泡沫混凝土换填技术在隧道工程中的应用研究

项小伟

(浙江交工宏途交通建设有限公司，浙江 杭州 310051)

1 工程概况

某公路改建工程于K15+600～K15+840段穿越木山岭，木山岭为一南北走向的山体，最大高程约为190.6 m，中线最大高程约183.0 m，设计高程约为131.6～133.3 m，改建公路在此采用隧道形式穿越该山岭，隧道中心里程为K15+720，全长为240 m。本隧道全部位于直线段上。隧道由进口至出口方向为0.7%的下坡，进口的路线设计标高为133.286 m，出口设计标高为131.606 m，隧道最大埋深约50 m。其中在K15+655～K15+680段处于断裂破碎带，该断裂破碎带中为断层泥充填，呈粘性土状，黄褐色夹灰白色，为泥质页岩等在构造运动过程中挤压破碎，可见少量泥质页岩、硅质页岩碎块，围岩较为破碎，采用换填法进行施工。本文便基于该段进行数值建模分析。

2 建立数值模型

本文利用ABAQUS有限元软件建立隧道模型，由图可知，隧道模型长(x轴)80 m，高(z轴)50 m，其中隧道直径为6.0 m，隧道中心距离地表深度为15 m，沿隧道进深(y轴)取值为单位长度1。文中采用泡沫混凝土对隧道中心正上方土体进行换填，换填层宽度为12.0 m，换填层底部距离隧道中心5.0 m，其中模型网格均采用实体单元，除模型上表面外，其他各表面均施加位移约束。

在路基填筑中，换填高度对于减小路基表面沉降具有较大的影响，因此本文将换填高度分为0 m、1 m、2 m、3 m、4 m和5 m，以此得到隧道开挖地表沉降与换填高度的关系。同时，考虑到不同隧道开挖其地层损失率大小不同(地层损失率，即指盾构施工中实际开挖土体体积与竣工隧道体积之差)，为了分析不同地层损失率条件下最佳换填高度是否相同，如表1所示，考虑了地层损失率为1.0%、2.0%和3.0%时，不同换填高度条件下地表变形，共分为18个不同的计算工况，以此来研究不同泡沫混凝土换填深度以及不同的地层损失率对地表位移的影响。18个不同的地层损失率和换填深度工况条件具体如表1所示。

表1 18个不同的地层损失率和换填深度工况

本文目的是探讨不同泡沫混凝土换填深度以及不同的地层损失率对地表位移的影响，因此不针对具体工程，土层厚度50 m范围内分为3层，分别为粉质黏土、黏土、粉砂，高度分别为6 m、18 m和16 m，土体以及泡沫混凝土的具体参数如表2所示。

表2 土层及泡沫混凝土参数

3 数值结果分析

3.1 地层损失率为1.0%时地表位移分析

如图1所示，为地层损失为1.0%时隧道地表位移云图，由于篇幅有限，本节只提取未换填和换填深度为5 m的位移云图进行分析。由图1(a)可知，地层损失为1.0%且隧道上方土体未进行换填时，地表最大沉降出现在隧道正上方，且地表最大沉降为6.1 mm，从隧道顶部到地表沉降依次减小。如图1(b)可以看到，隧道开挖以后，由于换填作用地表沉降略有减小，最大值为4.8 mm，从位移分布云图可以看到，位移主要发生在隧道拱顶至换填土层下表面，由于换填作用，大大削减了拱顶沉降位移向上的传递。对比二者云图可以看到，从换填土层开始至地表区域，位移云图分布发生了较大的变化，可以明显的观察出由于换填土的存在出现了位移变化明显交界面。

图1 隧道开挖引起的地表位移(地层损失为1.0%)

3.2 地层损失率为2.0%时地表位移分析

图2 隧道开挖引起的地表位移(地层损失为2.0%)

如图2所示，为地层损失为2.0%时隧道地表位移云图，由于篇幅有限，本节只提取未换填和换填深度为5 m的位移云图进行分析。由图2(a)可知，地层损失为2.0%且隧道上方土体未进行换填时，地表最大沉降表现出相似的规律，即出现在隧道正上方，且地表最大沉降为11.4 mm，从隧道顶部到地表沉降依次减小。如图2(b)可以看到，隧道开挖以后，由于换填作用使得地表沉降大大减小，最大值仅为3.3 mm，从位移分布云图可以看到，位移主要发生在隧道拱顶至换填土层下表面，由于换填作用，大大削减了拱顶沉降位移向上的传递。对比二者云图可以明显的观察出由于换填土的存在出现了位移变化明显交界面，将图2与图1对比可以发现，随着底层损失率的提高，泡沫混凝土置换土体产生的效果得到了提升，或者说是随着底层损失率的提高，置换效果更为明显。

