李 明，嚴(yán)松宏，李 盛，馬玉春，趙錄學(xué)，張振瓊

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730000；3.中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 蘭州工程建設(shè)指揮部，甘肅 蘭州 730000)

在城市周邊的溝谷地區(qū)，鐵路及公路工程采用隧道-高填明洞-隧道的方式時(shí)可提高城市用地的靈活性，隨著城市規(guī)模不斷擴(kuò)大和規(guī)劃調(diào)整，既有高填明洞已無法滿足交通、排洪、土地開發(fā)等的需要，需進(jìn)行二次回填。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于高填明洞回填研究主要是針對(duì)回填材料、回填方式、減載措施、不同明洞形式等的一次回填研究，在此基礎(chǔ)上研究高填明洞在不同減載措施下的影響因素、結(jié)構(gòu)受力特性以及周邊土壓力的變化規(guī)律等。Taylor等[1]以含秸稈的松土作為填料，Sladen等[2]采用稻草和聚苯乙烯塑料泡沫珠粒作為卸載材料，均取得了明顯減載效果。Sun等[3]研究了在深埋地下構(gòu)筑物頂部鋪設(shè)EPS板前后，涵頂土壓力變化及結(jié)構(gòu)受力情況，計(jì)算結(jié)果表明，采用涵洞頂部鋪設(shè)EPS板卸載后，頂部卸載28%，底部卸載42%，而涵洞側(cè)邊則影響不明顯。顧安全等[4]、白冰等[5]探究了利用EPS板進(jìn)行土壓力減載，并在實(shí)際工程中推廣。楊錫武等[6]、鄭俊杰等[7]通過試驗(yàn)及理論推導(dǎo)提出了土工格柵加筋橋減載法。實(shí)際工程中雖然利用上述理論進(jìn)行了減載，但考慮時(shí)間效應(yīng)等因素，高填明洞結(jié)構(gòu)在一次回填作用下仍然承受了較大荷載。

泡沫輕質(zhì)土作為一種新型建筑材料[8-9]，具有輕質(zhì)性、流動(dòng)性、強(qiáng)度可調(diào)節(jié)、固化后可自立等優(yōu)點(diǎn)，目前在市政、公路等工程中得到了廣泛的應(yīng)用。Lee等[10]將輕質(zhì)泡沫土和疏浚土作為地下管道回填材料進(jìn)行對(duì)比分析，得出泡沫輕質(zhì)土更適合用于管道回填。Yoon[11-12]進(jìn)行了泡沫輕質(zhì)土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，深入研究了泡沫輕質(zhì)土的性能，表明了泡沫輕質(zhì)土能夠代替常規(guī)填土材料作為路堤和土結(jié)構(gòu)的回填材料。陳忠平等[13]研究了泡沫輕質(zhì)土的吸水特性，當(dāng)膠凝材料為快硬水泥時(shí)，泡沫輕質(zhì)土的吸水率顯著降低，提高了泡沫輕質(zhì)土在工程中的換填減載效果，為確保大體積泡沫輕質(zhì)土的施工質(zhì)量，需要對(duì)施工區(qū)進(jìn)行分層、分縫澆筑，留出沉降縫位置，需選用高性能發(fā)泡劑，計(jì)量精度高和產(chǎn)能大的自動(dòng)化施工設(shè)備。肖禮經(jīng)[14]分析了橋頭跳車對(duì)行車的影響，并以泡沫輕質(zhì)土橋臺(tái)填筑為例，深度分析了泡沫輕質(zhì)土的對(duì)路基沉降及附加荷載的減輕效果。汪旻磊[15]在高填方路基工程中用輕質(zhì)泡沫土進(jìn)行置換回填，取得了良好效果。

前述研究未見在高填明洞上方二次回填實(shí)例，本文以西部某地區(qū)鐵路高填明洞二次回填實(shí)際工程為依托，采用泡沫輕質(zhì)土作為回填材料，按等質(zhì)量置換原則進(jìn)行二次回填。通過數(shù)值模擬確定合理泡沫土回填范圍和開挖置換深度，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

某單洞雙線鐵路隧道明洞段長(zhǎng)87 m，明洞結(jié)構(gòu)跨度13.23 m，高12.24 m，設(shè)計(jì)回填高度15 m，明洞襯砌厚度1.2 m，采用C40鋼筋混凝土。工程場(chǎng)地在勘探深度范圍內(nèi)的地層主要為回填土、砂質(zhì)黃土、砂巖組成。既有鐵路高填明洞回填示意見圖1。

