管棚支护作用机理及数值分析

管棚超前支护在浅埋软弱围岩隧道洞口施工中广泛应用是实用有效的辅助措施。文章首先论述比较了单根管棚和管棚体系作用机理的差异;然后以某高速公路隧道洞口管棚超前支护为实例,建立了实体管棚三维数值模型,模拟得到了隧道开挖工况下围岩稳定情况和管棚受力变形特性,并与不加管棚工况对比分析了管棚加固效果。说明管棚能有效控制隧道洞口段浅埋软弱围岩稳定,结果可为同类工程设计计算提供参考。     

考虑施工特性的浅埋软弱洞口段管棚变形量预测及工程应用

 针对洞口管棚受开挖过程影响的特点,考虑初期支护延滞性、围岩应力释放差异性、地层反力系数不均匀性和仰坡坡度等因素,将管棚划分为初支闭合段、初支未闭合段、开挖未支护段、掌子面前方塑性扰动段、弹性扰动段和无扰动段,建立基于Pasternak弹性地基梁理论并考虑施工特性的洞口管棚变形量预测模型。利用有限单元法思想和梁段纵向剪力传递理论,获得管棚变形预测理论值,并应用于桦皮岭隧道工程。结果表明：(1) Pasternak力学模型摈弃了Winkler弹性地基梁不能传递纵向剪力的缺陷,其预测值与现场试验结果吻合度较高,最大偏差较Winkler模型减小11.8 %,更适合洞口管棚变形预测。(2) 管棚变形量随地层反力系数和管棚直径增大而减小,但非线性关系;管棚环向间距与变形呈正比例关系;当地层反力系数和管棚直径超过某一数值,通过调整注浆改善地层反力系数或直径方法来控制管棚变形效果甚微。(3) 在给定变形控制基准下,确定IV,V和VI级围岩不同纵坡条件下经济合理的管棚直径和环向间距,并制定了管棚设计施工参数选择一览表。其研究成果为完善管棚计算方法、设计施工体系提供参考和借鉴。     

考虑拱效应的隧道管棚力学模型与参数分析

为了更好地研究隧道管棚的实际受力状态,根据隧道施工工序和施工影响,将隧道管棚划分为二衬段、初支段、开挖段以及掌子面前方的扰动段和未扰动段等五段,考虑管棚注浆后形成整体管棚拱的拱效应,建立了五段式隧道管棚的Winkler弹性地基梁新模型,推导了五段式隧道管棚模型的挠度和内力计算公式,并与既有工程案例进行对比分析,同时对不同的开挖进尺、管棚直径和加固区弹性模量进行了分析。结果表明:新模型得到的管棚挠度最大值和挠度最大值对应的位置与现场监测结果更为接近,能够解决已有管棚模型因边界条件设置不合理而造成的管棚变形在扰动段的末端出现的上拱现象,更符合管棚实际的变形情况;改变开挖进尺对管棚的挠度影响更大,管棚钢管直径为108 mm和114 mm时,其管棚支护效果相差不大;当E_c(加固区弹性模量)＞40.0 E_g(围岩弹性模量)时,开挖进尺和钢管直径对管棚的挠度和弯矩的影响不大,因此,提高加固区的弹性模量是减小管棚挠度和内力最有效的方法。     

隧道施工超前管棚变形预测研究——以狮子山环线连接下渚湖通道工程为例

文章以狮子山隧道为例,研究隧道超前管棚变形预测方法,精准预测超前管棚变形值,预测分析超前管棚施工参数对其变形的影响,提升隧道施工安全性.利用小波变换去除超前管棚变形历史数据噪声;在支持向量机内引进动态滑窗技术,动态调整训练样本数量,建立变形预测模型;在预测模型内输入去噪后的数据,输出管棚变形预测值.试验证明:该方法可有效去除监测数据的噪声,精准预测超前管棚变形值;经过预测分析可知,Ⅲ级围岩时管棚钢管直径需控制在100 mm左右,Ⅳ级围岩时管棚钢管直径需控制在200 mm以内,V级围岩时管棚钢管直径需控制在350 mm左右较合理;Ⅲ级围岩时,合理的开挖进尺长度为0.3～2.1 m,Ⅳ级围岩与V级圉岩时,合理的开挖进尺长度为0.3～1.2 m.     

