【毕业设计学位论文】管棚支护参数优化及计算程序设计-桥梁与隧道工程

学 位 论 文 独 创 性 说 明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 日期： 学 位 论 文 知 识 产 权 声 明 书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 论文题目： 管棚支护参数优化及计算程序设计 专 业： 桥梁与隧道 工程 硕 士 生： 寇永照 （签名） 指导教师：戴 俊 （签名） 摘 要 管棚 法是隧道施工的一种辅助工法，当隧道穿越破碎带、松散带、软弱地层、涌水、涌砂等地段时，管棚及其超前注浆不仅能 够 有效地限制地表下沉，而且能够保证工作 面和地层处于安全稳定的状态。因此，管棚 工 法在工程现场问题的解决中得到了广泛的应用。 本文在已有的理论基础上，对管棚作用机理进行了深入研究， 编制了一套管棚支护设计的计算程序，并利用该程序对影响管棚支护效果的因素进行了分析。 具体的研究内容与取得的主要研究 结论 如下： （ 1） 在总结管棚支护设计的国内外研究现状 及基础之上 ，详细分析了管棚的用途、形状以及管棚设计的方法，使我们清楚地看出管棚的设计现状以及存在的主要问题。 （ 2） 提出管棚的荷载确定方法，并研究其算法。 管棚受力荷载的确定与隧道的埋深有关。当埋深 ap 时，认为是深埋隧道，隧道垂直应力与隧道上方围岩的埋置深度无关，只与隧道上方围岩的 塌落度 关 。 当隧道为浅埋隧道时 ， 认为管棚上面的围岩全部作用在管棚上 ，如果地面为水平，则作用在管棚上的垂直应力为 。 （ 3） 本文对管棚的作用机理进行了深入的分析 研究 ， 根据前人提出管棚的 受力模 型 ，推导出在受力条件下管棚的 挠度 、转角、弯矩和剪力方程 。 （ 4） 分析现有的边坡稳定判定方法，提出 适合判定隧道掌子面稳定的判 断方法。 （ 5） 根据理论分析公式 编制管棚支护的计算程序，并从计算结果中分析 影响管棚作用效果的 因素。 关 键 词 ： 管棚；荷载；安全系数；作用机理；设计；程序 设计 ； 研究类型： 应用研究 ： ： ( ( is an of of in a is in on is a on a is (1) A of a on of in us to of (2) of of is to of h.(h 202 ,is as is to of to is on If is on . (3) a of of a of of (4) of of of of (5) on of of to of 录 I 目 录 1 绪 论 . 1 棚支护设计研究的意义 . 1 棚支护在隧道支护过程中的作用 . 1 棚支护设计的原理 . 1 课题研究领域国内外的研究动态 . 1 棚预支护的应用实例 . 3 棚支护计算程序设计的研究背景及其意义 . 4 文研究的主要内容和技术路线 . 5 文的研究内容 . 5 文的技术路线 . 5 章小结 . 6 2 管棚预支护设计 . 7 支护技术 . 7 棚支护的用途 . 9 棚的超前支护分类 . 11 棚的形状 . 12 棚的施工方法 . 13 棚支护的设计方法 . 13 棚的适用条件 . 14 棚支护参数的设计 . 14 向墙的设计 . 17 章小结 . 21 3 管棚作用特性判别和分析 . 22 棚预支护原理分析 . 22 棚支护结构的特点 . 22 棚支护作用原理分析 . 23 棚受力荷载的确定 . 23 棚结构力学模型的建立 . 24 本观点 . 