圖1 既有明洞回填示意(單位：m)

既有明洞頂部由于回填造地形成一較大基坑，基坑平均寬度約90 m，平均深度約10 m，明洞中線位于基坑中央。由于上下游排洪通道高程的要求，需對(duì)明洞頂部進(jìn)行二次回填。既有高填明洞頂部荷載較大，結(jié)構(gòu)已經(jīng)接近或達(dá)到受力極限，因此利用泡沫輕質(zhì)土容重小、流動(dòng)性好、強(qiáng)度和耐久性高的特性，按照等質(zhì)量置換原則進(jìn)行二次回填，可以達(dá)到增加既有高填明洞回填高度，又不影響明洞結(jié)構(gòu)安全的目的。等質(zhì)量置換示意圖見圖2圖中，B為回填范圍寬度，θ為回填范圍角度。

圖2 等質(zhì)量置換示意

根據(jù)等質(zhì)量置換原則，既有明洞下挖土方荷載等于二次回填輕質(zhì)泡沫土總荷載，即

γ1×h=γ2×(h+H)

(1)

式中：γ1為既有回填土容重，kN/m3；γ2為回填泡沫輕質(zhì)土容重，kN/m3；h為下挖既有填土高度，m；H為既有回填高程以上泡沫輕質(zhì)土的高度，m。

2 輕質(zhì)泡沫土合理回填范圍及開挖置換深度的確定

2.1 模型的建立及參數(shù)選取

由于兩側(cè)二次回填土石對(duì)中間回填層的附加剪力作用有限，且從工程經(jīng)濟(jì)性角度考慮二次回填泡沫輕質(zhì)土在高填明洞上方一定范圍內(nèi)回填即可，因此需要確定一個(gè)合理的泡沫土回填范圍和向下的開挖置換深度。根據(jù)本工程實(shí)際情況，考慮不同泡沫土回填范圍角度和開挖置換深度，采用有限元軟件Midas GTS建立平面應(yīng)變模型進(jìn)行合理回填范圍和開挖置換深度分析。由于邊界條件對(duì)有限元模型計(jì)算精度影響較大，本模型計(jì)算寬度取兩側(cè)不小于一倍回填頂面寬度，基底以下深度不小于5倍洞徑，模型尺寸400 m(寬)×125 m(高)。有限元網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 有限元網(wǎng)格劃分示意(單位：m)

隧道明洞襯砌采用彈性模型，周圍地層與回填土采用Drucker-Prager彈塑性模型，下挖和回填過程分別用殺死和激活土層單元來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)等質(zhì)量置換原則，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，泡沫輕質(zhì)土相關(guān)參數(shù)參照文獻(xiàn)[20]，巖土體基本物理力學(xué)參數(shù)參照地勘資料，彈性模量和泊松比參考文獻(xiàn)[16-19]類似地層,并結(jié)合本工程區(qū)域地質(zhì)特征采取經(jīng)驗(yàn)數(shù)值，基本材料計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 基本材料計(jì)算參數(shù)

2.2 施工步驟及計(jì)算工況擬定

先從既有明洞回填頂面以一定泡沫土回填范圍角度向下開挖基坑，再自下而上采用泡沫輕質(zhì)土分層回填至設(shè)計(jì)標(biāo)高，對(duì)泡沫輕質(zhì)土回填范圍以外區(qū)域采用土石對(duì)稱分層回填，計(jì)算工況考慮不同泡沫土回填范圍和下挖置換深度的組合情況。二次回填施工步驟和計(jì)算工況見圖4、表2。

圖4 二次回填施工步驟示意

表2 計(jì)算工況

2.3 隧道初始狀態(tài)受力分析

既有高鐵明洞隧道襯砌結(jié)構(gòu)初始內(nèi)力見圖5。

圖5 初始狀態(tài)襯砌內(nèi)力圖

高填明洞二次回填與既有隧道初始狀態(tài)受力密切相關(guān)，明洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)拱部多為近圓形斷面，仰拱相對(duì)扁平，墻腳位置多為應(yīng)力集中部位，從初始狀態(tài)隧道結(jié)構(gòu)受力上可看出，隧道拱頂、墻腳、仰拱為受力薄弱部位，因此結(jié)構(gòu)受力分析主要以上受力薄弱部位為主。

