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【摘 要】依托某三车道黄土公路隧道，建立考虑管棚和加固区的三维数值模型，对管棚预支护条件下隧道施工过程中围岩的变形规律进行研究。同时，对管棚预加固参数（间距和角度）进行了优化。研究结果表明：管棚注浆措施对水平变形的控制效果最显著，其次是拱顶沉降，对仰拱隆起的控制作用不明显。管棚角度和间距对水平位移的敏感程度大于竖向位移。角度对围岩变形的影响程度大于管棚间距。
【关键词】三车道；黄土隧道；管棚预支护；间距；角度；优化
黄土隧道由于地层自身承载力不强，且大多数时候还伴有浅埋、偏压等问题，隧道开挖后容易发生大变形，极易发生塌方、冒顶等地质灾害[1]。管棚注浆法能提高土層的承载能力，结合黄土地层情况和开挖方式选择合适管棚注浆措施进行超前支护和预加固处理，是当前黄土隧道普遍采用的行之有效的超前支护技术[2]。
近年来，国内学者对管棚预支护机理进行了大量的研究。展宏跃等[3]分析了浅埋偏压黄土隧道洞口段开挖后隧道的变形破坏原因及整治措施，提出采用上断面边墙锚管注浆加固结合马口跳槽开挖，减小了施工对围岩的扰动。李健等[4]开展了浅埋大跨黄土隧道长大管棚受力机制的研究。对隧道进入下穿高速公路前的管棚纵向变形进行监测和分析。贾金青等[5]推导了管棚的挠度方程和内力计算公式，对管棚的Winkler弹性地基梁模型进行了改进。以上研究中对管棚解析解的分析针对的是单根管棚，这与管棚实际的受力状况存在一定的差异。由上可见，对三车道黄土隧道管棚的支护效果的研究较少。
本文采用三维数值模开展管棚预支护条件洞口段施工过程中围岩的变形规律研究。同时，对管棚预加固参数（角度和间距）进行了优化。得到了管棚预支护体系下黄土隧道洞口段围岩的变形规律和合理的管棚设计参数，为管棚预支护法在黄土地层隧道中的应用提供技术参考。
1 管棚加固效应分析
为研究管棚预支护体系在隧道开挖过程中的力学行为，区别于以往模型采用的只提高注浆加固区参数来进行管棚支护模拟的方法，本文将管棚本身的梁效应和注浆体对围岩的加固效应相结合，在计算模型中采用梁单元模拟钢管、实体单元模拟加固区围岩。加固范围围岩采用提高土体力学参数来实现，管棚预支护体系结构模型如图1所示。
模型中注浆加固圈和围岩都采用摩尔—库伦材料，初支体系中的C25喷射混凝土为线弹性体，各材料参数见表1[6]。
2 管棚参数优化
管棚预支护作用效能的发挥与其自身的设计参数有根本关系，故本文从管棚间距和角度出发，分别对3种管棚间距（30cm、40cm、50cm）、两种角度（1°、10°），共计5种工况进行了模拟计算，同时与不采用管棚加固方案进行对比分析。
2.1 管棚间距
典型断面处在各工况下的拱顶沉降值、仰拱隆起值、水平位移值随开挖面距典型断面的变化曲线分别如图4所示：
从图4中还可看出，管棚注浆措施对水平变形的控制效果最显著，采取管棚注浆加固措施后，水平变形减小为未加固的74%。其次是拱顶下沉，减小为未加固的53%。仰拱隆起加固后稍有增大，为加固前的1.05倍。管棚间距的改变对围岩竖向位移影响不大，对水平位移有一定影响。得出管棚间距为40cm时，对水平位移的控制作用最好，可将水平位移控制到未施作管棚时的72.9%。管棚间距为30cm和50cm对水平位移的控制作用相当，可将水平位移控制到未施作管棚时的74.6%。
2.2 管棚角度
图5中x轴正方向为隧道开挖方向，取隧道1/2截面处为典型断面，该断面处在各工况下的拱顶沉降值、仰拱隆起值、水平位移值随开挖面距目标断面的变化曲线分别如图1所示：
