采用泡沫輕質土對高填明洞二次回填的結構受力特性研究

李 明，嚴松宏，李 盛，馬玉春，趙錄學，張振瓊

(1.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州鐵道設計院有限公司，甘肅 蘭州 730000；3.中國鐵路蘭州局集團有限公司 蘭州工程建設指揮部，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-隧道的方式時可提高城市用地的靈活性，隨著城市規(guī)模不斷擴大和規(guī)劃調整，既有高填明洞已無法滿足交通、排洪、土地開發(fā)等的需要，需進行二次回填。

國內外對于高填明洞回填研究主要是針對回填材料、回填方式、減載措施、不同明洞形式等的一次回填研究，在此基礎上研究高填明洞在不同減載措施下的影響因素、結構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筑物頂部鋪設EPS板前后，涵頂土壓力變化及結構受力情況，計算結果表明，采用涵洞頂部鋪設EPS板卸載后，頂部卸載28%，底部卸載42%，而涵洞側邊則影響不明顯。顧安全等[4]、白冰等[5]探究了利用EPS板進行土壓力減載，并在實際工程中推廣。楊錫武等[6]、鄭俊杰等[7]通過試驗及理論推導提出了土工格柵加筋橋減載法。實際工程中雖然利用上述理論進行了減載，但考慮時間效應等因素，高填明洞結構在一次回填作用下仍然承受了較大荷載。

泡沫輕質土作為一種新型建筑材料[8-9]，具有輕質性、流動性、強度可調節(jié)、固化后可自立等優(yōu)點，目前在市政、公路等工程中得到了廣泛的應用。Lee等[10]將輕質泡沫土和疏浚土作為地下管道回填材料進行對比分析，得出泡沫輕質土更適合用于管道回填。Yoon[11-12]進行了泡沫輕質土的無側限抗壓強度試驗，深入研究了泡沫輕質土的性能，表明了泡沫輕質土能夠代替常規(guī)填土材料作為路堤和土結構的回填材料。陳忠平等[13]研究了泡沫輕質土的吸水特性，當膠凝材料為快硬水泥時，泡沫輕質土的吸水率顯著降低，提高了泡沫輕質土在工程中的換填減載效果，為確保大體積泡沫輕質土的施工質量，需要對施工區(qū)進行分層、分縫澆筑，留出沉降縫位置，需選用高性能發(fā)泡劑，計量精度高和產能大的自動化施工設備。肖禮經[14]分析了橋頭跳車對行車的影響，并以泡沫輕質土橋臺填筑為例，深度分析了泡沫輕質土的對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泡沫土進行置換回填，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例，本文以西部某地區(qū)鐵路高填明洞二次回填實際工程為依托，采用泡沫輕質土作為回填材料，按等質量置換原則進行二次回填。通過數值模擬確定合理泡沫土回填范圍和開挖置換深度，并結合現場實測數據對比驗證，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87 m，明洞結構跨度13.23 m，高12.24 m，設計回填高度15 m，明洞襯砌厚度1.2 m，采用C40鋼筋混凝土。工程場地在勘探深度范圍內的地層主要為回填土、砂質黃土、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，需對明洞頂部進行二次回填。既有高填明洞頂部荷載較大，結構已經接近或達到受力極限，因此利用泡沫輕質土容重小、流動性好、強度和耐久性高的特性，按照等質量置換原則進行二次回填，可以達到增加既有高填明洞回填高度，又不影響明洞結構安全的目的。等質量置換示意圖見圖2圖中，B為回填范圍寬度，θ為回填范圍角度。

圖2 等質量置換示意

根據等質量置換原則，既有明洞下挖土方荷載等于二次回填輕質泡沫土總荷載，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土的高度，m。

2 輕質泡沫土合理回填范圍及開挖置換深度的確定

2.1 模型的建立及參數選取

由于兩側二次回填土石對中間回填層的附加剪力作用有限，且從工程經濟性角度考慮二次回填泡沫輕質土在高填明洞上方一定范圍內回填即可，因此需要確定一個合理的泡沫土回填范圍和向下的開挖置換深度。根據本工程實際情況，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建立平面應變模型進行合理回填范圍和開挖置換深度分析。由于邊界條件對有限元模型計算精度影響較大，本模型計算寬度取兩側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)。有限元網格劃分見圖3。

