泡沫混凝土換填技術在隧道工程中的應用研究

項小偉

(浙江交工宏途交通建設有限公司，浙江 杭州 310051)

1 工程概況

某公路改建工程于K15+600～K15+840段穿越木山嶺，木山嶺為一南北走向的山體，最大高程約為190.6 m，中線最大高程約183.0 m，設計高程約為131.6～133.3 m，改建公路在此采用隧道形式穿越該山嶺，隧道中心里程為K15+720，全長為240 m。本隧道全部位于直線段上。隧道由進口至出口方向為0.7%的下坡，進口的路線設計標高為133.286 m，出口設計標高為131.606 m，隧道最大埋深約50 m。其中在K15+655～K15+680段處于斷裂破碎帶，該斷裂破碎帶中為斷層泥充填，呈粘性土狀，黃褐色夾灰白色，為泥質頁巖等在構造運動過程中擠壓破碎，可見少量泥質頁巖、硅質頁巖碎塊，圍巖較為破碎，采用換填法進行施工。本文便基于該段進行數值建模分析。

2 建立數值模型

本文利用ABAQUS有限元軟件建立隧道模型，由圖可知，隧道模型長(x軸)80 m，高(z軸)50 m，其中隧道直徑為6.0 m，隧道中心距離地表深度為15 m，沿隧道進深(y軸)取值為單位長度1。文中采用泡沫混凝土對隧道中心正上方土體進行換填，換填層寬度為12.0 m，換填層底部距離隧道中心5.0 m，其中模型網格均采用實體單元，除模型上表面外，其他各表面均施加位移約束。

在路基填筑中，換填高度對于減小路基表面沉降具有較大的影響，因此本文將換填高度分為0 m、1 m、2 m、3 m、4 m和5 m，以此得到隧道開挖地表沉降與換填高度的關系。同時，考慮到不同隧道開挖其地層損失率大小不同(地層損失率，即指盾構施工中實際開挖土體體積與竣工隧道體積之差)，為了分析不同地層損失率條件下最佳換填高度是否相同，如表1所示，考慮了地層損失率為1.0%、2.0%和3.0%時，不同換填高度條件下地表變形，共分為18個不同的計算工況，以此來研究不同泡沫混凝土換填深度以及不同的地層損失率對地表位移的影響。18個不同的地層損失率和換填深度工況條件具體如表1所示。

表1 18個不同的地層損失率和換填深度工況

本文目的是探討不同泡沫混凝土換填深度以及不同的地層損失率對地表位移的影響，因此不針對具體工程，土層厚度50 m范圍內分為3層，分別為粉質黏土、黏土、粉砂，高度分別為6 m、18 m和16 m，土體以及泡沫混凝土的具體參數如表2所示。

表2 土層及泡沫混凝土參數

3 數值結果分析

3.1 地層損失率為1.0%時地表位移分析

如圖1所示，為地層損失為1.0%時隧道地表位移云圖，由于篇幅有限，本節只提取未換填和換填深度為5 m的位移云圖進行分析。由圖1(a)可知，地層損失為1.0%且隧道上方土體未進行換填時，地表最大沉降出現在隧道正上方，且地表最大沉降為6.1 mm，從隧道頂部到地表沉降依次減小。如圖1(b)可以看到，隧道開挖以后，由于換填作用地表沉降略有減小，最大值為4.8 mm，從位移分布云圖可以看到，位移主要發生在隧道拱頂至換填土層下表面，由于換填作用，大大削減了拱頂沉降位移向上的傳遞。對比二者云圖可以看到，從換填土層開始至地表區域，位移云圖分布發生了較大的變化，可以明顯的觀察出由于換填土的存在出現了位移變化明顯交界面。

圖1 隧道開挖引起的地表位移(地層損失為1.0%)

3.2 地層損失率為2.0%時地表位移分析

圖2 隧道開挖引起的地表位移(地層損失為2.0%)

如圖2所示，為地層損失為2.0%時隧道地表位移云圖，由于篇幅有限，本節只提取未換填和換填深度為5 m的位移云圖進行分析。由圖2(a)可知，地層損失為2.0%且隧道上方土體未進行換填時，地表最大沉降表現出相似的規律，即出現在隧道正上方，且地表最大沉降為11.4 mm，從隧道頂部到地表沉降依次減小。如圖2(b)可以看到，隧道開挖以后，由于換填作用使得地表沉降大大減小，最大值僅為3.3 mm，從位移分布云圖可以看到，位移主要發生在隧道拱頂至換填土層下表面，由于換填作用，大大削減了拱頂沉降位移向上的傳遞。對比二者云圖可以明顯的觀察出由于換填土的存在出現了位移變化明顯交界面，將圖2與圖1對比可以發現，隨著底層損失率的提高，泡沫混凝土置換土體產生的效果得到了提升，或者說是隨著底層損失率的提高，置換效果更為明顯。

