梁冰

【摘 要】上世紀(jì)國內(nèi)采用礦山法施工的低等級(jí)公路隧道，普遍存在著嚴(yán)重超挖現(xiàn)象，且無初期支護(hù)和二襯。近年來逐步對(duì)該類隧道進(jìn)行加固改造，但因該類隧道通車時(shí)間已久，圍巖應(yīng)力已調(diào)整并基本穩(wěn)定，其超挖回填的技術(shù)與新建隧道不同。

【關(guān)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(jì)八十年代前國內(nèi)施工的低等級(jí)公路隧道大多采用礦山法的開挖工藝，特別是在低等級(jí)公路上，施工中普遍存在嚴(yán)重的超挖現(xiàn)象，斷面大小不一，且大多數(shù)沒有進(jìn)行初期支護(hù)和二襯，給正常運(yùn)營帶來安全隱患。為保證運(yùn)營安全，近年來逐步對(duì)該類隧道進(jìn)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(cè)、側(cè)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(jīng)驗(yàn)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(duì)既有低等級(jí)公路隧道回填及加固技術(shù)等問題進(jìn)行研究。

1. 主要研究內(nèi)容

1.1 超挖脫空部分回填的材料比選及主要技術(shù)指標(biāo)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(jìn)行技術(shù)性能指標(biāo)的比選。包括：重度、彈性模量、泊桑比、摩擦角、粘結(jié)力等。

1.2 研究不同回填工藝、不同回填材料對(duì)二襯結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。

（1）根據(jù)隧道超挖的不同狀態(tài)，研究與不同回填材料相適應(yīng)的回填方法。

（2）根據(jù)既有隧道斷面形態(tài)，結(jié)合回填材料和施工順序，分析對(duì)二次襯砌混凝土結(jié)構(gòu)的偏壓受力狀態(tài)，由此確定結(jié)構(gòu)的荷載模式。

（3）從結(jié)構(gòu)的受力以及材料的性能等方面對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)。當(dāng)采用的回填施工方法不同時(shí)，襯砌在施工過程中承受的荷載將會(huì)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(jù)不同的施工方法，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)施工期間的安全性與穩(wěn)定性。

1.3 經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益分析。對(duì)隧道不同超挖情況的加固技術(shù)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，以達(dá)到節(jié)省工程造價(jià)和節(jié)能降耗的目的。

2. 分析研究

超挖回填施工的關(guān)鍵是在選定合適的回填材料后保證施工各階段的施工質(zhì)量和施工安全。在進(jìn)行超挖回填時(shí)由于襯砌遠(yuǎn)未達(dá)到其設(shè)計(jì)強(qiáng)度，回填過程中不確定的偏壓荷載可能會(huì)對(duì)襯砌產(chǎn)生不利影響，并影響施工質(zhì)量和施工安全。本文利用FLac3D有限差分計(jì)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(duì)襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的情況，根據(jù)計(jì)算結(jié)果做出安全性評(píng)價(jià)。

2.1 不同回填材料對(duì)隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。

（1）計(jì)算模型采用的參數(shù)如表1、表2。

表1 回填材料物理力學(xué)參數(shù)一覽表

回填材料 重度γ

（N/m3） 彈性模量

E（MPa） 泊松比

ν 內(nèi)摩擦

角φ 黏聚力

c(MPa)

粉煤灰(二級(jí)) 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(shù)一覽表

圍巖

等級(jí) 埋深

（m） 泊松

比μ 彈性模量

E（GPa） 重度γ

（KN/m3） 內(nèi)摩擦

角φ 黏聚力

c(MPa)

Ⅲ 150 0.27 10 23 45 1.1

表3 計(jì)算參數(shù)一覽表

項(xiàng) 目 重度γ

(KN/m3) 彈性模量

E(MPa) 泊松

比μ 內(nèi)摩擦

角φ 黏聚力

c(MPa)

干砂（中砂） 20 40 0.27 37 0

Ⅲ級(jí)圍巖 23 10000 0.27 45 1.1

（2）通過計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：使用四種回填材料對(duì)超挖回填段進(jìn)行回填后的隧道二次襯砌的安全系數(shù)均能滿足規(guī)范要求，不同回填材料下的安全系數(shù)差別比較明顯，其中使用膨脹珍珠巖的安全系數(shù)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(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。

