復合式襯砌兩種緩沖層結構性能的對比分析

宋超業 李暢 鄭余朝 王漢晨 王剛 仇文革

1.中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津300308；2.成都天佑智隧科技有限公司，成都610031；3.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，成都610031；4.西南交通大學土木工程學院，成都610031

隧道建設過程中的高地應力、流變等地質災害問題嚴重影響隧道及地下工程的施工和運營安全［1］。目前治理隧道高地應力大變形、流變等地質災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的治理理念在國內外逐漸發展完善，并逐步得到廣泛認同。20世紀90年代末，Kovári［2］指出若強行抑制圍巖變形，會導致過大的圍巖壓力，致使結構內力超出承載能力，擠壓性圍巖隧道施工中唯一可行的支護方案是讓支護結構在破壞失效之前可隨圍巖一起變形，發展出“屈服控制”支護理念。Anagnostou等［3］指出實現屈服控制支護的方式有兩種：①采用可滑動鋼架和高延性混凝土的組合；②在剛性支護的背后填充可壓縮層。劉天嘯［4］圍繞圍巖應力轉移和巷道大變形控制展開研究，提出了預留變形空間的“卸壓+讓壓”聯合控制技術并成功應用于現場。仇文革、王剛等［5-6］基于主動引導圍巖變形與釋放圍巖壓力的理念，研發了限制支護阻力阻尼器，簡稱限阻器。以限阻器為基礎沿環向布設形成了限阻耗能型支護。該支護方式在陽山隧道、鄭莊隧道等黃土隧道得到成功應用后，又推廣應用于多座高地應力水平砂泥巖互層隧道的初期支護破裂治理［7-8］。

除基于讓壓錨桿、讓壓U形鋼架以及環向限阻器的讓壓支護技術方案，基于緩沖層的讓壓支護方案也應用于多種復雜地質工況的隧道中，并取得了良好的效果。胡俊等［9］通過試驗研究了以聚苯乙烯（Expanded Polystyrene，EPS）混凝土作為緩沖層的隧道結構抗爆性能，發現緩沖層可明顯減小隧道結構頂部壓強峰值，但壓強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方案。吳順川等［11］研究表明，將EPS緩沖層作為初期支護與二次襯砌間的支護結構是富水膨脹性圍巖隧道的有效支護形式和潛在災害防治措施。

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巖及膏溶角礫巖因圍巖劣化產生的附加形變壓力的作用效果及差異性。通過FLAC 3D進行數值模擬分析，提出緩沖層結構的下一步優化方向。

1 工程概況

瓦日鐵路南呂梁山隧道巖性為泥灰巖、含膏泥灰巖，圍巖屬軟巖、極軟巖。由于巖體存在軟化、溶蝕等劣化效應，結構變形存在明顯時間效應，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。南呂梁山隧道結構變形發展持續至運營期，最終部分段落在形變壓力作用下發生二次襯砌開裂（圖1）。南呂梁山隧道病害分布區段明顯，隧道變形開裂具有持續性。

圖1 二次襯砌開裂

2 支護結構設計理念與初步方案

膏鹽巖巖體軟化、溶蝕、剪脹擴容等因素均會導致圍巖形變壓力增大，應基于形變壓力的特征設計支護結構。當圍巖壓力以形變壓力為主時并非定值，而是隨圍巖變形量、支護剛度和支護時機變化。單純增加支護剛度，圍巖壓力也會增大，一些工況下強大的聯合支護手段仍不能夠抵抗圍巖的形變壓力。如果增大結構容許變形量或降低支護剛度，容許圍巖釋放一定的形變壓力，初期支護受力會相應減小。因此，應當形成“以放為主、限量抵抗”的支護原則［7-8］。

由于圍巖壓力與支護阻力的平衡存在多解性，設計時要通過引導圍巖變形，尋求圍巖壓力和支護阻力的更優解，以提高支護方案的技術性和經濟性。擬定的初步方案是在拆換后的初期支護與二次襯砌之間拱墻處設置緩沖層，釋放圍巖形變壓力。根據隧道病害段二次襯砌的變形情況，緩沖層的厚度不應低于50 mm?；诰彌_層的襯砌優化橫斷面設計方案見圖2。

圖2 設置緩沖層的復合式襯砌支護結構橫斷面（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

經試驗檢測，聚乙烯閉孔泡沫板的基本性能參數是：表觀密度為96 kg/m3，抗拉強度為1 084 kPa，抗壓強度（壓縮變形量小于10%時所能承受的最大壓應力）為234 kPa，70℃條件下壓縮50%經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成，采用焊接連接，共四條焊縫。與初期支護接觸的連接鋼板預留連接螺栓孔，通過膨脹螺栓與初期支護混凝土連接。與二次襯砌接觸的連接鋼板中央預留螺絲孔位，通過螺栓及墊片加強鋼板與鍍鋅鋼管的連接。同時在施作土工布及防水板之前先掛設一層網眼尺寸為10 cm×10 cm的鋼筋網，并與限阻器連接板點焊。小間距鋼筋網優化組合結構構件傳力的均勻性能夠增強組合結構的整體性。基于徑向管式限阻器緩沖層的復合式襯砌構造見圖3。

