浅埋黄土隧道超前支护数值模拟及围岩结构变形规律分析.pdf

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浅埋黄土隧道超前支护数值模拟及围岩结构
变形规律分析
冉 弥，周 科
（四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610017）
［摘要］文章依托甘肃平天高速徐家城隧道，采用数值模拟方法，对浅埋黄土隧道在不同超前支护
方式下围岩位移、应力及塑性区的变化规律进行研究，对比分析超前管棚和超前小导管对围岩变形的控
制效果。研究结果表明：超前管棚对围岩变形和围岩应力的控制效果更为明显，采用超前管棚和超前管
%、%，控制效果较为接近，综合考虑经济效益和时
间成本，采用超前管棚支护为最佳支护方式。隧道开挖完成后，塑性区最大值集中于拱腰至拱脚部位，
容易发生塑性变形，在施工过程中应尽快完成仰拱的支护工作，及时闭合成环。
［关键词］浅埋隧道；黄土隧道；围岩变形；超前支护；数值模拟
［中图分类号］U455 ［文献标识码］A ［文章编号］1001-554X（2025）11-0237-05
Numerical simulation of advanced support and analysis of surrounding rock
structure deformation law in a shallow loess tunnel
RAN Mi，ZHOU Ke
黄土在我国分布广泛。随着交通事业的发 水压力的变化规律［3］；陈家征等采用FLAC 3D有
展，我国已在黄土地区修建了大量的隧道。由于黄 限差分软件分析了岩质隧道洞口浅埋偏压段在不同
土具有孔隙率大、垂直节理发育、遇水易崩解等特 超前支护方式下的变形规律，得到了最优的超前支
性，黄土隧道在开挖过程中，存在自稳能力弱、变 护方案［4］。
形速度快、持续变形时间长等一系列问题。隧道洞 文章基于已有研究成果，依托甘肃平天高速
口段地质条件更为复杂，因此黄土隧道洞口浅埋段 徐家城隧道，采用数值模拟方法对比分析不同超前
的建设难度更高。 支护方式下浅埋黄土隧道围岩位移、应力及塑性区
超前支护不但可以有效加固围岩，还可以形 的变化规律，研究超前管棚和超前小导管对围岩变
成梁结构，防止围岩过度变形，提高隧道掌子面稳 形的控制效果。研究结果发现：超前管棚支护可以
定性，是确保浅埋黄土隧道安全进洞的关键环节。 有效降低围岩变形和围岩应力，减小塑性区范围，
因此，研究超前支护对浅埋黄土隧道围岩变形的控 对浅埋黄土隧道围岩变形起到良好的控制效果。
制效果，对黄土地区隧道设计与施工具有重要的指
1 工程概况
导意义。
宋战平等采用数值模拟方法研究了超前管棚 工程地质概况
支护对隧道洞口段围岩变形及塑性区分布的影响， 徐家城隧道是平凉至绵阳国家高速公路
发现超前管棚可以减小掌子面挤出变形和围岩塑性
区范围［1］；王强等通过数值模拟和现场监测发现
DOI:.
