復(fù)合式襯砌兩種緩沖層結(jié)構(gòu)性能的對比分析

宋超業(yè) 李暢 鄭余朝 王漢晨 王剛 仇文革

1.中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300308；2.成都天佑智隧科技有限公司，成都610031；3.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都610031；4.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都610031

隧道建設(shè)過程中的高地應(yīng)力、流變等地質(zhì)災(zāi)害問題嚴(yán)重影響隧道及地下工程的施工和運(yùn)營安全［1］。目前治理隧道高地應(yīng)力大變形、流變等地質(zhì)災(zāi)害問題的理論和方法尚處于探索階段。近年來一種基于讓壓支護(hù)的治理理念在國內(nèi)外逐漸發(fā)展完善，并逐步得到廣泛認(rèn)同。20世紀(jì)90年代末，Kovári［2］指出若強(qiáng)行抑制圍巖變形，會導(dǎo)致過大的圍巖壓力，致使結(jié)構(gòu)內(nèi)力超出承載能力，擠壓性圍巖隧道施工中唯一可行的支護(hù)方案是讓支護(hù)結(jié)構(gòu)在破壞失效之前可隨圍巖一起變形，發(fā)展出“屈服控制”支護(hù)理念。Anagnostou等［3］指出實(shí)現(xiàn)屈服控制支護(hù)的方式有兩種：①采用可滑動(dòng)鋼架和高延性混凝土的組合；②在剛性支護(hù)的背后填充可壓縮層。劉天嘯［4］圍繞圍巖應(yīng)力轉(zhuǎn)移和巷道大變形控制展開研究，提出了預(yù)留變形空間的“卸壓+讓壓”聯(lián)合控制技術(shù)并成功應(yīng)用于現(xiàn)場。仇文革、王剛等［5-6］基于主動(dòng)引導(dǎo)圍巖變形與釋放圍巖壓力的理念，研發(fā)了限制支護(hù)阻力阻尼器，簡稱限阻器。以限阻器為基礎(chǔ)沿環(huán)向布設(shè)形成了限阻耗能型支護(hù)。該支護(hù)方式在陽山隧道、鄭莊隧道等黃土隧道得到成功應(yīng)用后，又推廣應(yīng)用于多座高地應(yīng)力水平砂泥巖互層隧道的初期支護(hù)破裂治理［7-8］。

除基于讓壓錨桿、讓壓U形鋼架以及環(huán)向限阻器的讓壓支護(hù)技術(shù)方案，基于緩沖層的讓壓支護(hù)方案也應(yīng)用于多種復(fù)雜地質(zhì)工況的隧道中，并取得了良好的效果。胡俊等［9］通過試驗(yàn)研究了以聚苯乙烯（Expanded Polystyrene，EPS）混凝土作為緩沖層的隧道結(jié)構(gòu)抗爆性能，發(fā)現(xiàn)緩沖層可明顯減小隧道結(jié)構(gòu)頂部壓強(qiáng)峰值，但壓強(qiáng)峰值減小的速率隨緩沖層厚度的增加而減小。雷江等［10］提出了在圍巖與管片之間安裝聚氨酯緩沖層的新型大變形治理支護(hù)方案。吳順川等［11］研究表明，將EPS緩沖層作為初期支護(hù)與二次襯砌間的支護(hù)結(jié)構(gòu)是富水膨脹性圍巖隧道的有效支護(hù)形式和潛在災(zāi)害防治措施。

本文分析采用聚乙烯閉孔泡沫板、徑向管式限阻器作為緩沖層釋放含膏泥灰?guī)r及膏溶角礫巖因圍巖劣化產(chǎn)生的附加形變壓力的作用效果及差異性。通過FLAC 3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析，提出緩沖層結(jié)構(gòu)的下一步優(yōu)化方向。

1 工程概況

瓦日鐵路南呂梁山隧道巖性為泥灰?guī)r、含膏泥灰?guī)r，圍巖屬軟巖、極軟巖。由于巖體存在軟化、溶蝕等劣化效應(yīng)，結(jié)構(gòu)變形存在明顯時(shí)間效應(yīng)，且含膏巖對二次襯砌存在侵蝕性，因而施作二次襯砌后變形仍未完全收斂。南呂梁山隧道結(jié)構(gòu)變形發(fā)展持續(xù)至運(yùn)營期，最終部分段落在形變壓力作用下發(fā)生二次襯砌開裂（圖1）。南呂梁山隧道病害分布區(qū)段明顯，隧道變形開裂具有持續(xù)性。