图5中不同工况下目标断面处围岩变形随开挖面变化情况曲线规律同图4类似，再次不再赘述。重点介绍角度对围岩最终变形量的影响。从图5中可以很直观的看出，角度的变化对围岩变形的影响较管棚间距的变化对围岩变形的影响大。就拱顶沉降而言，当管棚角度为1°时，拱顶沉降减小为未施作管棚时的60%；当管棚角度为10°时，拱顶沉降减小为未施作管棚时的55%。就仰拱隆起而言，当管棚角度为1°时，仰拱隆起减小为未施作管棚时的87%；当管棚角度为10°时，仰拱隆起增大为未施作管棚时的104%。就水平变形而言，当管棚角度为1°时，水平变形减小为未施作管棚时的72%；当管棚角度为10°时，水平变形减小为未施作管棚时的77%。可见不同围岩变形参数得出的最优角度不同。
结合图4和图5，管棚角度和间距对水平位移的敏感程度大于竖向位移。角度对围岩变形的影响程度大于管棚间距。依托工程中经优化后的管棚角度为1°，管棚间距为40cm。
3 结论
通过对三车道黄土隧道有无采用管棚注浆加固对围岩变形的对比分析以及对管棚预加固参数（间距和角度）的分析，得出以下结论：
（1）管棚注浆措施对水平变形的控制效果最显著，其次是拱顶沉降，对仰拱隆起的控制作用不明显。
（2）管棚角度和间距对水平位移的敏感程度大于竖向位移。角度对围岩变形的影响程度大于管棚间距。
参考文献
[1]李晋文.公路黄土隧道洞口段施工技术要点[J].山西交通科技，2012（3）： 37-38.
[2]张红卫，任建喜，李振龙.隧道管棚注浆超前支护在特殊条件下的应用[J].西安科技大学学报，2009，29（2）：165-169.
[3]展宏跃，王起才.浅埋偏压黄土隧道洞口段变形破坏分析及整治措施研究[J]. 水利与建筑工程学报，2009，7（4）：117-120.
[4]李健，谭忠盛，喻渝等.浅埋下穿高速公路黄土隧道管棚变形监测及受力机制分析[J].岩石力学与工程学报，2011，30（增1）：3002-3008.
[5]贾金青，王海涛，涂兵雄等.管棚力学行为的解析分析与现场测试[J].岩土力学，2010，31（6）：1858-1864.
[6]王石春.隧道工程岩体分级[M].成都：西南交通大学出版社，2007.
基金项目
山西省交通运输厅科研项目（2012-1-1）
【关键词】三车道；黄土隧道；管棚预支护；间距；角度；优化
黄土隧道由于地层自身承载力不强，且大多数时候还伴有浅埋、偏压等问题，隧道开挖后容易发生大变形，极易发生塌方、冒顶等地质灾害[1]。管棚注浆法能提高土層的承载能力，结合黄土地层情况和开挖方式选择合适管棚注浆措施进行超前支护和预加固处理，是当前黄土隧道普遍采用的行之有效的超前支护技术[2]。
近年来，国内学者对管棚预支护机理进行了大量的研究。展宏跃等[3]分析了浅埋偏压黄土隧道洞口段开挖后隧道的变形破坏原因及整治措施，提出采用上断面边墙锚管注浆加固结合马口跳槽开挖，减小了施工对围岩的扰动。李健等[4]开展了浅埋大跨黄土隧道长大管棚受力机制的研究。对隧道进入下穿高速公路前的管棚纵向变形进行监测和分析。贾金青等[5]推导了管棚的挠度方程和内力计算公式，对管棚的Winkler弹性地基梁模型进行了改进。以上研究中对管棚解析解的分析针对的是单根管棚，这与管棚实际的受力状况存在一定的差异。由上可见，对三车道黄土隧道管棚的支护效果的研究较少。
本文采用三维数值模开展管棚预支护条件洞口段施工过程中围岩的变形规律研究。同时，对管棚预加固参数（角度和间距）进行了优化。得到了管棚预支护体系下黄土隧道洞口段围岩的变形规律和合理的管棚设计参数，为管棚预支护法在黄土地层隧道中的应用提供技术参考。
1 管棚加固效应分析
为研究管棚预支护体系在隧道开挖过程中的力学行为，区别于以往模型采用的只提高注浆加固区参数来进行管棚支护模拟的方法，本文将管棚本身的梁效应和注浆体对围岩的加固效应相结合，在计算模型中采用梁单元模拟钢管、实体单元模拟加固区围岩。加固范围围岩采用提高土体力学参数来实现，管棚预支护体系结构模型如图1所示。
