項(xiàng)小偉

(浙江交工宏途交通建設(shè)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(xiàn)最大高程約183.0 m，設(shè)計(jì)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(zhǎng)為240 m。本隧道全部位于直線(xiàn)段上。隧道由進(jìn)口至出口方向?yàn)?.7%的下坡，進(jìn)口的路線(xiàn)設(shè)計(jì)標(biāo)高為133.286 m，出口設(shè)計(jì)標(biāo)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(zhì)頁(yè)巖等在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)過(guò)程中擠壓破碎，可見(jiàn)少量泥質(zhì)頁(yè)巖、硅質(zhì)頁(yè)巖碎塊，圍巖較為破碎，采用換填法進(jìn)行施工。本文便基于該段進(jìn)行數(shù)值建模分析。

2 建立數(shù)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(zhǎng)(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(jìn)深(y軸)取值為單位長(zhǎng)度1。文中采用泡沫混凝土對(duì)隧道中心正上方土體進(jìn)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(wǎng)格均采用實(shí)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(duì)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(kāi)挖地表沉降與換填高度的關(guān)系。同時(shí)，考慮到不同隧道開(kāi)挖其地層損失率大小不同(地層損失率，即指盾構(gòu)施工中實(shí)際開(kāi)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(shí)，不同換填高度條件下地表變形，共分為18個(gè)不同的計(jì)算工況，以此來(lái)研究不同泡沫混凝土換填深度以及不同的地層損失率對(duì)地表位移的影響。18個(gè)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(gè)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(duì)地表位移的影響，因此不針對(duì)具體工程，土層厚度50 m范圍內(nèi)分為3層，分別為粉質(zhì)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(shù)如表2所示。

表2 土層及泡沫混凝土參數(shù)

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 地層損失率為1.0%時(shí)地表位移分析

如圖1所示，為地層損失為1.0%時(shí)隧道地表位移云圖，由于篇幅有限，本節(jié)只提取未換填和換填深度為5 m的位移云圖進(jìn)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(jìn)行換填時(shí)，地表最大沉降出現(xiàn)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(kāi)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(fā)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(duì)比二者云圖可以看到，從換填土層開(kāi)始至地表區(qū)域，位移云圖分布發(fā)生了較大的變化，可以明顯的觀(guān)察出由于換填土的存在出現(xiàn)了位移變化明顯交界面。

圖1 隧道開(kāi)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(shí)地表位移分析

圖2 隧道開(kāi)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(shí)隧道地表位移云圖，由于篇幅有限，本節(jié)只提取未換填和換填深度為5 m的位移云圖進(jìn)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(jìn)行換填時(shí)，地表最大沉降表現(xiàn)出相似的規(guī)律，即出現(xiàn)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(kāi)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(fā)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(duì)比二者云圖可以明顯的觀(guān)察出由于換填土的存在出現(xiàn)了位移變化明顯交界面，將圖2與圖1對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，隨著底層損失率的提高，泡沫混凝土置換土體產(chǎn)生的效果得到了提升，或者說(shuō)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(shí)地表位移分析

如圖3所示，為地層損失為3.0%時(shí)隧道地表位移云圖，由于篇幅有限，本節(jié)只提取未換填和換填深度為5 m的位移云圖進(jìn)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(jìn)行換填時(shí)，地表最大沉降出現(xiàn)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(kāi)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(fā)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(duì)比二者云圖可以明顯的觀(guān)察出換填前后在換填層底面也出現(xiàn)明顯的位移變化交界面，將圖3與圖1和2對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，隨著底層損失率的提高，泡沫混凝土置換土體產(chǎn)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(kāi)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(duì)比分析

如圖4所示，為隧道開(kāi)挖以后地表最大沉降與換填深度之間的關(guān)系圖，當(dāng)?shù)貙訐p失率為1.0%時(shí)，未換填以及換填高度為1 m、2 m、3 m、4 m和5 m對(duì)應(yīng)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(kāi)挖產(chǎn)生的地表沉降減小不明顯，當(dāng)換填高度為5 m時(shí)地表沉降減小了約18.5%；當(dāng)?shù)貙訐p失率為2.0%時(shí)，未換填以及換填高度為1 m、2 m、3 m、4 m和5 m對(duì)應(yīng)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(kāi)挖產(chǎn)生的地表沉降較為明顯，當(dāng)換填高度為5 m時(shí)地表沉降減小了約71.1%；當(dāng)?shù)貙訐p失率為3.0%時(shí)，未換填以及換填高度為1 m、2m、3 m、4 m和5 m對(duì)應(yīng)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(kāi)挖產(chǎn)生的地表沉降減小比較明顯，當(dāng)換填高度為5 m時(shí)地表沉降減小了約57.6%。

綜上可知，對(duì)于地層損失率為2%和3%時(shí)，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(guān)察三種地層損失率情況時(shí)換填作用下地表最大沉降與換填深度關(guān)系圖，可以看到，換填高度大于3 m時(shí)，其發(fā)揮作用要明顯大于換填高度小于3 m時(shí)。

圖4 地表最大沉降與換填深度關(guān)系圖

4 結(jié) 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(yīng)用，為了得到泡沫混凝土在隧道中應(yīng)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(gè)計(jì)算工況的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論。

(1)隧道拱頂上方土體未置換時(shí)地表最大沉降出現(xiàn)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(shí)地表最大沉降為6.1 mm，地層損失為2.0%時(shí)地表最大沉降為11.4 mm，地層損失為3.0%時(shí)地表最大沉降為26.9 mm，利用泡沫混凝土處理以后，當(dāng)換填高度為5 m時(shí)，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(xiàn)明顯的位移變化交界面。

(2)地層損失率為2%和3%時(shí)，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(dāng)換填高度大于3m時(shí)，泡沫混凝土作用發(fā)揮更為明顯。