圖1 二次襯砌開裂

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念與初步方案

膏鹽巖巖體軟化、溶蝕、剪脹擴(kuò)容等因素均會導(dǎo)致圍巖形變壓力增大，應(yīng)基于形變壓力的特征設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)。當(dāng)圍巖壓力以形變壓力為主時(shí)并非定值，而是隨圍巖變形量、支護(hù)剛度和支護(hù)時(shí)機(jī)變化。單純增加支護(hù)剛度，圍巖壓力也會增大，一些工況下強(qiáng)大的聯(lián)合支護(hù)手段仍不能夠抵抗圍巖的形變壓力。如果增大結(jié)構(gòu)容許變形量或降低支護(hù)剛度，容許圍巖釋放一定的形變壓力，初期支護(hù)受力會相應(yīng)減小。因此，應(yīng)當(dāng)形成“以放為主、限量抵抗”的支護(hù)原則［7-8］。

由于圍巖壓力與支護(hù)阻力的平衡存在多解性，設(shè)計(jì)時(shí)要通過引導(dǎo)圍巖變形，尋求圍巖壓力和支護(hù)阻力的更優(yōu)解，以提高支護(hù)方案的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性。擬定的初步方案是在拆換后的初期支護(hù)與二次襯砌之間拱墻處設(shè)置緩沖層，釋放圍巖形變壓力。根據(jù)隧道病害段二次襯砌的變形情況，緩沖層的厚度不應(yīng)低于50 mm?；诰彌_層的襯砌優(yōu)化橫斷面設(shè)計(jì)方案見圖2。

圖2 設(shè)置緩沖層的復(fù)合式襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)橫斷面（單位：cm）

3 緩沖層方案

可選用的緩沖層包括聚乙烯閉孔泡沫板和徑向管式限阻器。

3.1 聚乙烯閉孔泡沫板

經(jīng)試驗(yàn)檢測，聚乙烯閉孔泡沫板的基本性能參數(shù)是：表觀密度為96 kg/m3，抗拉強(qiáng)度為1 084 kPa，抗壓強(qiáng)度（壓縮變形量小于10%時(shí)所能承受的最大壓應(yīng)力）為234 kPa，70℃條件下壓縮50%經(jīng)22 h后的永久變形為2.7%。

3.2 徑向管式限阻器

徑向管式限阻器由上下兩片連接鋼板與鍍鋅鋼管構(gòu)成，采用焊接連接，共四條焊縫。與初期支護(hù)接觸的連接鋼板預(yù)留連接螺栓孔，通過膨脹螺栓與初期支護(hù)混凝土連接。與二次襯砌接觸的連接鋼板中央預(yù)留螺絲孔位，通過螺栓及墊片加強(qiáng)鋼板與鍍鋅鋼管的連接。同時(shí)在施作土工布及防水板之前先掛設(shè)一層網(wǎng)眼尺寸為10 cm×10 cm的鋼筋網(wǎng)，并與限阻器連接板點(diǎn)焊。小間距鋼筋網(wǎng)優(yōu)化組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件傳力的均勻性能夠增強(qiáng)組合結(jié)構(gòu)的整體性。基于徑向管式限阻器緩沖層的復(fù)合式襯砌構(gòu)造見圖3。

圖3 基于徑向管式限阻器緩沖層的復(fù)合式襯砌構(gòu)造

3.3 兩種緩沖層壓縮力學(xué)性能對比

聚乙烯閉孔泡沫板緩沖層和徑向管式限阻器緩沖層的壓縮力學(xué)性能對比見圖4。

圖4 兩種緩沖層壓縮性能對比

由圖4可知：聚乙烯緩沖層支護(hù)阻力隨壓縮率增大而增大，屬增阻型；限阻器緩沖層隨著壓縮率增大存在增阻-恒阻-增阻的變化特征，且近恒阻變形行程占比超過75%。緩沖層設(shè)計(jì)有效壓縮量為支護(hù)阻力小于初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的極限承載力且大于二次襯砌灌漿壓力所對應(yīng)的變形量。二次襯砌回填灌漿壓力約為0.15～0.25 MPa。而將基于圓形小孔板的彈性理論計(jì)算值作為參考，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)極限承載力近似取1.5 MPa。聚乙烯緩沖層有效壓縮率約為50%，而限阻器緩沖層有效壓縮率超過75%。