管棚超前支护下隧道开挖围岩稳定性分析

管棚超前预支护技术对软弱围岩隧道的安全施工有着极大保障,文章以汶川至马尔康高速公路米亚罗3~#隧道工程为背景、采用有限元模拟计算软件Midas/GTS建立数值模型,对隧道开挖过程的围岩稳定性及管棚内力进行研究:模拟有无超前管棚超前预支护下隧道开挖的土体沉降规律,评估超前管棚支护提高隧道围岩稳定性的能力,预测超前管棚支护在隧道开挖过程中的内力变化。     

浅埋暗挖隧道管棚变形监测及受力机制分析

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。     

双连拱隧道偏压段管棚效应分析

 在海床复杂的地质条件下，海底双连拱隧道与陆地连接的浅埋软岩段容易形成偏压，从而影响围岩的稳定性。采用三维弹塑性有限差分法对双连拱隧道进口偏压段管棚的预支护作用进行分析，并分析了不同管棚参数下的计算结果。研究的主要内容包括：(1) 计算了隧道在有管棚支护和无管棚支护条件下的拱顶下沉和塑性区分布；(2) 给出了管棚设计参数和优化参数下不同的变形和弯矩变化；(3) 分析了拱顶下沉和水平收敛的FEM计算结果和实际测量结果。 计算结果表明，管棚支护和注浆加固围岩能有效减小隧道周围由偏压引起的塑性区，软岩中双连拱隧道偏压段采用管棚支护是很必要的；偏压通常会使连拱隧道侧洞的应力状态不同从而造成围岩变形的不同，为了更有效地控制围岩变形在管棚支护的设计中应该采用不均衡设计；数值计算结果与实测结果的一致性进一步说明了管棚优化设计的合理性。     

隧道穿越软弱破碎带超前支护加固效果分析

为研究管棚支护在软弱围岩中对隧道的影响，文章依托亚曲滩隧道穿越软弱围岩的浅埋暗挖工程进行模拟分析。研究结果表明：拱顶管棚挠度沿隧道纵向逐渐减小，洞口位置处挠度较大，末端挠度最小。拱腰管棚的挠度值相对较小，约为拱顶管棚挠度的1/2，且变形由两侧拱腰向拱顶递增。拱顶管棚轴力沿隧道纵向先受压后受拉，拱腰管棚轴力也是先受压后受拉，但拱顶轴力约为拱腰轴力的两倍，并且轴力由拱顶向拱腰两边递减。随着管棚直径的增大，隧道拱顶、拱底和拱腰逐渐减小。管棚直径对拱顶沉降的控制效果最好，其次是拱底，最后是拱腰。随着直径的增大，隧道拱顶、拱底受直径的影响逐渐减弱，变形速率逐渐下降。间距的增大导致隧道拱顶、拱底的变形增加，变形速率逐渐上升。管棚加固区厚度的增大使得隧道拱顶、拱底和拱腰的变形逐渐减小。管棚加固区厚度增大对拱顶沉降的控制效果较好，其次是拱底，最后是拱腰。在管棚加固时，应特别关注隧道拱顶的情况。该研究结果可为类似工程提供一定的借鉴作用，对隧道结构的安全有积极作用。     

铁路隧道浅埋下穿河道暗挖施工拱部加固措施研究

文章以戴云山一号隧道工程为依托,建立4个数值计算模型,分析铁路隧道浅埋下穿河道时,在不同拱部加固及支护措施下的洞周围岩及地表变形.研究得到:对河道区段,无拱部加固措施时,采用短管棚超前支护无法保证围岩的有效固结,管棚将会扭曲,威胁施工安全;采取拱部加固措施时地表沉降变化较大,且地表沉降在加固范围内呈现弯月形,隧道拱顶沉...     