圖3 基于徑向管式限阻器緩沖層的復合式襯砌構造

3.3 兩種緩沖層壓縮力學性能對比

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%。緩沖層設計有效壓縮量為支護阻力小于初期支護結構的極限承載力且大于二次襯砌灌漿壓力所對應的變形量。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算值作為參考，初期支護結構極限承載力近似取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 數值模擬分析

為了驗證緩沖層方案的合理性，設置三種工況進行計算。

①工況一：常規復合式襯砌結構。

②工況二：基于聚乙烯緩沖層的復合式襯砌結構，即初期支護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合式襯砌結構，即初期支護與二次襯砌之間施作10 cm厚徑向限阻器。

4.1 模型與參數

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

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

地層及節理參數根據勘察設計資料取值，見表1?；炷羺蹈鶕炷良羟袕姸仍囼灲Y果取值［13］。

表1 地層及節理計算參數

先不考慮圍巖劣化計算隧道開挖并施作初期支護至達到平衡狀態的受力，在施作二次襯砌及緩沖層后再計算圍巖劣化對結構受力的影響。圍巖劣化通過對巖體剪切強度參數進行折減實現，折減系數為1.5。由于初期支護與二次襯砌之間設置了土工布、防水板，接觸界面以傳遞法向應力為主，剪切應力很小，力學效應通過設置接觸參數進行模擬［12］。初期支護厚25 cm，二次襯砌厚70 cm，參數見表2和表3。

表2 支護結構計算參數

表3 初期支護與二次襯砌接觸參數

聚乙烯緩沖層及限阻器緩沖層單元在其工作行程內通過壓縮性能曲線設置其力學參數，在超過其變形最大值后取較大的剛度。數值模擬分析軟件采用FLAC 3D。根據現場實際工況及計算精度要求，計算模型尺寸設置為150 m×130 m×30 m。數值計算模型與網格劃分見圖5。

圖5 不同計算工況計算模型及洞周網格劃分

4.2 無緩沖層方案的受力分析

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

圖6 常規支護下塑性區及洞周最小主應力分布

最小主應力分布可代表襯砌環向壓應力分布。常規襯砌結構的初期支護及二次襯砌最小主應力分布見圖7。可知：初期支護時全環受壓，在邊墻、仰拱及拱頂均有較大壓應力，最大值為-17.65 MPa；二次襯砌時全環受壓，壓應力最大值位于拱頂及仰拱拱腰，最大壓應力為-22.39 MPa。

圖7 常規支護襯砌最小主應力分布（單位：MPa）

4.3 含緩沖層支護方案的受力分析

含緩沖層的支護結構洞周應力場的分布規律與常規支護相同。施作不同緩沖層的襯砌結構應力分布見圖8和圖9。

圖8 工況二襯砌最小主應力分布（單位：MPa）

圖9 工況三襯砌最小主應力分布（單位：MPa）

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

4.4 三種支護方案對比

三種方案的支護效果見表4?？芍菏┳骶彌_層后，允許圍巖-初期支護體系產生更多變形，釋放圍巖壓力，與常規支護相比，初期支護受力增大而二次襯砌受力明顯減小。

表4 各支護方案作用效果對比

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，能與初期支護密貼，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，在長時間周期內緩沖性能不穩定。

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，在實際施工中的三軸受力條件與泊松效應將使其變形模量進一步增大，當壓縮率約65%時，泡沫板傳遞給二次襯砌的壓縮應力已超過二次襯砌的開裂荷載，此時泡沫板已經喪失緩沖性能，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雜，難以保證與初期支護密貼。并且由于二次襯砌灌漿壓力，拱頂脫空區注漿時注漿壓力有侵入部分預留變形空間的風險，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，緩沖性能穩定，二次襯砌應力始終保持較低水平，隨壓縮量增大二次襯砌應力基本保持穩定。而聚乙烯泡沫板在50%的有效壓縮率內，緩沖性能不穩定，二次襯砌應力隨壓縮量增大而增大。

5 結論與建議

1）施作緩沖層會增大初期支護受力，但二次襯砌的應力水平會明顯降低，既起到保護二次襯砌的作用，又充分發揮初期支護與圍巖的承載能力。

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構的受力安全性要求。

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，技術經濟性更好。