軟巖公路隧道泡沫混凝土卸壓原理及支護(hù)方式研究

程秋月，高延安

(1.滁州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 土木工程系,安徽 滁州 239000； 2.淮陰工學(xué)院 建筑工程學(xué)院,江蘇 淮陰 223300)

隨著“走出去”和“一帶一路”等國(guó)家相關(guān)政策的出臺(tái)，國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)尤其是西部公路交通建設(shè)發(fā)展迅速，但是由于西部特殊的地形和地貌，在公路建設(shè)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)大量軟巖公路隧道，由于此類(lèi)隧道在變形方面和應(yīng)力變化方面具有不規(guī)律，無(wú)法使用固定理論或模型進(jìn)行表征計(jì)算等特點(diǎn)，因此為基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。同時(shí)實(shí)際工程作業(yè)環(huán)境中地址條年間的差異，現(xiàn)如今尚未建立起一套成熟的施工方法和理論體系。尤其在軟巖公路隧道的穩(wěn)定性差等相關(guān)問(wèn)題，一直困擾著國(guó)內(nèi)外學(xué)者和基建行業(yè)相關(guān)專家，因此研究軟巖隧道的卸壓機(jī)理及其支護(hù)方式對(duì)相關(guān)問(wèn)題的解決具有一定的理論意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已經(jīng)對(duì)軟巖隧道的卸壓機(jī)理及其支護(hù)方式進(jìn)行了相關(guān)研究。陳思宇等[1]針對(duì)高低應(yīng)力隧道施工過(guò)程中，容易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的問(wèn)題對(duì)軟巖隧道的卸壓機(jī)理進(jìn)行了研究，并研究了采用挖掘?qū)Ф吹确绞綄?duì)隧道應(yīng)力進(jìn)行預(yù)應(yīng)力釋放的卸壓方式，并提出了針對(duì)具體施工環(huán)境的一些工程類(lèi)防治措施。文獻(xiàn)[2]等研究了軟巖公路隧道相關(guān)的卸壓機(jī)理，并提出了基于泡沫混凝土方式的卸壓方式，提升了隧道的應(yīng)力整體釋放率。蔣金泉[3]等人研究了采用巷道爆破成縫技術(shù)的卸壓原理，并且將其應(yīng)用至實(shí)際工程中取得了良好的效果。Schleiss等[4]提出了使用壓力釋放閥的卸壓原理，降低了卸壓的總成本，Castiblanco等[5]針對(duì)小斷面隧道的修筑過(guò)程中的卸壓方式。湯雷[6]等研究了基于塑料填充材料的新方法，實(shí)驗(yàn)研究表明此方法對(duì)應(yīng)力變形等具有良好的效果。

但是上述研究對(duì)于針對(duì)峽口隧道的卸壓機(jī)理研究較少，峽口隧道由于其地質(zhì)條件的特殊性，需要對(duì)其變形和應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行細(xì)致研究，以提升隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此文章以峽口隧道為研究對(duì)象，研究基于泡沫混凝土的軟巖公路隧道卸壓機(jī)理，并給出一種較為穩(wěn)定的新型支護(hù)結(jié)構(gòu)。

1 泡沫混凝土的力學(xué)模型研究

1.1 力學(xué)性能分析

泡沫混凝土是近年來(lái)應(yīng)用較為廣泛的混凝土形式之一，其力學(xué)性能已經(jīng)得到了廣泛的研究，仇文革[7-9]等人已對(duì)其工程配比進(jìn)行了研究，并且在進(jìn)行單軸和靜水壓縮實(shí)驗(yàn)后，投入進(jìn)行了工程化應(yīng)用。其特點(diǎn)是質(zhì)量較輕，同時(shí)由于泡沫的存在使得混凝土能夠較好的應(yīng)對(duì)變形。其詳細(xì)配比和相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)論如表1(具體原材料配比)、圖1(單軸壓縮實(shí)驗(yàn))、圖2(靜水壓縮實(shí)驗(yàn))所示。

表1 泡沫混凝土中各類(lèi)原材料配比情況表 (單位：Kg/m3，泡沫單位：m3/m3)

此外，研究表明除了加入泡沫外，在混凝土中加入防水劑和纖維等材料，可以有效提升混凝土的保溫和抗壓縮能力。

圖1 單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2 靜水壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.2 泡沫混凝土力學(xué)模型

由于前人對(duì)泡沫混凝土力學(xué)模型研究較多，并且具有較為豐富的理論基礎(chǔ)，因此文章不再贅述，僅從流動(dòng)、屈服和硬化準(zhǔn)則角度，分析對(duì)泡沫混凝土的力學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)略介紹。

1.2.1 屈服準(zhǔn)則

泡沫混凝土的屈服準(zhǔn)則遵循橢圓方程的基本理念，其方程如式1所示。

(1)