2.4 合理回填范圍及開挖置換深度確定

2.4.1 襯砌位移分析

由于計(jì)算所得的水平位移值和結(jié)構(gòu)上浮數(shù)值變化較小，位移分析僅從豎直沉降進(jìn)行分析，不同泡沫土回填范圍角度和開挖置換深度下的豎向位移見圖6。

圖6 豎向位移

既有隧道沉降控制標(biāo)準(zhǔn)取決于結(jié)構(gòu)的重要性等級(jí)、耐久性等情況，根據(jù)文獻(xiàn)[21]，結(jié)合本地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，既有隧道結(jié)構(gòu)的容許位移值見表3。

表3 既有隧道結(jié)構(gòu)容許位移值

由圖6(a)、圖6(b)可知，拱頂豎向位移在泡沫土回填范圍角度為0°，下挖置換深度6、8 m；泡沫土回填范圍角度為30°，下挖置換深度8 m時(shí)超過允許沉降值；墻腳位移在泡沫土回填范圍角度為0°，下挖置換深度6、8 m時(shí)超過允許沉降值。

以回填范圍45°和下挖深度4 m為例(其余情況類似)繪制高填明洞位移分布見圖7，通過圖6、圖7可以看出，整體豎向位移值拱頂位移>拱肩位移>拱腰位移>拱腳位移>仰拱位移。同一回填范圍情況下，豎向位移隨下挖置換深度增加整體呈上升趨勢(shì)，這是因?yàn)橄峦谥脫Q深度越大，對(duì)應(yīng)上部?jī)蓚?cè)回填土越高，傳遞至隧道結(jié)構(gòu)的荷載越大。同一下挖置換深度下，各部位豎向位移值隨泡沫土回填范圍增加而減小，說明泡沫土回填范圍角度越大，兩側(cè)回填土范圍越小，土壓力向下傳遞較少，且開挖范圍較大時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)引起的回彈加大，可以抵消一部分豎向位移。

圖7 位移分布圖

2.4.2 襯砌拉應(yīng)力分析

不同泡沫土回填范圍角度和開挖置換深度下的襯砌拉應(yīng)力見圖8。襯砌結(jié)構(gòu)各部位的拉應(yīng)力至均小于C40混凝土極限抗拉強(qiáng)度2.7 MPa。

圖8 不同泡沫土回填范圍角度與開挖轉(zhuǎn)換深度下的襯砌拉應(yīng)力

由圖8(a)、圖8(b)可知，襯砌拱頂拉應(yīng)力隨下挖置換深度增加整體呈上升趨勢(shì)，拉應(yīng)力數(shù)值隨泡沫土回填范圍增加而增加，同一下挖置換深度下，隨著泡沫土回填范圍角度增大，拱頂拉應(yīng)力數(shù)值遞增，說明泡沫土回填范圍越大拱頂受拉應(yīng)力越大。襯砌墻腳拉應(yīng)力隨下挖置換深度增加整體呈上升趨勢(shì)，拉應(yīng)力數(shù)值隨泡沫土回填范圍增加而減小，同一下挖置換深度下，隨著泡沫土回填范圍角度增大，墻腳拉應(yīng)力數(shù)值遞減，這說明泡沫土回填范圍越大墻腳受拉應(yīng)力越小。

由圖8(c)可知，襯砌仰拱拉應(yīng)力在泡沫土回填范圍角度為0°時(shí)，隨下挖置換深度增加呈上升趨勢(shì)，其他泡沫土回填范圍角度情況下隨開挖置換深度先下降再增加，且在下挖深度為4 m時(shí)，各泡沫土回填范圍角度情況下仰拱拉應(yīng)力均達(dá)到了最小值，泡沫土回填范圍角度為45°的整體仰拱拉應(yīng)力數(shù)值均小于其他回填范圍時(shí)的數(shù)值。