（1）計(jì)算模型采用的參數(shù)如表3、表4。

（2）計(jì)算模型分為無仰拱二襯和有仰拱二襯兩類計(jì)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(jìn)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(shù)分析表見表6、有仰拱二襯回填安全系數(shù)表見表7）。

表4 二襯設(shè)計(jì)參數(shù)表

混凝土

強(qiáng)度等級(jí) 厚度

(cm) 抗壓強(qiáng)度

(MPa) 抗拉強(qiáng)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(duì)稱超挖 拱部對(duì)稱超挖 邊墻拱部

非對(duì)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(shù)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(shù)表

部位安全系數(shù) 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(jì)算分析，得出以下結(jié)論：總體上來說，在超挖形式一時(shí)，有仰拱二襯比無仰拱二砌安全系數(shù)更大，受力更合理；在超挖形式二和三時(shí)，兩種結(jié)構(gòu)形式的二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)差別不大。

（5）具體來看，不論何種超挖形式，當(dāng)回填至邊墻頂部時(shí)，襯砌所受荷載較?。划?dāng)回填材料回填至拱腰時(shí)，襯砌所受內(nèi)力明顯變大，并在邊墻處出現(xiàn)較大彎矩；當(dāng)回填材料回填至拱頂時(shí)，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(dāng)回填材料回填至拱腰時(shí)，應(yīng)確保邊墻支撐的穩(wěn)定；當(dāng)回填至拱頂時(shí)，在確保支撐穩(wěn)定的同時(shí)要在襯砌強(qiáng)度達(dá)到足夠強(qiáng)度以后再進(jìn)行拆模，以免襯砌受力變形過大或出現(xiàn)裂縫。

2.3 超挖范圍及回填工藝對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響。

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

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

2.4 不同回填材料及施工工藝經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。

2.4.1 目前了解到的這四種回填材料的價(jià)格如表8。

表8 回填材料價(jià)格一覽表

材 料 折算價(jià)格

（元/m3） 材 料 折算價(jià)格

（元/m3）

粉煤灰(二級(jí)) 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(nèi)容，可以得出結(jié)論：

（1）對(duì)于單純拱部超挖情況，當(dāng)超挖高度＜10m時(shí)，采用干砂進(jìn)行回填既安全又經(jīng)濟(jì)；當(dāng)超挖高度≥10m時(shí)，采用干砂進(jìn)行回填已不能滿足規(guī)范要求，為保證二襯安全性符合規(guī)范要求，建議使用膨脹珍珠巖進(jìn)行回填。

（2）對(duì)于拱部及兩側(cè)超挖情況，當(dāng)超挖高度＜4m時(shí)，采用干砂進(jìn)行回填既安全又經(jīng)濟(jì)；當(dāng)超挖高度在4～16m時(shí)，采用干砂進(jìn)行回填已不能滿足規(guī)范要求，為保證二襯安全性符合規(guī)范要求，建議使用膨脹珍珠巖進(jìn)行回填。

3. 小 結(jié)

綜合分析以上計(jì)算結(jié)果，確定干砂為首選回填材料，當(dāng)超挖高度較大，采用干砂進(jìn)行回填二襯安全性不滿足要求時(shí)應(yīng)采用膨脹珍珠巖進(jìn)行回填，理由如下：

（1）經(jīng)過計(jì)算，盡管干砂回填后的襯砌安全系數(shù)不如回填膨脹珍珠巖安全系數(shù)大，但是當(dāng)超挖高度較小時(shí)，采用干砂回填后襯砌安全系數(shù)仍能滿足規(guī)范要求。

（2）幾種回填材料中，干砂的價(jià)格最低，使用它進(jìn)行回填時(shí)經(jīng)濟(jì)性更好。

（3）當(dāng)超挖高度較大（單純拱部超挖≥10m或拱部及兩側(cè)超挖≥4m），存在大方量回填時(shí)，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(jìn)行回填材料回填時(shí)，當(dāng)回填材料回填至拱腰時(shí)，應(yīng)確保支撐的穩(wěn)定；當(dāng)回填至拱頂時(shí)，在確保支撐穩(wěn)定的同時(shí)要在襯砌強(qiáng)度達(dá)到足夠強(qiáng)度以后再進(jìn)行拆模，以免襯砌受力變形過大或出現(xiàn)裂縫。

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