4 數(shù)值模擬分析

為了驗(yàn)證緩沖層方案的合理性，設(shè)置三種工況進(jìn)行計(jì)算。

①工況一：常規(guī)復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。

②工況二：基于聚乙烯緩沖層的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，即初期支護(hù)與二次襯砌之間施作5 cm厚聚乙烯泡沫塑料板。

③工況三：基于徑向限阻器緩沖層的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，即初期支護(hù)與二次襯砌之間施作10 cm厚徑向限阻器。

4.1 模型與參數(shù)

圍巖、初期支護(hù)、聚乙烯泡沫板緩沖層及二次襯砌均采用實(shí)體單元模擬。圍巖采用多節(jié)理彈塑性本構(gòu)模型，初期支護(hù)、二次襯砌采用基于摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則的本構(gòu)模型，緩沖層采用各向同性彈性本構(gòu)模型。

根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果，該隧道原巖水平地應(yīng)力為16.0～18.5 MPa。因此，計(jì)算模型左右應(yīng)力邊界取20 MPa，上部應(yīng)力邊界取11.88 MPa；計(jì)算考慮重力影響（g取9.81 m/s2）。

地層及節(jié)理參數(shù)根據(jù)勘察設(shè)計(jì)資料取值，見表1?；炷羺?shù)根據(jù)混凝土剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果取值［13］。

表1 地層及節(jié)理計(jì)算參數(shù)

先不考慮圍巖劣化計(jì)算隧道開挖并施作初期支護(hù)至達(dá)到平衡狀態(tài)的受力，在施作二次襯砌及緩沖層后再計(jì)算圍巖劣化對結(jié)構(gòu)受力的影響。圍巖劣化通過對巖體剪切強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減實(shí)現(xiàn)，折減系數(shù)為1.5。由于初期支護(hù)與二次襯砌之間設(shè)置了土工布、防水板，接觸界面以傳遞法向應(yīng)力為主，剪切應(yīng)力很小，力學(xué)效應(yīng)通過設(shè)置接觸參數(shù)進(jìn)行模擬［12］。初期支護(hù)厚25 cm，二次襯砌厚70 cm，參數(shù)見表2和表3。

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

表3 初期支護(hù)與二次襯砌接觸參數(shù)

聚乙烯緩沖層及限阻器緩沖層單元在其工作行程內(nèi)通過壓縮性能曲線設(shè)置其力學(xué)參數(shù)，在超過其變形最大值后取較大的剛度。數(shù)值模擬分析軟件采用FLAC 3D。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況及計(jì)算精度要求，計(jì)算模型尺寸設(shè)置為150 m×130 m×30 m。數(shù)值計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分見圖5。

圖5 不同計(jì)算工況計(jì)算模型及洞周網(wǎng)格劃分

4.2 無緩沖層方案的受力分析

無緩沖層的常規(guī)襯砌支護(hù)條件下洞周應(yīng)力場和塑性區(qū)的分布見圖6。其中，紅色為塑性區(qū)?？芍核苄詤^(qū)主要分布于洞周6～9 m內(nèi)，其余巖體尚未進(jìn)入塑性；最小主應(yīng)力的絕對值最大值位于拱頂及仰拱9～10 m處，尚未進(jìn)入塑性的巖體內(nèi)，最大值為-28.47 MPa（壓應(yīng)力）；塑性區(qū)內(nèi)的巖體以剪切塑性為主，由于考慮了剪脹作用，這部分巖體發(fā)生膨脹，對襯砌產(chǎn)生膨脹形變壓力。

圖6 常規(guī)支護(hù)下塑性區(qū)及洞周最小主應(yīng)力分布

最小主應(yīng)力分布可代表襯砌環(huán)向壓應(yīng)力分布。常規(guī)襯砌結(jié)構(gòu)的初期支護(hù)及二次襯砌最小主應(yīng)力分布見圖7?？芍撼跗谥ёo(hù)時(shí)全環(huán)受壓，在邊墻、仰拱及拱頂均有較大壓應(yīng)力，最大值為-17.65 MPa；二次襯砌時(shí)全環(huán)受壓，壓應(yīng)力最大值位于拱頂及仰拱拱腰，最大壓應(yīng)力為-22.39 MPa。