软弱围岩隧道超前支护加固形式研究

以某软弱围岩隧道为背景,通过数值模拟分析不同超前支护加固形式对隧道结构和掌子面稳定性的影响,并对不同的加固形式进行对比分析。分析结果表明：地表注浆加固距离隧道拱顶接近1.2 m时,对隧道拱顶沉降的控制效果显著提升;管棚支护加固区厚度越大,对隧道拱顶沉降的控制效果越好;采用地表注浆加固、管棚支护加固和联合支护时,掌子面的挤出变形趋势基本一致,中部的挤出变形值最大;采用联合支护时,掌子面中部的竖向挤出变形值最小,相比未支护、地表注浆加固和管棚支护加固竖向挤出变形值分别减小了约38.5%、27.3%和9.1%;在同一水平线上,掌子面的横向挤出变形值基本相同,隧道开挖断面距掌子面3 m处,掌子面中部的横向挤出稳定变形值长度较长,而隧道开挖断面距掌子面6 m处,掌子面中部的横向挤出稳定变形值长度较短。相关研究成果可对软弱围岩隧道支护提供借鉴。     

考虑微拱效应的隧道管棚受力机制分析与支护效果评价

考虑管间微拱效应、初期支护滞后效应、应力释放时空效应和基床系数变化特性，将管棚在轴向上划分为不同受力区段，建立深浅埋隧道管棚的力学理论模型，进而通过参数分析揭示管棚力学响应受影响规律。研究表明：(1)管棚在环向上表现为微拱效应，具有承载减跨效果，管棚外载为管间微拱转移的岩土压力；(2)管棚轴向上体现为长梁效应，发挥荷载传递作用，将超前围岩荷载传递至后方初支；(3)基于Pasternak弹塑性地基梁理论，推导了管棚挠度和内力的理论解，较既有理论解更贴近实测结果；(4)提出了围岩/初期支护承载比和管棚挠曲变形以量化评价管棚支护效果，为合理控制管棚变形并有效传递围岩荷载，软岩大跨隧道开挖进尺不得大于2m，拱顶附近30°范围内的管间距较其他部位应缩短5～10 cm。     

全风化地层大断面隧道洞口预加固技术模拟分析

文章以汕湛高速公路横山隧道为工程依托,采用有限差分法分析了在管棚和超前注浆小导管两种预加固方式下全风化地层大断面隧道开挖引起围岩变形、支护结构内力及掌子面稳定性特征。结果表明,与超前注浆小导管相比,管棚能有效降低隧道开挖早期的围岩变形速率和最终地表沉降;在支护结构内力方面,管棚能更有效的降低拱顶和拱肩处的截面弯矩,同时明显降低截面内力偏心距;管棚预加固条件下掌子面挤出位移更小、更均匀,掌子面稳定性也更高。     

管棚支护因素在多种工况下有限元分析

采用数值分析方法,对隧道开挖管棚支护进行了三维有限元模拟,分析了开挖进尺、钢管直径、管间距、注浆层厚度、混凝土强度、断面跨度和围岩等级因素对管棚支护的影响效果,得到了不同因素的围岩沉降位移和支护结构的内力情况。     

管棚受力和变形的分析预测方法及工程应用

采用管棚预先对浅埋软弱围岩进行支护时,对管棚力学响应的精确预测是保证管棚结构设计合理性的重要依据.在管棚的弹性地基梁分析模型基础上,考虑掌子面失稳段对管棚约束的弱化,建立基于Pasternak弹性地基梁理论的管棚分析模型来预测预支护段开挖时管棚的受力和变形.利用Euler-Bernoulli梁的控制方程以及Paster...     

浅谈渝鲁车站3、4号出入口暗挖段下穿渝鲁大道设计风险控制措施

重庆轨道交通环线渝鲁站3号、4号出入口下穿渝鲁大道,其为重庆市连接南北的交通大动脉,车流量非常大,过街通道埋深较浅,最浅埋深约5 m,隧道开挖断面达8.44 m;过街通道下穿回填土区且部分地段仰拱处于回填土中;过街通道上方有DN1000雨水管、DN1000污水管;过街通道环境和地质风险非常大,为二级风险源,文章介绍通过在设计阶段对下穿回填土地段采取合理开挖工序CD法、超前支护措施为?108 mm大管棚(局部T76自进式管棚)+超前小导管、初期支护措施为工字钢22a、洞内地基处理为微型桩、辅助措施等一系列措施,在设计阶段就降低了本工程结构风险,使之成为本工程能成功实施的关键因素。     

