管棚支护浅埋隧道稳定性分析与实例研究
摘要：管棚系统作为支护体系广泛应用于浅埋隧道之中，管棚的直径有很多种，其中小直径管棚和小间距钢格栅在中国应用最广泛。管棚系统的稳定性机制是棚架系统，在该棚架系统中，管棚的功能是在导管之间的上覆土层中形成微土拱，并传递开挖荷载，其中钢格栅是主要的轴承结构。为了形成棚架系统效应，应同时满足三个稳定性，即管间土层的稳定性，隧道工作面的稳定性和隧道地基的稳定性。我们在此基础上，对我国天横山公路隧道和海德公路隧道的塌方事故进行了分析。结果表明，隧道地基的稳定性容易被忽视，从而导致隧道整体垮塌。最后，我们提出了提高该系统稳定性的措施。
关键词：浅埋隧道，稳定性分析，小直径管棚，管棚系统。
1 引言
近年来，随着城市化的快速发展，中国出现了许多浅埋隧道。与深埋隧道相比，浅埋隧道有可能会引起更严重的地层变形和地面沉降，从而影响到隧道的施工和周围环境的安全。考虑到经济性和隧道横断面形状的多样性，浅埋隧道广泛采用了新奥法（NATM）来避免对周围环境可能造成的不利影响(Hisatake and Ohno 2008)，并且已经开发了几种预加固方法 (Sasaki et al. 2001)，其中管棚支护法是应用最广泛和最有效的方法之一(e.g., Zhou 2005;Volkmann and Schubert 2006; Wang et al. 2009; Y uet al. 2016)。但是，不同地区采用的管棚的直径差异很大，有些地区使用大直径管棚，有些地区使用的相对较小(Zhou 2005)。在中国，小直径管棚（小于300毫米）和小间距钢格栅应用广泛并取得了较好的效果。但是该管棚系统的稳定机制尚不明确，如果在建造中使用不当，可能会发生事故。
对于管棚支护，已经进行了许多研究，包括稳定性机制(e.g.,Hisatake and Ohno 2008; Ibrahim 2008; Zhong 2007;Xiao et al. 2016)和稳定性分析方法(e.g., Wang et al. 2009; Shi et al. 2014; Hasanpour et al. 2012)，实验室测试法和数值模拟法是研究稳定机理的主要研究手段。Lunardi等人指出管棚的预注浆加固可以减少隧道顶部的塑性应变，从而减少隧道衬砌载荷并增加工作面的稳定性(1992)。Kamata和Mashimo指出，通过一系列的离心试验，工作面锚杆支护与超前支护可以有效地减少被破坏区域的面积(2003)。Shin等人进行了大规模的模型试验(2008)，并获得了与Lunardi等人几乎相同的结果(1992)。Hisatake和Ohno开发了可以在计算机程序控制的离心模型试验中开挖隧道的开挖机器人(2008)，模型试验表明，与没有管棚支护相比，有支护可以有效地控制地面沉降。Ibrahim指出，通过使用Istanbul Metro中的管棚支护可以有效地控制地面沉降(2008)。Xiao等人制作了浅埋偏压隧道的三维数值模型来研究管棚支护的力学行为(2016)，分析表明，管棚支护可以有效降低隧道支护构件之间的应力集中，提高隧道施工期间的安全性。Shi等人通过案例分析，表示管棚和预注浆可以有效地提高隧道的稳定系数(2014)。
关于分析方法，Peila进行了三维有限元分析方法，研究了管棚支护对隧道工作面稳定性的影响(1994)。Yoo研究了在隧道工作面变形时管棚的参数，并提出存在一个最佳的加固布置方案(2002)。Wang等人提出了一种基于Pasternak弹性地基梁理论的管棚加固分析方法(2009)，结果表明，管棚可以使更多的纵向荷载传递到未开挖区域，减少地面沉降，提高工作面稳定性。Dong等人提出了一种基于Winkler弹性地基模型且地基模量不连续的解析方法(2006)，结果表明，管棚的作用根据主支撑管棚的相对刚度比可分为承载载荷和传递载荷两种。尽管对管棚支护的研究很多，但大多的重点主要放在加固效果上，管棚直径的选择和配套的支护体系很少有人进行研究。因此，本研究提出了小直径管棚和小间距钢格栅的管棚系统稳定机制和分析方法，根据管棚系统的稳定性理论，结合两次隧道倒塌案例，提出了施工的改进措施，可为类似工程提供指导。
2 理论分析
1.如图1所示，在中国的许多浅埋隧道中使用的小直径管棚支护总是会伴随着一系列小间距钢格栅。
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