圖3 有限元網格劃分示意(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現。根據等質量置換原則，結合現場實際，泡沫輕質土相關參數參照文獻[20]，巖土體基本物理力學參數參照地勘資料，彈性模量和泊松比參考文獻[16-19]類似地層,并結合本工程區(qū)域地質特征采取經驗數值，基本材料計算參數見表1。

表1 基本材料計算參數

2.2 施工步驟及計算工況擬定

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土分層回填至設計標高，對泡沫輕質土回填范圍以外區(qū)域采用土石對稱分層回填，計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算工況見圖4、表2。

圖4 二次回填施工步驟示意

表2 計算工況

2.3 隧道初始狀態(tài)受力分析

既有高鐵明洞隧道襯砌結構初始內力見圖5。

圖5 初始狀態(tài)襯砌內力圖

高填明洞二次回填與既有隧道初始狀態(tài)受力密切相關，明洞結構設計拱部多為近圓形斷面，仰拱相對扁平，墻腳位置多為應力集中部位，從初始狀態(tài)隧道結構受力上可看出，隧道拱頂、墻腳、仰拱為受力薄弱部位，因此結構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

由于計算所得的水平位移值和結構上浮數值變化較小，位移分析僅從豎直沉降進行分析，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準取決于結構的重要性等級、耐久性等情況，根據文獻[21]，結合本地區(qū)工程經驗，既有隧道結構的容許位移值見表3。

表3 既有隧道結構容許位移值

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，這是因為下挖置換深度越大，對應上部兩側回填土越高，傳遞至隧道結構的荷載越大。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，兩側回填土范圍越小，土壓力向下傳遞較少，且開挖范圍較大時，隧道結構引起的回彈加大，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力見圖8。襯砌結構各部位的拉應力至均小于C40混凝土極限抗拉強度2.7 MPa。

圖8 不同泡沫土回填范圍角度與開挖轉換深度下的襯砌拉應力

由圖8(a)、圖8(b)可知，襯砌拱頂拉應力隨下挖置換深度增加整體呈上升趨勢，拉應力數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，拱頂拉應力數值遞增，說明泡沫土回填范圍越大拱頂受拉應力越大。襯砌墻腳拉應力隨下挖置換深度增加整體呈上升趨勢，拉應力數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，墻腳拉應力數值遞減，這說明泡沫土回填范圍越大墻腳受拉應力越小。

由圖8(c)可知，襯砌仰拱拉應力在泡沫土回填范圍角度為0°時，隨下挖置換深度增加呈上升趨勢，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，各泡沫土回填范圍角度情況下仰拱拉應力均達到了最小值，泡沫土回填范圍角度為45°的整體仰拱拉應力數值均小于其他回填范圍時的數值。

繪制回填范圍45°和下挖深度4 m情況下高填明洞拉應力分布圖，見圖9。由圖9可知，整體拉應力數值：仰拱拉應力>拱腳拉應力>拱頂拉應力>拱腰拉應力>拱肩拉應力，仰拱受拉應力最大。從45°回填范圍情況不同下挖深度的包絡關系看，下挖深度8 m時明洞各部位的拉應力明顯大于其他下挖情況，其他下挖深度2、4、6 m時，拱頂、拱肩、拱腰的拉應力差別不大，拱腳拉應力在下挖深度2 m時出現最小值，仰拱拉應力在下挖深度4 m時出現最小值。從下挖深度4 m情況不同回填范圍的包絡關系看，拱頂、拱肩、拱腰部位拉應力數值在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了一個較小的拉應力數值，且仰拱拉應力在45°回填范圍情況下出現了拉應力最小值。

圖9 高填明洞拉應力分布

2.4.3 襯砌安全系數分析

明洞襯砌安全系數計算根據文獻[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行計算，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見圖10。