繪制回填范圍45°和下挖深度4 m情況下高填明洞拉應(yīng)力分布圖，見圖9。由圖9可知，整體拉應(yīng)力數(shù)值：仰拱拉應(yīng)力>拱腳拉應(yīng)力>拱頂拉應(yīng)力>拱腰拉應(yīng)力>拱肩拉應(yīng)力，仰拱受拉應(yīng)力最大。從45°回填范圍情況不同下挖深度的包絡(luò)關(guān)系看，下挖深度8 m時(shí)明洞各部位的拉應(yīng)力明顯大于其他下挖情況，其他下挖深度2、4、6 m時(shí)，拱頂、拱肩、拱腰的拉應(yīng)力差別不大，拱腳拉應(yīng)力在下挖深度2 m時(shí)出現(xiàn)最小值，仰拱拉應(yīng)力在下挖深度4 m時(shí)出現(xiàn)最小值。從下挖深度4 m情況不同回填范圍的包絡(luò)關(guān)系看，拱頂、拱肩、拱腰部位拉應(yīng)力數(shù)值在60°回填范圍情況下大于其他回填范圍情況；拱腳和仰拱部位拉應(yīng)力在0°回填范圍情況下大于其他回填范圍情況；45°回填范圍情況下在拱肩部位出現(xiàn)了一個(gè)較小的拉應(yīng)力數(shù)值，且仰拱拉應(yīng)力在45°回填范圍情況下出現(xiàn)了拉應(yīng)力最小值。

圖9 高填明洞拉應(yīng)力分布

2.4.3 襯砌安全系數(shù)分析

明洞襯砌安全系數(shù)計(jì)算根據(jù)文獻(xiàn)[22]，按照鋼筋混凝土矩形截面大偏心受壓和小偏心受壓公式進(jìn)行計(jì)算，不同泡沫土回填范圍角度和開挖置換深度下的襯砌安全系數(shù)見圖10。

圖10 襯砌安全系數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[22]，明洞襯砌按破損階段檢算構(gòu)件截面強(qiáng)度時(shí)，根據(jù)結(jié)構(gòu)所受的不同荷載組合，在計(jì)算中分別選用不同的安全系數(shù)，見表4。

表4 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度安全系數(shù)

經(jīng)計(jì)算襯砌結(jié)構(gòu)各部位的安全系數(shù)均滿足文獻(xiàn)[22]要求的混凝土達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度時(shí)安全系數(shù)大于2.4的要求。

由圖10(a)可知，拱頂安全系數(shù)在泡沫土回填范圍角度為60°時(shí)，隨著下挖深度增加，安全系數(shù)不斷減小，且數(shù)值均小于其他回填范圍角度；回填范圍角度為0°、30°、45°時(shí)，拱頂安全系數(shù)均出現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)，其中0°、30°下挖深度為4 m時(shí)，安全系數(shù)最大，45°下挖2 m安全系數(shù)最大。

由圖10(b)、圖10(c)可知，墻腳和仰拱安全系數(shù)在泡沫土回填范圍角度0°時(shí)，隨著下挖置換深度增加，安全系數(shù)先減小再增大，且整體數(shù)值均小于其他回填范圍角度情況。泡沫土回填范圍角度為30°、45°、60°時(shí)，墻腳和仰拱安全系數(shù)隨著下挖置換深度增加，均出現(xiàn)先增大再減小的趨勢(shì)，下挖深度為4 m時(shí)，安全系數(shù)達(dá)到最大值，泡沫土回填范圍角度為45°時(shí)的整體安全系數(shù)大于其他角度回填情況。

2.4.4 合理回填范圍及開挖置換深度

從位移分析結(jié)果可知開挖回填輕質(zhì)泡沫土范圍角度越大，下挖置換深度越小，豎向位移值越小，泡沫土回填范圍角度為0°、30°且下挖置換深度較大時(shí)，拱頂和墻腳位移超過允許值；經(jīng)對(duì)比分析，各種情況組合計(jì)算下，泡沫土回填范圍角度為45°，下挖置換深度為4 m時(shí)，襯砌仰拱拉應(yīng)力達(dá)到最小值，墻腳和仰拱安全系數(shù)達(dá)到最大值。綜合考慮結(jié)構(gòu)受力安全性、合理性及工程經(jīng)濟(jì)性，確定泡沫土合理回填范圍角度為45°，合理下挖置換深度為4 m。

3 實(shí)際施工過程及監(jiān)控量測(cè)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)施工工序

根據(jù)以上研究結(jié)論，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際以原始回填頂面為0 m，回填范圍角度為45°范圍內(nèi)下挖4 m，再進(jìn)行分層回填施工，施工工序流程為：下挖至-2 m(工序一)→下挖至-4 m(工序二)→回填至-2 m(工序三)→回填至0 m(工序四)→中間泡沫土回填至2.5 m(工序五)→兩側(cè)土石回填至2.5 m(工序六)→中間泡沫土回填至5 m(工序七)→兩側(cè)土石回填至5 m(工序八)。施工工序示意見圖11。

