既有低等級公路隧道超挖回填技術研究

梁冰

【摘 要】上世紀國內采用礦山法施工的低等級公路隧道，普遍存在著嚴重超挖現象，且無初期支護和二襯。近年來逐步對該類隧道進行加固改造，但因該類隧道通車時間已久，圍巖應力已調整并基本穩定，其超挖回填的技術與新建隧道不同。

【關鍵詞】既有；隧道；超挖；回填

Both low-grade highway tunnel excavation backfill technology research

Liang Bing

(Jinhua City Highway Administration Jinhua Zhejiang 321013)

【Abstract】Century domestic mining method using low-grade highway tunnel construction, the prevalence of severe overbreak phenomenon, and no initial support and two lining. In recent years, the gradual transformation of the class to reinforce the tunnel, but the tunnel opened to traffic time such a long time, rock stress has been adjusted and stable, its different overbreak backfill technology and the new tunnel.

【Key words】Both;Tunnels;Overbreak;Backfill

上世紀八十年代前國內施工的低等級公路隧道大多采用礦山法的開挖工藝，特別是在低等級公路上，施工中普遍存在嚴重的超挖現象，斷面大小不一，且大多數沒有進行初期支護和二襯，給正常運營帶來安全隱患。為保證運營安全，近年來逐步對該類隧道進行加固改造，但由于原有隧道超挖高度高，超欠挖部位也多種多樣，包括拱頂、拱側、側墻，存在著回填方案、施工工藝上的困難，且襯砌的具體方法及施工工藝上也存在經驗不足的問題。因此，為解決脫空部分回填的方法、減少偏壓的影響等，本文對既有低等級公路隧道回填及加固技術等問題進行研究。

1. 主要研究內容

1.1 超挖脫空部分回填的材料比選及主要技術指標研究。擬定四種不同材料：粉煤灰、橡膠顆粒、干砂、膨脹珍珠巖等進行技術性能指標的比選。包括：重度、彈性模量、泊桑比、摩擦角、粘結力等。

1.2 研究不同回填工藝、不同回填材料對二襯結構內力的影響。

（1）根據隧道超挖的不同狀態，研究與不同回填材料相適應的回填方法。

（2）根據既有隧道斷面形態，結合回填材料和施工順序，分析對二次襯砌混凝土結構的偏壓受力狀態，由此確定結構的荷載模式。

（3）從結構的受力以及材料的性能等方面對結構的安全性進行評價。當采用的回填施工方法不同時，襯砌在施工過程中承受的荷載將會有所不同，因此除了需要分析加固后隧道的長期安全性之外，尚需要根據不同的施工方法，驗算結構施工期間的安全性與穩定性。

1.3 經濟效益和社會效益分析。對隧道不同超挖情況的加固技術方案進行經濟比較，以達到節省工程造價和節能降耗的目的。

2. 分析研究

超挖回填施工的關鍵是在選定合適的回填材料后保證施工各階段的施工質量和施工安全。在進行超挖回填時由于襯砌遠未達到其設計強度，回填過程中不確定的偏壓荷載可能會對襯砌產生不利影響，并影響施工質量和施工安全。本文利用FLac3D有限差分計算軟件，模擬不同施工階段下襯砌在回填材料及圍巖作用下的受力情況，通過后處理得到襯砌的彎矩軸力等具體值，得出施工過程中偏壓荷載作用下的襯砌受力情況。本文分析具有代表性的兩種二襯形式（有仰拱和無仰拱）在三種超挖情況即偏壓荷載（拱頂超挖、邊墻超挖、拱頂和邊墻超挖）作用下，不同施工階段對襯砌結構內力的情況，根據計算結果做出安全性評價。

2.1 不同回填材料對隧道二次襯砌結構內力的影響。

（1）計算模型采用的參數如表1、表2。

表1 回填材料物理力學參數一覽表

回填材料 重度γ

（N/m3） 彈性模量

E（MPa） 泊松比

ν 內摩擦

角φ 黏聚力

c(MPa)

粉煤灰(二級) 10700～24000 30 0.4 20 0.2

干 砂（中砂） 19000～20500 40 0.27 37 0

膨脹珍珠巖 700～2500 40 0.3 38 0

橡膠顆粒

(4.5mm篩) 12500 35 0.3 35 0.35

表2 隧道圍巖參數一覽表

圍巖

等級 埋深

（m） 泊松

比μ 彈性模量

E（GPa） 重度γ

（KN/m3） 內摩擦

角φ 黏聚力

c(MPa)

Ⅲ 150 0.27 10 23 45 1.1

表3 計算參數一覽表

項 目 重度γ

(KN/m3) 彈性模量

E(MPa) 泊松

比μ 內摩擦

角φ 黏聚力

c(MPa)

干砂（中砂） 20 40 0.27 37 0

Ⅲ級圍巖 23 10000 0.27 45 1.1

（2）通過計算分析，得出以下結論：使用四種回填材料對超挖回填段進行回填后的隧道二次襯砌的安全系數均能滿足規范要求，不同回填材料下的安全系數差別比較明顯，其中使用膨脹珍珠巖的安全系數最大，而其后依次是橡膠顆粒、干砂和粉煤灰。

