软岩公路隧道泡沫混凝土卸压原理及支护方式研究

2020-07-21程秋月高延安

贵阳学院学报(自然科学版) 2020年2期

程秋月，高延安

(1.滁州职业技术学院土木工程系,安徽滁州 239000； 2.淮阴工学院建筑工程学院,江苏淮阴 223300)

随着“走出去”和“一带一路”等国家相关政策的出台，国内基础建设尤其是西部公路交通建设发展迅速，但是由于西部特殊的地形和地貌，在公路建设过程中会出现大量软岩公路隧道，由于此类隧道在变形方面和应力变化方面具有不规律，无法使用固定理论或模型进行表征计算等特点，因此为基础设施的建设带来了巨大挑战。同时实际工程作业环境中地址条年间的差异，现如今尚未建立起一套成熟的施工方法和理论体系。尤其在软岩公路隧道的稳定性差等相关问题，一直困扰着国内外学者和基建行业相关专家，因此研究软岩隧道的卸压机理及其支护方式对相关问题的解决具有一定的理论意义。

近年来，国内外相关学者已经对软岩隧道的卸压机理及其支护方式进行了相关研究。陈思宇等[1]针对高低应力隧道施工过程中，容易发生地质灾害的问题对软岩隧道的卸压机理进行了研究，并研究了采用挖掘导洞等方式对隧道应力进行预应力释放的卸压方式，并提出了针对具体施工环境的一些工程类防治措施。文献[2]等研究了软岩公路隧道相关的卸压机理，并提出了基于泡沫混凝土方式的卸压方式，提升了隧道的应力整体释放率。蒋金泉[3]等人研究了采用巷道爆破成缝技术的卸压原理，并且将其应用至实际工程中取得了良好的效果。Schleiss等[4]提出了使用压力释放阀的卸压原理，降低了卸压的总成本，Castiblanco等[5]针对小断面隧道的修筑过程中的卸压方式。汤雷[6]等研究了基于塑料填充材料的新方法，实验研究表明此方法对应力变形等具有良好的效果。

但是上述研究对于针对峡口隧道的卸压机理研究较少，峡口隧道由于其地质条件的特殊性，需要对其变形和应力分布规律进行细致研究，以提升隧道支护结构的稳定性。因此文章以峡口隧道为研究对象，研究基于泡沫混凝土的软岩公路隧道卸压机理，并给出一种较为稳定的新型支护结构。

1 泡沫混凝土的力学模型研究

1.1 力学性能分析

泡沫混凝土是近年来应用较为广泛的混凝土形式之一，其力学性能已经得到了广泛的研究，仇文革[7-9]等人已对其工程配比进行了研究，并且在进行单轴和静水压缩实验后，投入进行了工程化应用。其特点是质量较轻，同时由于泡沫的存在使得混凝土能够较好的应对变形。其详细配比和相关实验结论如表1(具体原材料配比)、图1(单轴压缩实验)、图2(静水压缩实验)所示。

表1 泡沫混凝土中各类原材料配比情况表 (单位：Kg/m3，泡沫单位：m3/m3)

此外，研究表明除了加入泡沫外，在混凝土中加入防水剂和纤维等材料，可以有效提升混凝土的保温和抗压缩能力。

图1 单轴压缩实验结果

图2 静水压缩实验结果

1.2 泡沫混凝土力学模型

由于前人对泡沫混凝土力学模型研究较多，并且具有较为丰富的理论基础，因此文章不再赘述，仅从流动、屈服和硬化准则角度，分析对泡沫混凝土的力学模型进行简略介绍。

1.2.1 屈服准则

泡沫混凝土的屈服准则遵循椭圆方程的基本理念，其方程如式1所示。

(1)

其屈服面形状和塑性流动的基本关系函数图像如图3所示。

图3 泡沫混凝土屈服面形状和塑性流动的函数图像

1.2.2 流动和硬化准则

泡沫混凝土的塑性应变率和流动势的函数方程如式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应变率值，β2取常数，其值为4.5。

硬化准则描述方程如式(4)所示。

(4)

基于以上理论模型，根据峡口隧道的实际施工特点，选择了泡沫混凝土结构的相关力学参数，参数主要涉及到密度(Kg/m3)、弹性模量(MPa)、泊松比、单轴抗压强度(MPa)，其值分别为720，620，0.41，3。

2 泡沫混凝土卸压机理研究

2.1 工程基本情况介绍

本峡口隧道基本情况如表2所示。

表2 峡口隧道工程基本情况表

2.2 隧道计算模型建立

为了减少隧道卸压机理分析的干扰因素，并且保证计算结果不失准确性，文章对隧道计算模型进行简化。选择隧道模型尺寸为D∈[7D1,10D1]。选择计算模型的尺寸为100*100，并在其上部施加长度为800的围岩自重应力，其简化模型如图4所示。

