浅埋软岩公路隧道超前管棚支护机制与工程应用研究

根据弹性理论刚度等效方法,管棚可视作加劲肋,加固岩土视作各项同性板,将隧道拱顶局部范围的管棚和加固岩土整体视为弹性地基上四边受特定约束的各向异性板。基于传统的管棚弹性地基梁模型,建立管棚弹性地基各向异性板模型,将管棚的力学模型从一维拓展至二维,采用COMSOLPDE有限元法求解,并应用该模型分析甸头隧道管棚的作用机制。同时开展隧道室内物理模型试验,研究超前管棚作用机制,对比分析工程中常用的Φ76 mm和Φ108 mm两种管棚的支护效果,研究结果表明:(1)管棚的受力和变形主要集中在掌子面前6 m范围内,将Φ76 mm管棚调整为Φ108 mm管棚后,横向和轴向弯矩分别增大56.9%和5.5%,同时管棚最大挠度降低38%,表明管棚支护刚度越大,所需承担的隧道开挖过程中的上部荷载也越大,通过减少上部围岩的松弛变形和应力释放,有效控制围岩变形。(2)由于管棚弹性地基各向异性板模型是二维的,对比分析管棚模型的横向和轴向弯矩发现,Φ76 mm和Φ108 mm管棚的轴向弯矩分别为横向弯矩的13和20倍,说明管棚沿隧道轴向弯矩作用明显,与已有研究结论相符,但横向弯矩作用同样不可忽略。(3)室内模型试验表明,沿隧道横向,管棚和围岩共同形成一定厚度的环向承载结构,起到超前支护的作用,共同承担隧道开挖后上方围岩荷载;沿隧道轴向,管棚与初支结构形成系统进行承载,起到梁支撑的作用,有效控制上方围岩的松弛变形和应力释放,从而提高掌子面围岩的稳定性。应用上述研究成果,成功指导了云南大永高速公路大断面软岩公路隧道下穿既有公路工程,将Φ76 mm管棚方案调整为Φ108 mm管棚方案后,现场实测拱顶上方最大地表沉降值减少了38%,室内试验的减少值为37%,室内试验和现场监测分析结果进一步验证了该模型的可行性和合理性,保障了整个下穿施工过程的安全顺利。