其屈服面形狀和塑性流動(dòng)的基本關(guān)系函數(shù)圖像如圖3所示。

圖3 泡沫混凝土屈服面形狀和塑性流動(dòng)的函數(shù)圖像

1.2.2 流動(dòng)和硬化準(zhǔn)則

泡沫混凝土的塑性應(yīng)變率和流動(dòng)勢(shì)的函數(shù)方程如式2和3所示。

εp1=εp1′?G/?σ

(2)

(3)

上式中εp1′代表泡沫混凝土的等效應(yīng)變率值，β2取常數(shù)，其值為4.5。

硬化準(zhǔn)則描述方程如式(4)所示。

(4)

基于以上理論模型，根據(jù)峽口隧道的實(shí)際施工特點(diǎn)，選擇了泡沫混凝土結(jié)構(gòu)的相關(guān)力學(xué)參數(shù)，參數(shù)主要涉及到密度(Kg/m3)、彈性模量(MPa)、泊松比、單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)，其值分別為720，620，0.41，3。

2 泡沫混凝土卸壓機(jī)理研究

2.1 工程基本情況介紹

本峽口隧道基本情況如表2所示。

表2 峽口隧道工程基本情況表

2.2 隧道計(jì)算模型建立

為了減少隧道卸壓機(jī)理分析的干擾因素，并且保證計(jì)算結(jié)果不失準(zhǔn)確性，文章對(duì)隧道計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。選擇隧道模型尺寸為D∈[7D1,10D1]。選擇計(jì)算模型的尺寸為100*100，并在其上部施加長(zhǎng)度為800的圍巖自重應(yīng)力，其簡(jiǎn)化模型如圖4所示。

圖4 隧道的簡(jiǎn)化計(jì)算模型

同時(shí)為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將鋼筋網(wǎng)和鋼拱架等的彈性模量進(jìn)行了折算考慮。另外，在計(jì)算過(guò)程中，各項(xiàng)圍巖和支護(hù)的力學(xué)參數(shù)取值如表3所示。

表3 圍巖、初期支護(hù)和二次支護(hù)過(guò)程中各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)的選擇值

2.3 泡沫混凝土的在施工過(guò)程中的應(yīng)用對(duì)卸壓效果的影響因素分析

為了探究泡沫混凝土的在施工過(guò)程中的應(yīng)用對(duì)卸壓效果的影響，建立了三種基本方案，分別如下。方案一，再支護(hù)過(guò)程中僅使用無(wú)泡沫的混凝土支護(hù)方式；方案二，在初期和二次襯砌過(guò)程中使用泡沫混凝土支護(hù)；方案三，在圍巖、初期支護(hù)過(guò)程中使用泡沫混凝土支護(hù)。為了驗(yàn)證三種方式對(duì)最終支護(hù)結(jié)果的影響，選擇初始圍巖應(yīng)力、開(kāi)挖后圍巖應(yīng)力、初期支護(hù)后圍巖應(yīng)力和施工二次襯砌后的圍巖應(yīng)力四個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，并且選擇了拱頂、拱腰、拱腳和仰拱四個(gè)部位作為檢測(cè)點(diǎn)。具體檢測(cè)結(jié)果如圖5至圖7所示。

圖5 方案一檢測(cè)結(jié)果

圖6 方案二檢測(cè)結(jié)果

圖7 方案三檢測(cè)結(jié)果

上述三個(gè)方案中，經(jīng)過(guò)最終檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)分析可知，方案三相比于方案一和方案二在對(duì)圍巖應(yīng)力的卸壓方面表現(xiàn)更優(yōu)。方案一和方案二比較，方案二表現(xiàn)更加出色。表4為不同方案在不同部位對(duì)圍巖應(yīng)力的釋放情況。

表4 不同方案在不同部位對(duì)圍巖應(yīng)力的釋放情況表

從表4可以看出，方案一，其應(yīng)力降低率較低，并且圍巖強(qiáng)度和應(yīng)力的比值約為1.9，整個(gè)隧道仍然處于危險(xiǎn)應(yīng)力下，相反采用方案三時(shí)，隧道圍巖的應(yīng)力釋放比率為62%左右，強(qiáng)度和應(yīng)力的比值約為3.8左右，接近4.0因此采用方案三以后，其強(qiáng)度和應(yīng)力比有了很大提升，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，方案三，對(duì)于隧道二次襯砌過(guò)程中內(nèi)部應(yīng)力降低了50%左右?？傊捎梅桨溉龑⑴菽炷翍?yīng)用于圍巖初期和初期支護(hù)過(guò)程中，對(duì)整個(gè)施工過(guò)程中卸壓效果最為明顯。