大跨扁平隧道超长管棚法下穿交通干线技术研究

浅埋隧道下穿重要基础设施时地下结构的稳定性及周边环境变形控制是工程的重点和难点，管棚法是一项提高岩土稳定的重要技术措施。结合福建某大跨扁平超浅埋隧道采用超长管棚法下穿铁路干线的工程实践，分析棚架体系工作原理，总结出超浅埋暗挖隧道超长管棚的施工方法及技术要点。基于Winkler弹性地基梁理论，考虑三步掘进预留核心土施工过程，分析地表沉降规律及隧道支护结构内力分布特性，优化现场支护参数及支护措施设置，结合实测结果验证了计算结果及支护措施的合理性，并结合施工过程及环境特点对地表变形原理进行详细探讨。最后基于实测地表沉降，对超长管棚施做引起的沉降特点及影响因素进行系统分析，结合实际工程特点提出轨道变形控制措施，并从管棚施工技术要点提出地表沉降控制方法。     

软岩隧洞锁脚锚杆–钢拱架联合承载分析

锁脚锚杆–钢拱架联合支护是控制隧洞拱顶下沉的有效措施。为了研究其承载机制,建立软岩隧洞锁脚锚杆–钢拱架联合承载的力学计算模型,考虑钢拱架与锁脚锚杆连接处的弯矩、轴力、剪力传递及变形协调。将钢拱架处理为弹性固定无铰拱,采用结构力学法进行求解。锁脚锚杆的横向效应和轴向效应分析表达式分别采用弹性地基梁法和荷载传递法进行详细推导。通过实例首先研究锁脚锚杆的内力与变形特性,并与未考虑弯矩传递及变形协调的已有文献中的模型结果进行对比,然后讨论不同打设角度对锁脚锚杆与钢拱架连接处的内力和变形的影响,最后应用该模型对比分析围岩侧压力系数、刚度以及锁脚锚杆各参数对控制隧洞拱顶下沉效果的影响规律。得出以下结论:锁脚锚杆最不利受力位置在与钢拱架焊接的部位,该部位应焊接牢固,并且在计算模型中宜考虑焊接部位的弯矩传递;锁脚锚杆横向效应主要集中在端部附近区域,该区域围岩应重点加固,且锚杆过长对发挥其横向作用并无贡献;其打设角度不宜过大,取45°左右为佳;增大单根锁脚锚杆(管)规格或增加数量,可获得更好的支护效果;设计中,围岩侧压力系数宜考虑较小值。     

隧道管棚失效原因分析及安全开挖长度分析

结合某隧道施工过程中管棚失效的案例,分析了管棚的受力特征及现场失效原因。计算得出,108mm的管棚最大承载弯矩为15.50kN·m,而当纵向连接不良时,最大承载弯矩仅为2.57kN·m。结合现场,得出管棚失效的原因主要为管棚纵向连接处刚度不足,且注浆未能起到良好的加固围岩作用。同时,浅埋隧道埋深对隧道最大安全开挖进尺有显著的影响,在浅埋条件下单侧壁开挖时最大安全完全进尺为1m。     

软弱地层浅埋暗挖施工中管棚法的棚架原理

针对目前国内技术界对软弱地层中隧道施工选用大管棚还是小管棚的争议,以杭州解放路隧道原位观测和室内土工离心模拟试验为基础,分析了管棚的工作机理,提出了隧道拱部形成“棚”和“架”的条件,根据棚架体系观点,指出管棚主要起加固围岩并扩散围岩压力的作用,同时能减少开挖释放应力。以上海某过街通道的空间计算为例,说明管棚格栅体系中,管棚起扩散拱部荷载的作用,主要受力体为格栅,并根据管棚的直径将管棚法分为三大类:小管棚体系、中管棚体系和大管棚体系,进而提出了各自对应的设计和施工参数。     

浅埋隧道变基床系数下管棚的力学机制分析

针对管棚法施工中常基床系数下管棚弹性地基梁模型的缺陷,分析了掌子面前方岩土体基床系数分布规律,建立了变基床系数下管棚的地基梁模型,该模型可考虑掌子面水平位移的影响。并用有限差分法对该模型进行了计算,深入分析了开挖过程中管棚的受力和变形。结果表明:考虑掌子面水平位移影响是非常必要的,做好掌子面加固工作对减小管棚的变形较为有效。同时,管棚力学行为与开挖面位置、开挖进尺及岩体泊松比等因素有很密切的关系,可为管棚的优化设计及施工方案的合理选择提供一定的理论基础。