圖10 襯砌安全系數

根據文獻[22]，明洞襯砌按破損階段檢算構件截面強度時，根據結構所受的不同荷載組合，在計算中分別選用不同的安全系數，見表4。

表4 鋼筋混凝土結構的強度安全系數

經計算襯砌結構各部位的安全系數均滿足文獻[22]要求的混凝土達到極限抗拉強度時安全系數大于2.4的要求。

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

由圖10(b)、圖10(c)可知，墻腳和仰拱安全系數在泡沫土回填范圍角度0°時，隨著下挖置換深度增加，安全系數先減小再增大，且整體數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，墻腳和仰拱安全系數隨著下挖置換深度增加，均出現先增大再減小的趨勢，下挖深度為4 m時，安全系數達到最大值，泡沫土回填范圍角度為45°時的整體安全系數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

從位移分析結果可知開挖回填輕質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，拱頂和墻腳位移超過允許值；經對比分析，各種情況組合計算下，泡沫土回填范圍角度為45°，下挖置換深度為4 m時，襯砌仰拱拉應力達到最小值，墻腳和仰拱安全系數達到最大值。綜合考慮結構受力安全性、合理性及工程經濟性，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 實際施工過程及監(jiān)控量測

3.1 現場施工工序

根據以上研究結論，現場實際以原始回填頂面為0 m，回填范圍角度為45°范圍內下挖4 m，再進行分層回填施工，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

3.2.1 監(jiān)測點布置

既有明洞為運營線路，明洞回填段落洞內拱頂內間隔40 m有兩處接觸網吊柱，選擇吊柱上螺栓作為參照物作為拱頂沉降測點，兩側邊墻貼反光片作為洞周收斂測點。監(jiān)測點布置見圖12。

圖12 監(jiān)測點布置示意

3.2.2 監(jiān)測結果分析

洞內拱頂沉降值和洞周收斂值見圖13。由圖13可知，洞頂基坑下挖會引起地層產生一定回彈，隧道拱頂產生向上位移，洞周則產生向內的位移，基坑挖至底部時產生最大拱頂向上位移4.7 mm，最大洞周凈空收斂1.6 mm；隨著基坑內泡沫土和兩側土石的回填，拱頂逐漸產生向下的位移，洞周向外產生位移，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地層回彈引起的結構變形大于壓縮引起的結構變形。

圖13 洞內拱頂沉降值和洞周收斂

根據現場實測結果，在基坑挖至底部時拱頂產生向上的位移約1 mm，洞周向內凈空收斂約0.2 mm。隨著基坑內泡沫土和兩側土石的回填，明洞結構位移超過初始拱頂沉降和洞周凈空，產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。基坑下挖和回填過程中實測所得的拱頂沉降和洞周收斂數值均很小，說明回填土體長期固結壓實形成一定的土拱效應，數值模擬計算無法完全考慮后期土體固結形成的真實土拱效應，導致實測數值和計算值存在差異，由于土拱效應的存在，一部分荷載由土拱承擔，結構實際所受荷載和產生的位移均較數值模擬計算數值小。

考慮到該隧道的重要性及襯砌長期存在滲漏水等病害情況，其重要性等級為Ⅰ級，由以上圖表可知計算值和實測值的拱頂沉降、結構上浮、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構安全。

4 結論

(1)利用輕質泡沫土對既有高填明洞頂部按照等質量置換原則在一定范圍和開挖置換深度下進行二次回填，安全可靠，其結構位移、應力、安全系數均能滿足要求。

(2)開挖回填輕質泡沫土范圍越大，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，拱頂和墻腳位移超過允許值，此時會影響隧道結構的安全性。

(3)經對比分析，各種情況組合計算下，泡沫土回填范圍角度為45°，下挖置換深度4 m時，襯砌仰拱拉應力達到最小值，墻腳和仰拱安全系數達到最大值。綜合考慮結構受力安全性、合理性及工程經濟性，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)根據現場實測數據和計算值位移對比分析，隧道結構在隧道下挖基坑過程中由于地層回彈會產生拱頂向上和洞周向內的位移，最終回填后會產生拱頂下沉和洞周向外的位移，實測數據由于土拱效應小于計算值。