24 学模型建立基本假定 . 25 性地基梁模型 . 25 目 录 隧道开挖过程中管棚受力力学模型的建立 . 28 性地基模型上管棚挠度方程的求解 . 29 道掌子面的稳定判断 . 32 坡稳定原理分析 . 33 管棚作用下的掌子面稳定分析 . 35 棚作用下的掌子面稳定分析 . 36 章小结 . 36 4 计算程序整体框架设计 . 38 序设计语言简介 . 38 棚设 计遵循的原则 . 39 棚支护设计程序设计 . 39 棚受力挠度的计算程序编制 . 39 道掌子面稳定计 算程序的编制 . 41 棚支护设计流程图 . 42 棚的设计方法 . 44 序计算功能的实现 . 45 棚支护设计计算程序的计算机配置 . 45 统的组成部分 . 45 算程序运行的界面 . 46 序计算功能的实现 . 48 度计算及其分析。 . 49 棚支护参数对对管棚工作状态的影响 . 51 章小结 . 53 5 结论与展望 . 54 要结论 . 54 望 . 54 致 谢 . 56 参考文献 . 57 附 录 . 61 管棚支护设计计算源程序 . 62 1 绪 论 1 1 绪 论 棚支护设计研究的意义 棚支护在隧道支护过程中的作用 现在工程的预加固措施很多，超前加固方法主要 有 工作面深孔注浆、小导管超前预注浆等，预支护手段主要有工作面超前锚杆、水平旋喷 法 和管棚等 。 管棚工法是隧道开挖过程中用以防止掌 子面坍塌并限制围岩变形的一种预支护手段 ， 其主要原理是 在 隧道开挖之前，沿着隧道开挖轮廓线外的 一 定部位铺设钢管，并可以通过钢管的注浆孔向围岩 内进行 注浆， 起到 对管棚周围的围岩进行加固 的作用 ，使管棚成为隧道后续开挖的防护伞（棚），达到安全施工的目的。当隧道穿越破碎带、松散带、软弱地层 和 涌水、涌砂等地段时，管棚及其超前注浆对隧道的稳定起到了重要的作用。管棚作为隧道顶部和边墙的超前预支护，可以有效防止掌子面的坍塌及地层的过量变位，为隧道开挖提供安全保障。同时，管棚施工快，安全性高，被认为是隧道施工中预防冒顶事故的最有效 、最合理的辅助措施之一。现在管棚支护主要应用在隧道进、出口浅埋段，断层破碎带，裂隙发育带区段，地铁车站，大跨度地铁渡线区间隧道，一些大跨度公路隧道，对施工沉降有特殊要求的下穿工程以及对环境要求严格的城市浅埋隧道工程。 棚支护设计的 原理 管棚支护虽然在地下工程的实践中已得到广泛应用，尤其是 在 软弱地层以及浅埋、大跨度地段，但非常遗憾的是，目前的设计还主要依赖于工程类比，即使采用了各种计算分析方法，大多数也 只是 停留在定性 分析与 研究的基础上，其根本原因是对管棚支护系统的工作机理 没有 完全认识清楚。通常可以 将管棚原理归纳为以下 3 个 方面： （ 1） 加固岩体法，即采用连续介质力学的方法将管棚及其注浆围岩简化为加固岩体进行近似计算； （ 2） 荷载 将管棚的作用近似简化为梁，按照结构力学的方法计算； （ 3） 棚架原理， 即 将管棚、格栅和注浆体现为支护体系，并借助动态开挖的观点来计算管棚支护体系的整体效果。 课题 研究领域 国内外的研究动态 对采用管棚加固后的掌子面的稳定性利用小比例模西安科技大学硕士学位论文 2 型试验和三维数值模拟手段进行了研究，重点是研究 围岩 加固参数对掌子面位 移特性的影响，研究表明，管棚加固后不仅可以有效减小掌子面变形，也可有效降低地表沉降。 对用于隧道掌子面加固土钉的轴向刚度进行了系统的参数研究，主要采用弹塑性耦合固结有限元，研究认为提高土钉轴向刚度，掌子面的稳定性也可提高，对于给定的土钉密度，存在一个最优的轴向刚度。