2.4 其他力學(xué)參數(shù)對(duì)卸壓性能的影響

除上述影響因素外，選擇材料的力學(xué)參數(shù)對(duì)最終卸壓性能也會(huì)產(chǎn)生影響。力學(xué)性能主要有以下幾種，材料的屈服壓應(yīng)力系數(shù)(k)、靜水屈服拉應(yīng)力系數(shù)(k1)、彈性模量(PE)、單軸抗拉強(qiáng)度(M)等因素。文章采用控制變量法加對(duì)照試驗(yàn)的方式對(duì)每個(gè)因素進(jìn)行分析和研究，由于篇幅所限，本文以彈性模量研究為例進(jìn)行介紹，其他因素僅作為結(jié)論給出。選擇彈性模量的值呈現(xiàn)等差數(shù)列的形式，區(qū)間為400-1000，項(xiàng)數(shù)為4，公差值為200文章檢測(cè)了不同彈性模量下，初始圍巖和二次襯砌應(yīng)力的變化情況，檢測(cè)位置和上一節(jié)保持一致。詳細(xì)情況如圖8、圖9所示。

圖8 不同彈性模量下圍巖應(yīng)力變化

圖9 不同PE下二次襯砌應(yīng)力變化

通過(guò)圖8-圖9可以看出，當(dāng)材料的PE在400-800質(zhì)檢是，峽口隧道的卸壓效果表現(xiàn)最好，并且襯砌結(jié)構(gòu)所受到的壓力載荷相比較來(lái)說(shuō)最小。同時(shí)文章對(duì)泡沫混凝土的k、k1、M對(duì)圍巖及襯砌應(yīng)力的影響進(jìn)行了研究，最終得出如下結(jié)論：

當(dāng)k取值在區(qū)間(0.4，0.6)時(shí)，k1取值在區(qū)間(0.1,0.3)時(shí)，M取值在區(qū)間(2,4)時(shí)，峽口隧道表現(xiàn)出的卸壓效果最好，并且襯砌受到的壓應(yīng)力載荷最下。

3 機(jī)理分析及復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)于峽口隧道采用泡沫混凝土形式進(jìn)行卸壓是良好的并且可進(jìn)行工程應(yīng)用，并且效果是良好的。結(jié)合理論知識(shí)可知，采用此種方法的機(jī)理是采用泡沫混凝土具備可被高比例壓縮的力學(xué)性能，使得隧道圍巖在建設(shè)初期即產(chǎn)生可以被控制的變形量，進(jìn)而使得圍巖的應(yīng)力得到釋放，充分降低了二次支護(hù)過(guò)程中的壓力載荷，以達(dá)到卸壓目標(biāo)并能提升隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)。因此將此結(jié)構(gòu)應(yīng)用與軟巖公路隧道中進(jìn)行卸壓，可以充分發(fā)揮其可承受較大變形的力學(xué)性能，使得圍巖可以承擔(dān)一定程度的變形，達(dá)到高效卸

壓，降低支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力載荷，提高隧道使用安全系數(shù)等級(jí)，降低運(yùn)營(yíng)成本的目標(biāo)。基于此，針對(duì)峽口隧道的特殊結(jié)構(gòu)，同時(shí)基于文章的研究結(jié)論，提出一種新興的復(fù)合式支護(hù)結(jié)構(gòu)。其基本結(jié)構(gòu)如圖10所示。此結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)相比，增加了名為泡沫混凝土層的塑性結(jié)構(gòu)層。

圖10 新興復(fù)合式泡沫混凝土襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

4 結(jié)論

綜上所述，經(jīng)過(guò)研究主要得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)泡沫混凝土卸壓機(jī)理的研究，得到了其卸壓基本機(jī)理為：通過(guò)其可被高壓縮的力學(xué)性能，使得圍巖可產(chǎn)生額外的形變，從而將圍巖的應(yīng)力釋放，對(duì)隧道進(jìn)行高效卸壓，同時(shí)降低支護(hù)載荷，降低隧道的安全運(yùn)營(yíng)成本；

(2)根據(jù)研究機(jī)理分析，提出了一種可適用于軟巖公路隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中增加了一層泡沫混凝土層；

(3)通過(guò)不同方案的論證，認(rèn)為當(dāng)將泡沫混凝土施加于圍巖和初期支護(hù)階段時(shí)，其卸壓效果最為明顯，卸壓比例相比于不采用泡沫混凝土?xí)r，提升了近30個(gè)百分點(diǎn)。在力學(xué)參數(shù)選擇方面，也給出了最優(yōu)選擇范圍；

(4)由于所做研究未充分考慮泡沫混凝土的

具體使用壽命，以及在具體使用環(huán)境中，材料的穩(wěn)定性可能會(huì)受環(huán)境溫度和環(huán)境惡劣程度對(duì)壽命的影響。另外，本研究尚處于初期階段，在實(shí)際的工程化應(yīng)用過(guò)程中，還需逐步迭代優(yōu)化。