3.3 地層損失率為3.0%時地表位移分析

如圖3所示，為地層損失為3.0%時隧道地表位移云圖，由于篇幅有限，本節只提取未換填和換填深度為5 m的位移云圖進行分析。由圖3(a)可知，地層損失為3.0%且隧道上方土體未進行換填時，地表最大沉降出現在隧道正上方，地表最大沉降為26.9 mm，從隧道頂部到地表沉降依次減小。如圖3(b)可以看到，隧道開挖以后，由于換填作用使得地表沉降大大減小，最大值僅為11.4 mm，從位移分布云圖可以看到，位移主要發生在隧道拱頂至換填土層下表面，由于換填作用，大大削減了拱頂沉降位移向上的傳遞。對比二者云圖可以明顯的觀察出換填前后在換填層底面也出現明顯的位移變化交界面，將圖3與圖1和2對比可以發現，隨著底層損失率的提高，泡沫混凝土置換土體產生的效果得到了較大的提升。綜上所述，可知泡沫混凝土置換隧道上方土體能有效減小隧道上方地表的沉降，且隨著地層損失率的增加，其置換效果更為明顯。

圖3 隧道開挖引起的地表位移(地層損失為3.0%)

3.4 隧道土體換填前后位移對比分析

如圖4所示，為隧道開挖以后地表最大沉降與換填深度之間的關系圖，當地層損失率為1.0%時，未換填以及換填高度為1 m、2 m、3 m、4 m和5 m對應的地表最大沉降依次為6.1 mm、5.8 mm、5.7 mm、5.6 mm、5.6 mm和5.4 mm，由圖可知，隨著換填深度的增加，由于隧道開挖產生的地表沉降減小不明顯，當換填高度為5 m時地表沉降減小了約18.5%；當地層損失率為2.0%時，未換填以及換填高度為1 m、2 m、3 m、4 m和5 m對應的地表最大沉降依次為11.4 mm、10.8 mm、9.7 mm、7.9 mm、4.8 mm和3.3 mm，由圖可知，隨著換填深度的增加，由于隧道開挖產生的地表沉降較為明顯，當換填高度為5 m時地表沉降減小了約71.1%；當地層損失率為3.0%時，未換填以及換填高度為1 m、2m、3 m、4 m和5 m對應的地表最大沉降依次為26.9 mm、23.7 mm、19.9 mm、17.2 mm、14.8 mm和11.4 mm，隨著換填深度的增加，由于隧道開挖產生的地表沉降減小比較明顯，當換填高度為5 m時地表沉降減小了約57.6%。

綜上可知，對于地層損失率為2%和3%時，泡沫混凝土的置換作用效果非常顯著，且能減小地表沉降分別為71.1%和57.6%，此外，觀察三種地層損失率情況時換填作用下地表最大沉降與換填深度關系圖，可以看到，換填高度大于3 m時，其發揮作用要明顯大于換填高度小于3 m時。

圖4 地表最大沉降與換填深度關系圖

4 結 論

泡沫混凝土作為一種新型的工程土體置換材料，在路基等工程中得到了廣泛的應用，為了得到泡沫混凝土在隧道中應用效果，本文主要考慮了地層損失率1.0%、2.0%和3.0%三種情況，并將每種條件下的土體換填高度分為0 m、1 m、2 m、3 m、4 m和5 m，共18個計算工況的計算結果進行分析，得到以下結論。

(1)隧道拱頂上方土體未置換時地表最大沉降出現在隧道正上方且從隧道頂部到地表沉降依次減小。地層損失為1.0%時地表最大沉降為6.1 mm，地層損失為2.0%時地表最大沉降為11.4 mm，地層損失為3.0%時地表最大沉降為26.9 mm，利用泡沫混凝土處理以后，當換填高度為5 m時，地面最大沉降依次減小到4.8 mm、3.3 mm、11.4 mm，且換填前后在換填層底面也出現明顯的位移變化交界面。

(2)地層損失率為2%和3%時，泡沫混凝土的置換作用效果非常顯著，且能減小地表沉降分別為71.1%和57.6%，且當換填高度大于3m時，泡沫混凝土作用發揮更為明顯。