作者认为土钉在隧道开挖时可降低应力释放率、产生屈服的土体量以及超孔隙水压力的产生。 以上主要采用锚固体理论，用提高支护结构周围土体参数的方法近似模拟管棚的功能，可以近似反映管棚本身以及管棚注浆后形 成的注浆体对土体的加固效果，却无法知道土体特性的提高程度，对于该方法的验证也缺乏有效地评价方法和标准。 杨晓杰，邓飞皇 3等对广州地铁体育西路站双线交汇处暗挖段放坡支护引起的稳定性问题，采用 序对土层注浆、管棚超前支护和锚喷支护等方案施工引起的力学行为进行了分析，在模拟中，土体采用实体单元，破坏准则采用摩尔 棚采用管单元进行模拟，作者认为，管棚由于承担了隧道上部一号线的重力荷载阻止了周围岩体的沉降倾斜变形。 许三平 4针对广深市郊客运线铁路下穿既有高等级公路顶管法施工中管棚进行非线性 空间模拟计算，对管棚周围 600土体采用实体单元模拟，管棚按梁单元进行模拟，对管棚中间 泥砂浆作用则采用等效刚度原则进行换算。 以上方法采用实体单元模拟土体，管棚对土体的加固作用用梁（杆）单元模拟，可以考虑多种因素，尤其是管棚对土体的加固作用。然而由于单元划分精度的要求，体系总体模型的单元参数和节点数很大，建立模型 需要 耗费大量的时间，模型求解时间长，土体单元和梁单元之间的位移协调问题和如何处理也比较困难。 等介绍管幕工法的开发情况，并提出了设计方法。由于管幕之间相互 连接，作者认为传统的幕结构作为单个的不连续梁设计，是不经济的，作者在理论分析方法基础上，提出了设计方法。 吴维 6对 我国 20 世纪 90 年代初期 以前的一些应用管棚的工程进行了总结 ， 提出管棚按直径和是否注浆进行分类 ， 并依据梁理论对管棚的主要设计参数 (钢管直径，长度，间距，仰角、水平搭接长度、钢架间距等 )提出了一些建议。 张川 、 杨春满 、 左永江 7通过对管棚的几何关系和承受的地压分析，对管棚的受力状态假定在巷道掘进过程中管棚两端始终固定，管棚视作承受均布荷载的两端固定梁结构，对不同工程条件和地质条件下的管棚长度、 管径、间距、仰角和掘进步距等施工参数进行了计算。 叶超明 8结合拾荷隧道下穿广梅汕铁路段的设计和施工，对长管棚的受力作了简要的理论分析，他认为长管棚的注浆主要是加固围岩的整体性和稳定性，在施工中起到减震抗压的作用，在纵向，长管棚与闭合拱架结合，形成了小跨度的短梁，跨度不超过 1m，1 绪 论 3 长管棚和支护结构类似悬臂梁或简支梁抵抗围岩压力，防治围岩坍塌。 张川 9等人将管棚视为承受均布荷载的两端固定梁结构，通过对管棚的几何分析和承受地压的分析与计算，为隧道工程管棚超前支护工艺参数设计与施工提供了理论依据以上方法时把管 棚视作两端固定的梁，不考虑土体的作用，显然，与当前工程实际施作过程差别太大，因为在隧道施工过程中，管棚作用的体现主要是开挖阶段，而此时管棚受下部支护和土体的约束，其内力和变形是与支护结构和土体相关联的。 常艄东 10在总结现场检测资料和前人计算模型的基础上，对管棚机理进行了研究。对于管棚的受力机理采用弹性地基梁模型，弹性地基梁模型能够较好的模拟隧道开挖条件下的管棚受力特性。在管棚超前预支护作用下，隧道的开挖过程等价于管棚与隧道洞室及围岩相互作用的力学模型的不断移动，因此，隧道开挖过程的分析重点是力学模型的 分析。 赵建平 11、苟德明 12等采用双参数弹性地基梁理论对管棚受力机理进行了研究 ， 分析在工况转换工程中，尤其是开挖应力释放阶段，管棚支护体系的受力转换及其工作特征，实现了管棚法的量化计算。 