主要表现在以下几个方面：

①防塌方由于管棚的作用，减少了工作面上覆的土压力，稳定了围岩，从而避免了土体塌方，即便有一定程度沉降的产生，也不会发生灾难

性事故。

②阻断沉降作用研究表明，由于管棚的超前预支护作用，其对地表沉降的控制可达30～35％，对拱顶沉降的控制高达40％。同时，由于支护结构体的形成，改变了地表沉降与拱顶沉降的比例。在浅埋隧道施工中，一般情况下，拱顶沉降要大于地表沉降，而采用管棚进行预支护后，使得拱顶沉降远远小于地表沉降量。

③均匀沉降曲线

由于管棚的承托作用，使得沉降槽沉降集中的程度大幅减少，沉降总量在减小的同时有向两端均匀分布的趋势。

④提高围岩的力学参数，增大地层自稳能力

实际施工中为增大管棚的刚度和管棚与围岩的粘结力，常常在管棚内注入水泥浆、水玻璃或泡沫尿烷等材料，使得管棚与其周围的土体成为一个整体，从而极大地增强了土层的自稳能力。

(7)管棚超前支护原理

在探讨管棚支护结构的作用原理之前，须弄清楚隧道失稳的力学机理。

①隧道失稳力学机理

隧道失稳实际上是地层压力效应的结果。地层压力效应是指在隧道开挖后岩体重新分布的应力强度与围岩的变形特性互相作用而产生的一种力学现象。当二次应力量值超过了部分围岩的塑性极限或强度极限或使围岩进入显著的流变状态，则围岩就发生显著的变形、破裂、碎裂破坏等现象，表现出明显的地层压力效应。地层压力可分为松动压力、形变压力等。松动压力的形成原因是隧道开挖后围岩应力重新

分布，部分围岩或其结构面失去强度，成为脱离母岩的分离块体或松散体，它们在重力法则支配下，克服较小的阻力产生冒落或塌滑运动。松动压力是直接作用在隧道支护体上的压力，大多出现在隧道的拱顶及侧帮。这种压力具有断续性和突发性，很难预见什么时间、有多大范围的分离块体会突然塌滑下来。形成这种压力的关键因素是地质特性和岩体结构。形变压力是指在二次应力作用下，围岩局部进入塑性状态，缓慢的塑性变形作用在支护结构上形成压力，或者是有明显流变性能的围岩弹粘性或弹粘—塑性变形形成的支护压力。当这种重新分布的形变压力足够大，使部分围岩进入塑性或流变变形阶段。若无支护，塑性区逐渐扩大，往往达到一定范围便停止下来，并在弹性及塑性区边界形成一切向应力较高的持力环。当围岩塑性变形过大，使塑性区进入了破裂阶段，形成松动压力导致隧道失稳。当有支护时，支护刚度对围岩产生抗力，此抗力就是实际的形变压力。支护越早，支护上受到压力越大，围岩塑性变形就越小；支护越晚，支护上受到压力越小，塑性区发展较大，易导致围岩破坏。

②管棚超前支护原理

注浆管棚通过注浆填充围岩裂隙，提高围岩的强度和刚度，从而提高围岩的整体承载能力。通过向围岩注浆形成的加固圈起到“承载拱”的作用，支承“承载拱”上部的岩层重量，使拱内部的围岩与支护系统处于免压状态，拱内部的围岩与支护系统受到的力仅是由于拱向隧道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，且沿隧道开挖轮廓线周密布置时，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。另外，在管棚进口端一般加有套拱基础，另一端深入到隧道围岩较为完整、坚硬处，这样可以对上部的破碎软弱围岩形成一个稳定的“简支梁”支撑结构，此简支梁可承受上部松动压力或者传递上部荷载的作用