图4 隧道的简化计算模型

同时为了简化计算，将钢筋网和钢拱架等的弹性模量进行了折算考虑。另外，在计算过程中，各项围岩和支护的力学参数取值如表3所示。

表3 围岩、初期支护和二次支护过程中各项力学参数的选择值

2.3 泡沫混凝土的在施工过程中的应用对卸压效果的影响因素分析

为了探究泡沫混凝土的在施工过程中的应用对卸压效果的影响，建立了三种基本方案，分别如下。方案一，再支护过程中仅使用无泡沫的混凝土支护方式；方案二，在初期和二次衬砌过程中使用泡沫混凝土支护；方案三，在围岩、初期支护过程中使用泡沫混凝土支护。为了验证三种方式对最终支护结果的影响，选择初始围岩应力、开挖后围岩应力、初期支护后围岩应力和施工二次衬砌后的围岩应力四个时间节点，并且选择了拱顶、拱腰、拱脚和仰拱四个部位作为检测点。具体检测结果如图5至图7所示。

图5 方案一检测结果

图6 方案二检测结果

图7 方案三检测结果

上述三个方案中，经过最终检测结果数据分析可知，方案三相比于方案一和方案二在对围岩应力的卸压方面表现更优。方案一和方案二比较，方案二表现更加出色。表4为不同方案在不同部位对围岩应力的释放情况。

表4 不同方案在不同部位对围岩应力的释放情况表

从表4可以看出，方案一，其应力降低率较低，并且围岩强度和应力的比值约为1.9，整个隧道仍然处于危险应力下，相反采用方案三时，隧道围岩的应力释放比率为62%左右，强度和应力的比值约为3.8左右，接近4.0因此采用方案三以后，其强度和应力比有了很大提升，经过实际测量发现，方案三，对于隧道二次衬砌过程中内部应力降低了50%左右。总之，采用方案三将泡沫混凝土应用于围岩初期和初期支护过程中，对整个施工过程中卸压效果最为明显。

2.4 其他力学参数对卸压性能的影响

除上述影响因素外，选择材料的力学参数对最终卸压性能也会产生影响。力学性能主要有以下几种，材料的屈服压应力系数(k)、静水屈服拉应力系数(k1)、弹性模量(PE)、单轴抗拉强度(M)等因素。文章采用控制变量法加对照试验的方式对每个因素进行分析和研究，由于篇幅所限，本文以弹性模量研究为例进行介绍，其他因素仅作为结论给出。选择弹性模量的值呈现等差数列的形式，区间为400-1000，项数为4，公差值为200文章检测了不同弹性模量下，初始围岩和二次衬砌应力的变化情况，检测位置和上一节保持一致。详细情况如图8、图9所示。

图8 不同弹性模量下围岩应力变化

图9 不同PE下二次衬砌应力变化

通过图8-图9可以看出，当材料的PE在400-800质检是，峡口隧道的卸压效果表现最好，并且衬砌结构所受到的压力载荷相比较来说最小。同时文章对泡沫混凝土的k、k1、M对围岩及衬砌应力的影响进行了研究，最终得出如下结论：

当k取值在区间(0.4，0.6)时，k1取值在区间(0.1,0.3)时，M取值在区间(2,4)时，峡口隧道表现出的卸压效果最好，并且衬砌受到的压应力载荷最下。

3 机理分析及复合式衬砌结构

通过上述实验结果可知，对于峡口隧道采用泡沫混凝土形式进行卸压是良好的并且可进行工程应用，并且效果是良好的。结合理论知识可知，采用此种方法的机理是采用泡沫混凝土具备可被高比例压缩的力学性能，使得隧道围岩在建设初期即产生可以被控制的变形量，进而使得围岩的应力得到释放，充分降低了二次支护过程中的压力载荷，以达到卸压目标并能提升隧道衬砌结构的安全系数。因此将此结构应用与软岩公路隧道中进行卸压，可以充分发挥其可承受较大变形的力学性能，使得围岩可以承担一定程度的变形，达到高效卸

压，降低支护结构应力载荷，提高隧道使用安全系数等级，降低运营成本的目标。基于此，针对峡口隧道的特殊结构，同时基于文章的研究结论，提出一种新兴的复合式支护结构。其基本结构如图10所示。此结构和传统的复合式衬砌结构相比，增加了名为泡沫混凝土层的塑性结构层。

图10 新兴复合式泡沫混凝土衬砌支护结构示意图