棚 预支护的应用实例 管棚预支护的技术最早起源于 20 世纪 70 年代，当时比利时在修建安特卫普地铁车站 13，将一系列直径为 石棉水泥管段沿水平方向推进地层，然后开挖管内土体，绑扎钢筋并浇筑混凝土，形成一系列的钢筋混凝土梁，为后续开挖施工提供了良好的保护作用，这一技术成为 “ 术 14” 。管棚支护技术产生以后，在欧美和日本以及其他国家得到迅速的发展和应用，其布置形式和施工方法也得到了快速的发展 15日本曾在许多位于国道下的隧道洞口段，采用管棚预支护技术来控制地表沉降，使其沉陷位于允许范围之内，保证了国道的正常运行。原苏联在修建贝阿铁路北穆隧道通过断层破碎带时，也采用了管棚预支护，并对钢管的受力作用进行了理论研究和模拟实验，提出了管棚支护的设计参数。美国首例管棚法施工项目是加利福尼亚 程公司在科罗纳奥克街高速公路下面采用 200棚的横穿隧道项目。美国首都华盛顿隧道，在没有地表通道，不影响开挖的条件下，采用水平定向钻进技术对隧道周围土层进行了大管棚超前预支护，安全通过了名胜古迹下方。在 1996 年，韩国仁川地铁在汉城 仁川公路的一出口出采用 815厚 16韩国最大管棚支护结构通过高速公路。 管棚预支护技术自从 20 世纪 80 年代引入后，很快在山岭隧道、软弱地层、大断面隧道、穿越既有公路、铁路以及建筑隧道中得到了广泛的应用和发展 20在我国，管棚预支护技术首先应用 于山岭隧道施工过程中，并在穿越破碎带、松散带、软弱地层、涌水、涌砂等软弱围岩隧道中发挥了非常重要的作用。在 1986 年，衡广复线南岭隧道西安科技大学硕士学位论文 4 岩溶泥流地段，采用高压劈裂注浆进行加固，然后打设一定的管棚 ， 管棚采用 108 缝钢管，并在钢管内放置 4 根 16 钢筋制作成的钢筋笼。 1986 年，在重庆 “ 八一 ” 隧道一次性打设 62 根 40m 长、 108 棚穿越北端 40m 长岩土堆积物地层。 1992 年，中梁山隧道分别采用注浆小管棚和长管棚通过煤系地层和 层破碎带。随着我国地铁建设的蓬勃发展，管棚法以其显著 的 优势在地铁中得到了广泛的应用。采用管棚法的典型地铁工程实例有北京地铁西单线、北京长安街地下人行通道、南京地铁一号线珠江路 棚法在这些工程中的实际应用，不仅保证了掘进的施工安全，而且有效地控制了地表沉降， 同时 也满足了 保护 环境的需要。管棚法也可用于穿越既有建筑物、公路、铁路等对地下 施工沉降有特殊要求的工程，如常吉高速公路土江冲隧道、渝怀铁路武隆隧道等。 管棚预支护不仅能够改善围岩的内部环境，而且施工快、安全性高、工期短，被认为是隧道施工中解决冒顶最有效、最合理的施工方法之一。随着我国基础设施建设的深入发展，管棚法已经在山岭隧道、城市地铁、下穿既有建筑物等施工中得到了越来越广泛的应用，其技术也日趋成熟。 棚支护计算程序设计的研究背景及其意义 近年来，国内外的专家学者对管棚预支护体系进行了大量的研究 29然而由于地下结构的设计受到各种复杂因素的影响，管棚预支护各种工 法设计仍然处于凭借工程经验的工程类比，查表选取开挖、支护参数的定性阶段。正如 38,39所言：“对地层预支护的真实作用机理以及建立在科学依据上的简化设计理论和方法几乎还没有进行研究”。因此，通过对管棚预支护体系的力学机理的研究，使广大的工程技术人员在隧道工程中运用管棚预支护方法时能做到知其然并知其所以然，从而更好地指导复杂条件下隧道的施工，更好地控制工程成本，缩短隧道工程的工期，控制复杂条件下隧道的施工质量，具有重要的现实意义。 目前，管棚工法设计在很大程度上都依赖于数量繁多的经验数据和经验公 式，即使采用锚固岩体法的计算或等效梁法等，也仅 能 起 到 定性说明的作用 40。