超前管棚可以节省施工费用和时间，有效控制拱顶 ［收稿日期］2024-10-19
［2］
围岩变形 ；罗燕平等通过数值模拟和现场监测 ［作者简介］冉弥（1984—），男，高级工程师，硕士。
研究了不同隧道埋深下围岩变形、塑性区以及孔隙 E-mail：******@
CONSTRUCTION MACHINERY 237
设计计算
DESIGN & CALCULATION
（G8513）平凉至天水段上的1座黄土隧道，为 ZK142+220为研究对象，采用Midas GTS NX有限
双洞双向4车道隧道，左幅长475 m（起讫桩号 元软件建立数值模型。为消除边界效应，隧道上部
ZK142+170—ZK142+645），右幅长467 m（起讫 取实际埋深23 m，隧道下部及左右两侧各取5倍洞
桩号K142+193—K142+660），最大埋深仅67 m。 径，沿隧道轴线开挖方向取30 m，最终模型尺寸为
隧址区属于黄土梁峁地貌，地形切割严重， 长×宽×高=110 m×30 m×80 m，如图3所示。
起伏剧烈，沟谷岸坡陡峻。隧址区主要地层岩性
eol
为第四系上更新统风积马兰黄土（Q3 ）、卵石土
al+pl
（Q3 ）和第三系（N1）泥岩。隧道全长穿越马
兰黄土，均为V级。马兰黄土呈硬塑状态，松软结
构，大孔发育，具垂直节理，见钙质条纹及针孔，
行车道中线
含少量钙质结核或砾石。下伏基岩为泥岩，砖红 隧道中线
色，泥质结构、块状构造，成岩性较差。黄土与基
岩之间为卵石土夹层，灰褐色，密实，级配较好。 设计标高 2%
设计方案
该隧道洞口浅埋段采用复合式衬砌，由初期
支护、防水层及二次衬砌组成。超前支护采用大 图2 超前小导管布设横断面图
管棚或小导管超前支护措施。洞口第1环超前支护
采用Φ108 mm大管棚，壁厚6 mm，长30 m，环向
m，每环布置35根，并采用纯水泥浆注浆
加固，超前管棚横断面布置图如图1所示。浅埋段
超前小导管采用Φ42 mm的热轧无缝钢管，
mm， m，外插角10°，环向间距30 cm，超
80 m
前小导管横断面布置图如图2所示。采用台阶法进
行开挖。 110 m
30 m
图3 三维数值模型
土层采用摩尔—库伦本构模型，实体单元进
行模拟，初期支护采用板单元，二次衬砌和管棚加
行车道中线
隧道中线 固区采用弹性实体单元，管棚采用梁单元，超前小
导管采用植入式桁架进行模拟。边界条件方面，除
模型顶部设置为自由边界，其余方向均施加法向约
设计标高 2%
束边界，分析超前管棚和超前小导管对围岩变形规
律的影响，共设置4种工况，分别为无支护措施、
图1 超前管棚布设横断面图 采用超前管棚、超前小导管、超前管棚+超前小导
管。采用超前管棚和超前小导管的支护模型分别如
2 数值模拟 图4和图5所示。
模型参数的确定
模型建立
根据《公路隧道设计规范》（JTG —
根据隧道详勘报告提供的围岩参数及隧道
2018），结合当地勘测报告，综合确定模型地层的
埋深条件，选择先行洞洞口浅埋段ZK142+190-
238 建筑机械
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相关物理力学参数，如表1所示，支护结构力学参 3 模拟结果分析
数如表2所示［5］。
围岩位移分析
无超前支护与采用超前管棚加超前小导管支
护下，围岩的竖向位移和水平位移云图分别如图6
和图7所示。由图中可以看出，无超前支护下，隧
道开挖拱顶沉降和水平收敛均为最大，且影响范围
图4 超前管棚支护模型
a 无超前支护
图5 超前小导管支护模型
表1 土层物理力学参数
重度 弹性模量 黏聚力 内摩擦 b 超前管棚加超前小导管支护
土层 3 泊松比
/（kN/m ） /MPa /kPa 角/° 图6 不同支护方式下围岩竖向位移云图
马兰
18 52 18 27
黄土
密实卵
23 90 10 38
石土
强风化
21 87 65 18
泥岩
表2 支护结构物理力学参数
支护 重度 弹性模量 黏聚力 内摩擦
3 泊松比
结构 /（kN/m ） /GPa /kPa 角/° a 无超前支护
管棚加
23 200 45
固区
初期
22 26 - -
支护
二次
25 30 - -
衬砌
管棚 210 - -
超前小
210 - -
导管 b 超前管棚加超前小导管支护
锚杆 210 - - 图7 不同支护方式下围岩水平位移云图
CONSTRUCTION MACHINERY 239
设计计算
DESIGN & CALCULATION