圖11 施工工序示意(單位：m)

3.2 監(jiān)控量測(cè)

3.2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

既有明洞為運(yùn)營(yíng)線路，明洞回填段落洞內(nèi)拱頂內(nèi)間隔40 m有兩處接觸網(wǎng)吊柱，選擇吊柱上螺栓作為參照物作為拱頂沉降測(cè)點(diǎn)，兩側(cè)邊墻貼反光片作為洞周收斂測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖12。

圖12 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

3.2.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

洞內(nèi)拱頂沉降值和洞周收斂值見圖13。由圖13可知，洞頂基坑下挖會(huì)引起地層產(chǎn)生一定回彈，隧道拱頂產(chǎn)生向上位移，洞周則產(chǎn)生向內(nèi)的位移，基坑挖至底部時(shí)產(chǎn)生最大拱頂向上位移4.7 mm，最大洞周凈空收斂1.6 mm；隨著基坑內(nèi)泡沫土和兩側(cè)土石的回填，拱頂逐漸產(chǎn)生向下的位移，洞周向外產(chǎn)生位移，并最終超過初始拱頂沉降和洞周凈空，最終拱頂沉降為1.5 mm，洞周收斂為0.2 mm?？梢钥闯隹傮w地層回彈引起的結(jié)構(gòu)變形大于壓縮引起的結(jié)構(gòu)變形。

圖13 洞內(nèi)拱頂沉降值和洞周收斂

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，在基坑挖至底部時(shí)拱頂產(chǎn)生向上的位移約1 mm，洞周向內(nèi)凈空收斂約0.2 mm。隨著基坑內(nèi)泡沫土和兩側(cè)土石的回填，明洞結(jié)構(gòu)位移超過初始拱頂沉降和洞周凈空，產(chǎn)生向下和向外的位移，最終拱頂沉降位1.1 mm，洞周收斂為0.15 mm?；酉峦诤突靥钸^程中實(shí)測(cè)所得的拱頂沉降和洞周收斂數(shù)值均很小，說明回填土體長(zhǎng)期固結(jié)壓實(shí)形成一定的土拱效應(yīng)，數(shù)值模擬計(jì)算無法完全考慮后期土體固結(jié)形成的真實(shí)土拱效應(yīng)，導(dǎo)致實(shí)測(cè)數(shù)值和計(jì)算值存在差異，由于土拱效應(yīng)的存在，一部分荷載由土拱承擔(dān)，結(jié)構(gòu)實(shí)際所受荷載和產(chǎn)生的位移均較數(shù)值模擬計(jì)算數(shù)值小。

考慮到該隧道的重要性及襯砌長(zhǎng)期存在滲漏水等病害情況，其重要性等級(jí)為Ⅰ級(jí)，由以上圖表可知計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的拱頂沉降、結(jié)構(gòu)上浮、水平位移均未超過容許位移值，說明該方案能夠滿足既有隧道結(jié)構(gòu)安全。

4 結(jié)論

(1)利用輕質(zhì)泡沫土對(duì)既有高填明洞頂部按照等質(zhì)量置換原則在一定范圍和開挖置換深度下進(jìn)行二次回填，安全可靠，其結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力、安全系數(shù)均能滿足要求。

(2)開挖回填輕質(zhì)泡沫土范圍越大，下挖置換深度越小，豎向位移值越小。泡沫土回填范圍角度為0°、30°且下挖置換深度較大時(shí)，拱頂和墻腳位移超過允許值，此時(shí)會(huì)影響隧道結(jié)構(gòu)的安全性。

(3)經(jīng)對(duì)比分析，各種情況組合計(jì)算下，泡沫土回填范圍角度為45°，下挖置換深度4 m時(shí)，襯砌仰拱拉應(yīng)力達(dá)到最小值，墻腳和仰拱安全系數(shù)達(dá)到最大值。綜合考慮結(jié)構(gòu)受力安全性、合理性及工程經(jīng)濟(jì)性，泡沫土合理回填角度范圍為45°，合理下挖置換深度為4 m。

(4)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算值位移對(duì)比分析，隧道結(jié)構(gòu)在隧道下挖基坑過程中由于地層回彈會(huì)產(chǎn)生拱頂向上和洞周向內(nèi)的位移，最終回填后會(huì)產(chǎn)生拱頂下沉和洞周向外的位移，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)由于土拱效應(yīng)小于計(jì)算值。