管棚分析理论主要有 3 种：将管棚作为静定简支梁或超静定梁的梁理论、基于 基模型的弹性地基粱理论和壳体理论 41。在数值模拟方面主要采用二维有限元法、快速拉格朗日有限差分法（ 42。根据土与基础的相互作用理论，建立了基于 性地基梁 参数模型的管棚支护结构与围岩相互作用模型，分析了在隧道开挖工况转换过程中，尤其是开挖应力释放阶 段，管棚支护体系的受力转换及其工作特征，实现了管棚法的量化计算，进而为实现管棚工法的计算机程序 设计 打下基础。通过对管棚支护的计算机程序 设计 可以使得管棚的设计更加准确、快速，减轻技术人员繁琐的计算工作，使得管棚的应用更有效、更经济、更广泛，因而具有重要的意1 绪 论 5 义 。 文 研究 的主要 内容 和技术路线 文的研究内容 管棚工法的设计主要依赖于工程经验和类比，即使采用锚固岩体法的计算或是等效梁法等， 也 仅起 到 定性说明的作用，为此现阶段的研究重点就是要逐步实现管棚工法的量化计算，其前提时要分析清楚在工况转换 过程中，管棚支护体系的受力转换及其工作特征，尤其是开挖应力 的 释放阶段和拆撑施作二衬工程 阶段 。 本课题的主要研究内容如下： （ 1） 管棚受力力学计算模型 ； （ 2） 管棚受力荷载的确定 ； （ 3） 隧道掌子面稳定判断 ； （ 4） 充分考虑地质条件、作用荷载、管棚的直径、管间距、管长等影响因素，对管棚支护编制出一套计算机 计算 设计 程序。 文的 技术路线 本文研究的技术路线如图 。 图 文研究的技术路线图 管棚支护设计的计算机程序开发 管棚作用机理 管棚支护设计系统 管棚受力荷载确定 管棚力学模型的建立及公式推导 管棚设计的依据 设计模型的建立及各设计参数的确定 理论体系的建立 验证理论 西安科技大学硕士学位论文 6 章小结 （ 1） 目前管棚支护计算 程序设计中存在的问题有：一是管棚计算荷载的确定；二是管棚支护计算模型的确定；三是管棚支护参数对管棚工作状态的影响。 （ 2） 论文依据前人研究的基础上，对管棚的受力荷载和计算模型进行分析，得到管棚的挠度、转角、弯矩公式，并利 用 言对其进行计算程序的编制，通过程序对影响管棚支护效果的参数进行进一步分析和优化，得到较为经济和合理的管棚参数。 2 管棚预支护设计 7 2 管棚 预 支护设计 支护技术 预支护加固技术 是 指在隧道开挖前，往开挖面前方的地层中打入钢管、锚杆 或者 采用 冷冻、注浆等措施，使隧道横断面形成一个拱形的连续体 ，使其可以加固开挖面前方的地层，同时利用其支撑力来保持围岩的稳定性，减小地表的沉降量。 根据加固措施对周围地层的特性和应力分布 的 影响，预支护技术可以分为地层改良法和预支护法。地层改良法包括注浆、排水、加固土壤等，它主要是通过提高开挖面周围土的特性 从而达到加强围岩自稳能力的 一种加固方法。预支护法则是在开挖隧道之前，先对围岩进行加固，以增强围岩的自稳能力，使开挖面附近的应力干扰达到最小的一种方法。在隧道施工中， 超前预支护方法 主要有小导管超前注浆法、超前锚杆法、水平旋喷注浆法、冷冻法、管棚工法等。 （ 1） 小导管超 前注浆法 超前小导管法是沿着隧道开挖轮廓线向外将管壁带孔的小导管打入地层中，并以一定压力向管内压注具有固化作用的浆液，使围岩形成注浆的固体，小导管自身起加筋作用，既可以提高围岩的整体性，也可以封堵地下水。它适用于砂土层、砂卵石层、断层破碎带、软弱围岩浅埋段等地段。 小导管的加固原理主要体现在以下方面： 锚杆作用。小导管的锚杆作用原理主要有连接原理、组合原理和整体加固原理三种。 