和变化值也很大。采用超前管棚加超前小导管支护 效果非常明显。其中，超前小导管由于管径较小，
下，围岩竖向位移和水平位移均发生明显减小，对 注浆压力较小，管体长度有限，故在单独使用时对
围岩竖向位移和水平位移起到了良好的控制效果。 围岩的加固效果有限［6］。超前管棚和超前管棚加
为了更直观地对比分析不同支护措施下对围 超前小导管能有效控制围岩变形，且控制效果较为
岩变形的控制效果，提取Y=15 m断面拱顶沉降和 接近。因此，综合考虑经济效益和时间成本，黄土
水平收敛随施工步骤的变化曲线，分别如图8和图9 隧道洞口段开挖时采用超前管棚支护为最佳支护方
所示。 式，当地质条件较差或需要较大支护强度可采用超
前管棚加超前小导管进行支护。
O 无超前支护
超前小导管
超前管棚 400
超前管棚加超前小导管 拱顶沉降
350
-100 水平收敛
地表沉降
300
-200 250
拱顶沉降/mm
200
-300
围岩变形/mm 150
100
O 10 20 30 40
施工步骤 50

0
图8 拱顶沉降随施工步骤的变化曲线 无超前支护 超前小导管 超前管棚 超前管棚 加超前小导管
支护方式
O 无超前支护 图10 不同支护方式下围岩变形对比图
超前小导管
超前管棚 围岩应力分析
-10 超前管棚加超前小导管
提取不同支护方式下，Y=15 m断面处隧道拱
顶、拱腰、拱脚的围岩应力进行分析，分别如表3
-20
水平收敛/mm 和表4所示。可以看出，相较于无超前支护措施，
-30 其他3种支护方式的围岩应力均发生一定减小。从
竖向围岩应力来看，采用超前小导管、超前管棚、
O 10 20 30 40 超前管棚加超前小导管时竖向围岩应力分别减小了
施工步骤
%、%、%；从水平围岩应力来看，采
图9 水平收敛随施工步骤的变化曲线
用超前小导管、超前管棚、超前管棚加超前小导管
4种支护方式下，隧道拱顶沉降、水平收敛和 %、%、%。
地表沉降的对比柱状图如图10所示。未进行超前 因此，在隧道洞口段施工时，采用超前管棚加超前
mm，围岩变形量过 小导管注浆加固对围岩应力的控制效果最好。
大；采用超期小导管、超前管棚、超前管棚加超前
表3 不同支护方式下隧道各部位竖向围岩应力表
mm、 应力/MPa
mm、 mm，相较于未采用超前支护分别减
无超前 超前 超前管棚加超
测点 超前管棚
%、%、%。水平收敛相较于未采 支护 小导管 前小导管
用超前支护，%、
拱顶 - - - -
%、%；地表沉降相较于未采用超前支
护，%、%、 拱腰 - - - -
%。 拱脚 - - - -
可以看出，采用超前支护对拱顶沉降的控制
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表4 不同支护方式下隧道各部位水平围岩应力表 及塑性区的变化规律进行对比分析，得出了超前管
应力/MPa 棚和超前小导管对围岩变形的控制效果。
无超前 超前 超前管棚加超
测点 超前管棚 （1）单独使用超前小导管对围岩变形的控制
支护 小导管 前小导管
效果有限，超前管棚对围岩变形的控制效果更为明
拱顶 - - - -
显。采用超前管棚和超前管棚加超前小导管支护
拱腰 - - - - 时，%、%，控制效
拱脚 - - - - 果较为接近。综合考虑经济效益和时间成本，采用
超前管棚支护为最佳支护方式。
围岩塑性区分析 （2）采用超前小导管、超前管棚、超前管
不同支护方式下围岩塑性区分布云图如图11 棚加超前小导管时，竖向围岩应力分别减小了
所示。由图11可知，无超前支护时围岩塑性区范围 %、%、%，水平围岩应力分别减小了
最大，且由于隧道开挖引起的应力释放，拱顶位置 %、%、%。在隧道洞口段施工时，采用
出现了一定的塑性区，其次分别为超前小导管、超 超前管棚加超前小导管注浆加固对围岩应力的控制
前管棚。超前管棚加超前小导管注浆加固时塑性区 效果最好。
范围最小，特别是对拱顶处塑性区的抑制效果最为 （3）超前支护可以有效减小围岩塑性区范
明显，这与不同支护方式下的围岩变形规律吻合， 围，且塑性区范围大小依次为无超前支护＞超前小
说明超前支护可以有效减小围岩塑性区范围。此 导管＞超前管棚＞超前管棚加超前小导管。隧道开
外，隧道开挖完成后，其塑性区最大值均集中于拱 挖完成后，塑性区最大值集中于拱腰至拱脚部位，
腰至拱脚部位，容易发生塑性变形。因此，在浅埋 容易发生塑性变形。因此，在施工过程中应尽快完
黄土隧道施工过程中应尽快完成仰拱的支护工作， 成仰拱的支护工作，及时闭合成环。
使其与拱部支护结构闭合成环，这样可以更好地分