2.2 不同回填工藝對結構內力的影響。

（1）計算模型采用的參數如表3、表4。

（2）計算模型分為無仰拱二襯和有仰拱二襯兩類計算模型，其中每類模型有分為三種超挖回填偏壓形式，再考慮不同的回填方法后進行建模（超挖形式信息一覽表見表5）。

（3）綜合分析以上六種情況下的襯砌受力情況，得出（無仰拱二襯回填安全系數分析表見表6、有仰拱二襯回填安全系數表見表7）。

表4 二襯設計參數表

混凝土

強度等級 厚度

(cm) 抗壓強度

(MPa) 抗拉強度

(MPa) 泊松

比μ 彈性模

量(GPa)

C25 35 6.25 0.7 0.2 29.5

表5 超挖形式信息一覽表

部位形式 超挖形式一 超挖形式二 超挖形式三

邊墻拱部

對稱超挖 拱部對稱超挖 邊墻拱部

非對稱超挖

拱 頂 有 有 有

左拱腰 有 無 無

左邊墻 有 無 無

右拱腰 有 無 有

右邊墻 有 無 有

表6 無仰拱二襯回填安全系數分析表

部位超挖形式 超挖形式一 超挖形式二 超挖形式三

無仰拱 部位 無仰拱 部位 無仰拱 部位

回填至邊墻 85.72 拱腳 —— —— 90.02 墻腳

回填至拱腰 5.86 拱腳 —— —— 4.67 墻腳

回填至拱頂 2.93 拱頂 9.84 拱腰 8.04 拱腳

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表7 有仰拱二襯回填安全系數表

部位安全系數 超挖形式一 超挖形式二 超挖形式三

有仰拱 部位 有仰拱 部位 有仰拱 部位

回填至邊墻 —— —— —— —— 82.1 墻腳

回填至拱腰 2.6 墻中 —— —— 18.16 墻腳

回填至拱頂 9.74 拱頂 9.62 拱腰 7.21 墻腳

（4）通過計算分析，得出以下結論：總體上來說，在超挖形式一時，有仰拱二襯比無仰拱二砌安全系數更大，受力更合理；在超挖形式二和三時，兩種結構形式的二襯結構安全系數差別不大。

（5）具體來看，不論何種超挖形式，當回填至邊墻頂部時，襯砌所受荷載較小；當回填材料回填至拱腰時，襯砌所受內力明顯變大，并在邊墻處出現較大彎矩；當回填材料回填至拱頂時，在不同的超挖形式下，襯砌的受力情況不同，超挖形式一在拱頂截面處受力最不利，超挖形式二在拱腰襯砌截面處的受力最不利，超挖形式三在拱腰處截面處的受力最不利。

（6）所以，當回填材料回填至拱腰時，應確保邊墻支撐的穩定；當回填至拱頂時，在確保支撐穩定的同時要在襯砌強度達到足夠強度以后再進行拆模，以免襯砌受力變形過大或出現裂縫。

2.3 超挖范圍及回填工藝對結構內力影響。

（1）對于拱部超挖情況，當超挖高度＜10m時，采用干砂進行回填安全性滿足規范要求；當超挖高度在10m～14m時，采用干砂進行回填已不能滿足規范要求，若此時不改變二襯截面高度，為保證二襯安全性符合規范要求，建議使用膨脹珍珠巖進行回填。

（2）對于拱部及兩側超挖情況，當超挖高度＜4m時，采用干砂進行回填安全性滿足規范要求；當超挖高度在4～16m時，采用干砂進行回填已不能滿足規范要求，若此時不改變二襯截面高度，為保證二襯安全性符合規范要求，建議使用膨脹珍珠巖進行回填。

2.4 不同回填材料及施工工藝經濟性評價。

2.4.1 目前了解到的這四種回填材料的價格如表8。

表8 回填材料價格一覽表

材 料 折算價格

（元/m3） 材 料 折算價格

（元/m3）

粉煤灰(二級) 270 膨脹珍珠巖 300

干 砂（中砂） 100 橡膠顆粒

(4.5mm篩) 1120～1250

2.4.2 綜合前述內容，可以得出結論：

（1）對于單純拱部超挖情況，當超挖高度＜10m時，采用干砂進行回填既安全又經濟；當超挖高度≥10m時，采用干砂進行回填已不能滿足規范要求，為保證二襯安全性符合規范要求，建議使用膨脹珍珠巖進行回填。

（2）對于拱部及兩側超挖情況，當超挖高度＜4m時，采用干砂進行回填既安全又經濟；當超挖高度在4～16m時，采用干砂進行回填已不能滿足規范要求，為保證二襯安全性符合規范要求，建議使用膨脹珍珠巖進行回填。

3. 小 結

綜合分析以上計算結果，確定干砂為首選回填材料，當超挖高度較大，采用干砂進行回填二襯安全性不滿足要求時應采用膨脹珍珠巖進行回填，理由如下：

（1）經過計算，盡管干砂回填后的襯砌安全系數不如回填膨脹珍珠巖安全系數大，但是當超挖高度較小時，采用干砂回填后襯砌安全系數仍能滿足規范要求。

（2）幾種回填材料中，干砂的價格最低，使用它進行回填時經濟性更好。

（3）當超挖高度較大（單純拱部超挖≥10m或拱部及兩側超挖≥4m），存在大方量回填時，材料的重度影響二襯的安全性，采用膨脹珍珠巖更合理。

（4）在進行回填材料回填時，當回填材料回填至拱腰時，應確保支撐的穩定；當回填至拱頂時，在確保支撐穩定的同時要在襯砌強度達到足夠強度以后再進行拆模，以免襯砌受力變形過大或出現裂縫。

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