浆液通道原理。小导管注浆时，注入围岩的浆液通过小导管上的注浆孔均匀地渗入到围岩中，小导管充当了浆液通道的作用。 （ 2） 超前锚杆法 锚杆是隧道施工中应用非常广泛的一种支护手段。锚杆的作用主要有：悬吊作用：由于隧道围岩被节理、裂隙、断层等切割，开挖爆破能引起局部失稳，采用锚杆则可以将不稳定的岩块体悬吊在稳定的岩体上。组合梁作用：在倾角小的层状岩体中，锚杆能使岩层结合紧密，形成组合梁结构，可以提高围岩稳定性。加固作用：软弱围岩开挖后，在坑道周边设置锚杆并向围岩施加径向压力，使其形成承载拱，可以减少围岩变形，提高围岩稳定性。 （ 3） 水平旋喷法 高压喷射注浆技术 是 20 世纪 60 年代由日本日产冷冻有限公司开发的一种加固松软土体的技术。该技术采用钻 机先钻进土层的预定位置，由钻杆一端安装的喷嘴把水泥浆西安科技大学硕士 学位 论文 8 液高压喷出，以喷射流切割搅动土体。同时，钻杆边旋转边提升，使土体与水泥浆混合加固，从而造成一个均匀的圆柱状水泥加土固体，以达到加固地基和止水防渗的目的。它适用于砂类土、粘性土、黄土和人工填土等地层。 （ 4） 冷冻法 地层冷冻法是一项加固含水地层的特殊工法。其施工过程是：在拟建地下构筑物周围地层中安装冷冻管，并在冷冻管内循环低温液体或气体，使冷冻管周围的含水地层逐步结冰，形成冻土帷幕，然后在冻土帷幕包围中安全进行地下构筑物的施工。冷冻法主要适用于含水地层，尤其 适用于流沙、淤泥等极不稳定地层。 冷冻法的优点是：适应性强。适用于各种复杂地质条件及水文条件下的任何含水层的加固。支护结构灵活，易控制。可以根据不同的地质条件、环境及场地条件灵活布置冷冻孔，调节冷媒剂的温度，从而获得高质量的冻土帷幕。隔水性好。环境影响小。材料是土体本身，对地下水及周围环境无污染。冷冻法施工的缺点是：造价昂贵，工期长，后期混凝土结构施作困难，解冻后对地层及结构影响大 。 （ 5） 预衬砌法 预衬砌法是隧道在开挖掌子面之前，先用锯割机械沿隧道的拱背线切割出一个厚度为 20 50拱形槽，在切割的同 时填充混凝土，使其形成一个连续的拱壳，通常纵向长为 5m。预衬砌法适用于粘结力较小的软弱地层的大断面隧道、覆盖层较薄的隧道，以及对地表位移有严格控制要求的埋置较深的隧道。 （ 6） 管棚工法 管棚工法是一种长距离超前支护方法，具有超前距离长，刚度较大，适用于开挖面不能自稳、含水的地层。 其 具有 控制地表沉降、防渗止水的效果较好等突出优点。 管棚法与其他预支护方法相比，具有以下优点： 一次施作长度长，施工效率高。 钢管长度长、刚度大、承载能力强，可用于塌方段处理等较为困难的工程。 若采用非开挖技术 （ 非开挖 技术是指利用岩土钻掘手段在地表不挖沟的情况下，铺设、修复和更换地下管线的施工技术 。 ） ，可解决普通地质钻机施工中存在管棚方向控制难的问题，管棚方向控制精度可以提高，大大扩展了 其适用的 领域。 相对于冷冻法等辅助工法，管棚造价低。 此外管棚预支护还具有安全可靠、工期短、效率高、支护效果好、经济和社会效益明显等优点 。 基于以上特点，管棚工法已成为在地下工程领域应用非常广泛的一种超前预支护手段。 以上预支护加固方法的使用，应视围岩工程水文地质条件、环保要求、经济条件等2 管棚预支护设计 9 具体情况而定，并尽量与常规施工方法结合，进行充分 的技术经济比较，选择其中一种或几种方法结合使用。表 出了各种隧道预加固法的作用 和 适 用条件。 表 道预支护加固法一览表 预支护加固法 作用 适用 条件 使用材料 控制地表下沉 拱顶稳定 开挖面稳定 固结止水