3.3 地层损失率为3.0%时地表位移分析

如图3所示，为地层损失为3.0%时隧道地表位移云图，由于篇幅有限，本节只提取未换填和换填深度为5 m的位移云图进行分析。由图3(a)可知，地层损失为3.0%且隧道上方土体未进行换填时，地表最大沉降出现在隧道正上方，地表最大沉降为26.9 mm，从隧道顶部到地表沉降依次减小。如图3(b)可以看到，隧道开挖以后，由于换填作用使得地表沉降大大减小，最大值仅为11.4 mm，从位移分布云图可以看到，位移主要发生在隧道拱顶至换填土层下表面，由于换填作用，大大削减了拱顶沉降位移向上的传递。对比二者云图可以明显的观察出换填前后在换填层底面也出现明显的位移变化交界面，将图3与图1和2对比可以发现，随着底层损失率的提高，泡沫混凝土置换土体产生的效果得到了较大的提升。综上所述，可知泡沫混凝土置换隧道上方土体能有效减小隧道上方地表的沉降，且随着地层损失率的增加，其置换效果更为明显。

图3 隧道开挖引起的地表位移(地层损失为3.0%)

3.4 隧道土体换填前后位移对比分析

如图4所示，为隧道开挖以后地表最大沉降与换填深度之间的关系图，当地层损失率为1.0%时，未换填以及换填高度为1 m、2 m、3 m、4 m和5 m对应的地表最大沉降依次为6.1 mm、5.8 mm、5.7 mm、5.6 mm、5.6 mm和5.4 mm，由图可知，随着换填深度的增加，由于隧道开挖产生的地表沉降减小不明显，当换填高度为5 m时地表沉降减小了约18.5%；当地层损失率为2.0%时，未换填以及换填高度为1 m、2 m、3 m、4 m和5 m对应的地表最大沉降依次为11.4 mm、10.8 mm、9.7 mm、7.9 mm、4.8 mm和3.3 mm，由图可知，随着换填深度的增加，由于隧道开挖产生的地表沉降较为明显，当换填高度为5 m时地表沉降减小了约71.1%；当地层损失率为3.0%时，未换填以及换填高度为1 m、2m、3 m、4 m和5 m对应的地表最大沉降依次为26.9 mm、23.7 mm、19.9 mm、17.2 mm、14.8 mm和11.4 mm，随着换填深度的增加，由于隧道开挖产生的地表沉降减小比较明显，当换填高度为5 m时地表沉降减小了约57.6%。

综上可知，对于地层损失率为2%和3%时，泡沫混凝土的置换作用效果非常显著，且能减小地表沉降分别为71.1%和57.6%，此外，观察三种地层损失率情况时换填作用下地表最大沉降与换填深度关系图，可以看到，换填高度大于3 m时，其发挥作用要明显大于换填高度小于3 m时。

图4 地表最大沉降与换填深度关系图

4 结 论

泡沫混凝土作为一种新型的工程土体置换材料，在路基等工程中得到了广泛的应用，为了得到泡沫混凝土在隧道中应用效果，本文主要考虑了地层损失率1.0%、2.0%和3.0%三种情况，并将每种条件下的土体换填高度分为0 m、1 m、2 m、3 m、4 m和5 m，共18个计算工况的计算结果进行分析，得到以下结论。

(1)隧道拱顶上方土体未置换时地表最大沉降出现在隧道正上方且从隧道顶部到地表沉降依次减小。地层损失为1.0%时地表最大沉降为6.1 mm，地层损失为2.0%时地表最大沉降为11.4 mm，地层损失为3.0%时地表最大沉降为26.9 mm，利用泡沫混凝土处理以后，当换填高度为5 m时，地面最大沉降依次减小到4.8 mm、3.3 mm、11.4 mm，且换填前后在换填层底面也出现明显的位移变化交界面。

(2)地层损失率为2%和3%时，泡沫混凝土的置换作用效果非常显著，且能减小地表沉降分别为71.1%和57.6%，且当换填高度大于3m时，泡沫混凝土作用发挥更为明显。