投稿-浅埋暗挖隧道管棚支护机理分析-1

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1、第卷第期长安大学学报(自然科学版)Vol.No年月JournalofChang’anUniversity(NaturalScienceEdition)文章编号:浅埋隧道管棚支护的力学分析刘刚湖南省汝郴高速公路建设开发有限公司423000摘要： 本文以土与基础的相互作用理论为基础，建立了基于双参数模型的管棚支护结构与围岩相互作用模型，推导了管棚结构的扰度方程、转角方程、弯矩方程及地基反力方程，分析了工况转换过程中，管棚支护体系的受力特性。并通过实例计算，得出了某隧道在管棚支护下的扰度曲线、地基反力，同时将管棚结构扰度计算结果与实际测试进行了比较，结果吻合较好。关键词：浅埋隧道；管棚；双参数模

2、型中图分类号：文献标识码：MECHANICSANALYSISOFSHED-PIPESUPPORTFORSHALLOWTUNNELLiuGangYourChenHunanprovinceexpresshighwaybuildsLtd.whodevelops423000Abstract:Basedontheprincipleofsoil-foundationinteraction，theinteractionmodelwasestablished．Afterthatthedeformationequation，rotatingangleequation，bendingequationandfo

3、undationsupport equationwerededuced．Andthenthestrengthcharacteristicofshedpipewasanalyzedwhilethetunnelwasbeingexcavated.Further，withexample，thekeyparameterssuchasthedeformationcurve，thecontactpressureofthefoundationetc.，wereobtained．Finally，someusefulconclusionswereprovedbycomparingtheparameterso

4、btainedfromthecalculationoftheabovementionedmodelwiththemonitoringresults．Keywords:shallowtunnel；shed-pipe；double-parametermodel引言图1隧道开挖过程管棚力学模型示意图管棚预支护作为隧道施工的辅助稳定工法，具有很好的超前支护效果，可将开挖引起的影响控制在最低范围，对控制围岩松弛极其有效。目前，管棚法的设计仍依赖于经验和工程类比，即使采用锚固岩体法的计算或等效梁法等，仅起定性说明的作用[7]；在管棚分析理论上主要有三种，①将管棚做为静定简支梁或超静定梁的梁理论；②基于

5、Winkler地基模型的弹性地基粱理论，或壳体理论[8]；③在数值模拟方面主要采用二维有限元法[9]，快速拉格朗日有限差分法（FLAC）[10]。本文以φ200mm以下的小直径管棚为例，以土与基础的相互作用理论为基础，建立基于Pastemak双参数模型的管棚支护结构与围岩相互作用模型，对隧道开挖过程中，管棚支护体系的工作特性进行力学分析，以实现了管棚设计的量化计算。1隧道开挖过程管棚的力学模型管棚的力学模型分析模型如图1所示。支护段管棚，纵向构件（钢管混凝土）以一定间隔固定于横向格栅拱架上，认为是固定端，采用梁模拟；伸入开挖面前方的管棚支撑于弹性地基上，采用Pastemak双参数弹性地基梁

6、模拟；作用于管棚的载荷范围为管棚支撑上方及掌子面前方一定范围；每步掘进之后到未支护之前的一个开挖步距长（相邻两格栅拱架之间的距离）是掌子面开挖的最不利载荷情况；由于隧道开挖引起的围岩变形始于掌子面前方一定距离，在隧道掌子面处己经发生了一定量的变形。因此，支撑在格栅拱架处，竖向位移为棚架体系的变形和施工中的地层损失。施工中的地层损失为竖向变形位移。隧道的开挖过程相当于每次掘进步距后横向拱的安装和作用于管棚上部载荷的有序增加以及地基反力作用段的有序减少。2双参数地基梁的控制微分方程由梁微段平衡条件、Bernoulli-Euler理论和Pasternak双参数地基模型[11][12]，得双参数地

7、基粱的控制微分方程为:（1）式中:为材料的弹性摸量();I为梁截面惯性矩();为梁截面处的挠度();为表征土性质的参数()；为梁宽();为基床系数();为地基反力压力()。Pasternak双参数地基模型中[11],由压力而引起的土介质的表面扰度为：（2）对式（1），通常比大的多[12]，满足，令：，，则式（1）的齐次解为：（3）式中：，，，，，为待定积分常数。当时，双参数地基模型简化为文克尔地基模型。取坐标原点与位于掌