圖7 常規(guī)支護(hù)襯砌最小主應(yīng)力分布（單位：MPa）

4.3 含緩沖層支護(hù)方案的受力分析

含緩沖層的支護(hù)結(jié)構(gòu)洞周應(yīng)力場的分布規(guī)律與常規(guī)支護(hù)相同。施作不同緩沖層的襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布見圖8和圖9。

圖8 工況二襯砌最小主應(yīng)力分布（單位：MPa）

圖9 工況三襯砌最小主應(yīng)力分布（單位：MPa）

由圖8和圖9可知：兩種工況的初期支護(hù)拱頂、仰拱及邊墻均有較大壓應(yīng)力，工況二、工況三壓應(yīng)力最大值分別為-27.12、-21.51 MPa；兩種工況二次襯砌壓應(yīng)力最大值位于拱頂，工況二、工況三壓應(yīng)力最大值分別為-8.95、-6.35 MPa；仰拱拱腰也有較大壓應(yīng)力；初期支護(hù)及二次襯砌均全環(huán)受壓。

4.4 三種支護(hù)方案對比

三種方案的支護(hù)效果見表4。可知：施作緩沖層后，允許圍巖-初期支護(hù)體系產(chǎn)生更多變形，釋放圍巖壓力，與常規(guī)支護(hù)相比，初期支護(hù)受力增大而二次襯砌受力明顯減小。

表4 各支護(hù)方案作用效果對比

聚乙烯緩沖層和限阻器緩沖層的主要差異如下：

1）聚乙烯泡沫板施工簡便，可操作性強(qiáng)，能與初期支護(hù)密貼，各部分緩沖性能分布均勻。

2）在富水段，聚乙烯泡沫板吸水后變形模量增大，降低其緩沖性能；并且存在老化問題，在長時(shí)間周期內(nèi)緩沖性能不穩(wěn)定。

3）聚乙烯泡沫板有效壓縮率較低。工況二有效壓縮率約50%，即2.5 cm。不可利用段壓縮量一部分是由于二次襯砌回填灌漿壓力（約0.15～0.25 MPa）引起的先期壓縮量，約占15%；另一部分是由于泡沫板的變形模量及壓縮應(yīng)力隨壓縮量的增大而增大，且壓縮性能是在單軸受壓情況下測定的，在實(shí)際施工中的三軸受力條件與泊松效應(yīng)將使其變形模量進(jìn)一步增大，當(dāng)壓縮率約65%時(shí)，泡沫板傳遞給二次襯砌的壓縮應(yīng)力已超過二次襯砌的開裂荷載，此時(shí)泡沫板已經(jīng)喪失緩沖性能，因而總的有效壓縮率約為50%。

4）限阻器緩沖層的施工工藝相對較復(fù)雜，難以保證與初期支護(hù)密貼。并且由于二次襯砌灌漿壓力，拱頂脫空區(qū)注漿時(shí)注漿壓力有侵入部分預(yù)留變形空間的風(fēng)險(xiǎn)，對施工控制要求高。

5）限阻器緩沖層有效壓縮率較大，工況三有效壓縮率最大值超過75%，即7.5 cm。不可利用壓縮量主要由連接鋼板厚度、鋼管厚度以及剛度增大段組成。

6）限阻器在75%的有效壓縮率內(nèi)，緩沖性能穩(wěn)定，二次襯砌應(yīng)力始終保持較低水平，隨壓縮量增大二次襯砌應(yīng)力基本保持穩(wěn)定。而聚乙烯泡沫板在50%的有效壓縮率內(nèi)，緩沖性能不穩(wěn)定，二次襯砌應(yīng)力隨壓縮量增大而增大。

5 結(jié)論與建議

1）施作緩沖層會增大初期支護(hù)受力，但二次襯砌的應(yīng)力水平會明顯降低，既起到保護(hù)二次襯砌的作用，又充分發(fā)揮初期支護(hù)與圍巖的承載能力。

2）聚乙烯泡沫板及徑向管式限阻器兩種緩沖層方案的作用效果存在一定差異。對于瓦日鐵路南呂梁山隧道襯砌開裂的工程問題，兩種緩沖層方案均能滿足二次襯砌結(jié)構(gòu)的受力安全性要求。

3）對南呂梁山隧道建議采用聚乙烯泡沫板緩沖層，因其購置及裁取方便，施工操作簡易。而對于需要變形10 cm以上才可將圍巖壓力降低至二次襯砌可安全承載水平的工況，建議采用徑向管式限阻器，因其有效壓縮率高，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性更好。