模型中注浆加固圈和围岩都采用摩尔—库伦材料，初支体系中的C25喷射混凝土为线弹性体，各材料参数见表1[6]。
2 管棚参数优化
管棚预支护作用效能的发挥与其自身的设计参数有根本关系，故本文从管棚间距和角度出发，分别对3种管棚间距（30cm、40cm、50cm）、两种角度（1°、10°），共计5种工况进行了模拟计算，同时与不采用管棚加固方案进行对比分析。
2.1 管棚间距
典型断面处在各工况下的拱顶沉降值、仰拱隆起值、水平位移值随开挖面距典型断面的变化曲线分别如图4所示：
从图4中还可看出，管棚注浆措施对水平变形的控制效果最显著，采取管棚注浆加固措施后，水平变形减小为未加固的74%。其次是拱顶下沉，减小为未加固的53%。仰拱隆起加固后稍有增大，为加固前的1.05倍。管棚间距的改变对围岩竖向位移影响不大，对水平位移有一定影响。得出管棚间距为40cm时，对水平位移的控制作用最好，可将水平位移控制到未施作管棚时的72.9%。管棚间距为30cm和50cm对水平位移的控制作用相当，可将水平位移控制到未施作管棚时的74.6%。
2.2 管棚角度
图5中x轴正方向为隧道开挖方向，取隧道1/2截面处为典型断面，该断面处在各工况下的拱顶沉降值、仰拱隆起值、水平位移值随开挖面距目标断面的变化曲线分别如图1所示：
图5中不同工况下目标断面处围岩变形随开挖面变化情况曲线规律同图4类似，再次不再赘述。重点介绍角度对围岩最终变形量的影响。从图5中可以很直观的看出，角度的变化对围岩变形的影响较管棚间距的变化对围岩变形的影响大。就拱顶沉降而言，当管棚角度为1°时，拱顶沉降减小为未施作管棚时的60%；当管棚角度为10°时，拱顶沉降减小为未施作管棚时的55%。就仰拱隆起而言，当管棚角度为1°时，仰拱隆起减小为未施作管棚时的87%；当管棚角度为10°时，仰拱隆起增大为未施作管棚时的104%。就水平变形而言，当管棚角度为1°时，水平变形减小为未施作管棚时的72%；当管棚角度为10°时，水平变形减小为未施作管棚时的77%。可见不同围岩变形参数得出的最优角度不同。
结合图4和图5，管棚角度和间距对水平位移的敏感程度大于竖向位移。角度对围岩变形的影响程度大于管棚间距。依托工程中经优化后的管棚角度为1°，管棚间距为40cm。
3 结论
通过对三车道黄土隧道有无采用管棚注浆加固对围岩变形的对比分析以及对管棚预加固参数（间距和角度）的分析，得出以下结论：
（1）管棚注浆措施对水平变形的控制效果最显著，其次是拱顶沉降，对仰拱隆起的控制作用不明显。
（2）管棚角度和间距对水平位移的敏感程度大于竖向位移。角度对围岩变形的影响程度大于管棚间距。
参考文献
[1]李晋文.公路黄土隧道洞口段施工技术要点[J].山西交通科技，2012（3）： 37-38.
[2]张红卫，任建喜，李振龙.隧道管棚注浆超前支护在特殊条件下的应用[J].西安科技大学学报，2009，29（2）：165-169.
[3]展宏跃，王起才.浅埋偏压黄土隧道洞口段变形破坏分析及整治措施研究[J]. 水利与建筑工程学报，2009，7（4）：117-120.
[4]李健，谭忠盛，喻渝等.浅埋下穿高速公路黄土隧道管棚变形监测及受力机制分析[J].岩石力学与工程学报，2011，30（增1）：3002-3008.
[5]贾金青，王海涛，涂兵雄等.管棚力学行为的解析分析与现场测试[J].岩土力学，2010，31（6）：1858-1864.
[6]王石春.隧道工程岩体分级[M].成都：西南交通大学出版社，2007.
基金项目
山西省交通运输厅科研项目（2012-1-1）