新型泡沫混凝土在软岩隧道支护中的应用

刘 通

(辽宁省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，辽宁 沈阳 110003)

0 引言

在隧道施工过程中，岩石的大变形是困扰地下施工的一大难题。由于软岩隧道开挖和蠕变会产生较大的变形并持续较长时间，会严重威胁隧道的稳定性[1]。

对于软岩隧道支护，常采用刚性支护体系和柔性支护体系[2]。一般来说，刚性支护系统和柔性支护系统都能有效地限制挤压软岩的大变形。在刚性支护系统中，刚性支护可以在不超挖的情况下阻止隧道的大变形，但成本很高[3]。在软岩隧道中遇到较大变形时，采用刚性支护往往会造成衬砌的巨大剪切破坏。对于柔性支护系统，其思路是在地面变形时将地面压力降低到衬砌的安全水平。因此，具有成本效益的柔性支护系统可以适用于允许围岩产生一定变形的情况[4]。对于刚性支撑系统，隧道开挖时由于围岩变形有限，应力不能充分释放，且围岩地应力较高，因此塑性区随着时间推移扩展较大[5]。而对于柔性支护体系，由于缓冲层材料能够容纳足够的围岩变形，使得隧道开挖后地应力相对较低，因此塑性区扩展较小，增长缓慢[6]。

通常，在喷射混凝土一次衬砌和二次衬砌之间会设计一个缓冲层，并使用高变形混凝土、泡沫混凝土、软橡胶等来进行填充[7]。与喷射混凝土衬砌相比，这些材料要求抗压强度更低，变形能力更强，从而减少了围岩和喷射混凝土衬砌向二次衬砌的推力传递，保证了支护结构的安全。

本文提出了一种延性好、抗压强度高于传统泡沫混凝土的新型泡沫混凝土，并对其材料性能进行了分析。泡沫混凝土能够通过吸收围岩变形来降低围岩压力，使支护体系具有较强的稳定性，可以应用于隧道柔性支护体系中。此外，还对软岩隧道的界面力学特性、二次衬砌塑性区和变形的影响及其适用性进行了数值研究。

1 泡沫混凝土

1.1 泡沫混凝土的主要成分

泡沫混凝土作为一种建筑材料，具有重量轻、气孔多、防水性差等特点，被广泛应用于建筑施工中保温隔热。泡沫混凝土的成分为：水泥、灰分、珍珠岩、水、防水剂、防冻剂、减水剂、纤维、泡沫。其中珍珠岩和纤维可以影响吸水率，防止开裂。泡沫是影响干密度和抗压强度等综合性能的因素。防冻剂和减水剂是控制混凝土质量的主要因素。

1.2 主要成分对泡沫混凝土抗压强度的影响

对于泡沫混凝土的抗压强度，主要影响因素分别是水料比、纤维含量、泡沫与浆料体积比。

图1显示了3、7、28天龄期混凝土单轴抗压强度随水料比的变化。可以看出，水料比从0.47增加到0.55时，混凝土单轴抗压强度变化不大。混凝土最佳水料比为0.52，此时，泡沫混凝土的抗压强度较高且体积密度较低。

图1 混凝土单轴抗压强度随水料比的变化

纤维对泡沫混凝土有很大的影响。如果不添加纤维，在孔壁和孔隙之间会存在一些微孔或微裂缝，这将对泡沫混凝土的性能造成一定的不利影响。如果添加纤维，泡沫混凝土中的孔隙结构将得到增强，孔壁和孔隙之间存在的微孔或微裂缝数量将明显减少。本次试验使用聚丙烯纤维，图2给出了不同纤维掺量下泡沫混凝土抗压强度的变化。可以看出，泡沫混凝土的抗压强度随纤维掺量的增加而升高，然而，增长率却呈下降趋势。所以从成本考虑，没有必要添加过多的纤维，纤维的最佳含量为1～1.5kg/m3。

图2 混凝土单轴抗压强度随纤维掺量的变化

图3为泡沫混凝土抗压强度和泡沫与浆料体积比关系的试验结果。可以看出，泡沫混凝土的抗压强度随泡沫与浆料体积比的增加而降低，当泡沫与浆料体积比为1.8时，混凝土抗压强度仅为泡沫与浆料体积比为1.0的18.3%。

图3 混凝土单轴抗压强度随泡沫与浆料体积比的变化

1.3 与传统泡沫混凝土的性能比较

传统泡沫混凝土作为一种缓冲材料，存在收缩率大、吸水率低、弹性模量很低、强度太低等不理想的缺点，不适合作为抵抗土压力的材料。本文提出的新型泡沫混凝土是由在混凝土中添加泡沫和一些外加剂制备的。新型泡沫混凝土的配合比见表1。

表1 新型泡沫混凝土的配合比

通过室内试验研究了传统泡沫混凝土和新型泡沫混凝土的力学性能。制备尺寸为直径50mm×高100mm的圆柱体试件进行单轴抗压强度试验。泡沫混凝土单轴抗压强度试验的应力-应变曲线如图4所示。可以看出，新型泡沫混凝土的单轴抗压强度(2.88MPa)明显大于传统泡沫混凝土(0.96MPa)。通过峰值应力后，新型泡沫混凝土的应力减小平缓，而不是突然下降，破坏后残余强度仍然存在。在经历较大的应变后，新型混凝土的应力变化不明显，具有较好的弹塑性。直到试验结束，试样未发现裂纹，仍保持完整性，表明其具有良好的延性。基于单轴压缩试验的新型泡沫混凝土静态参数见表2。

表2 新型泡沫混凝土的静态参数

图4 泡沫混凝土单轴抗压强度试验的应力-应变曲线

1.4 泡沫混凝土与水泥混凝土界面剪切特性研究

考虑到剪切试验中剪切面较小的因素，混凝土衬砌中粗骨料的粒度会导致剪切试验时界面处不完全接触。因此，本文采用水泥砂浆代替水泥混凝土。水泥砂浆由复合硅酸盐水泥、砂和水组成，混合比例为1∶6.13∶1.22。制备尺寸为150×150×150mm的立方体试样，试样上层为泡沫混凝土，下层为水泥砂浆。浇筑24小时后拆模，放入标准养护室养护14天。

将加载在试件上的法向应力分别设为1.0MPa和2.0MPa，将其作为隧道支护中缓冲变形层的近似应力用于后续的案例研究。以0.5kN/s的速率施加法向荷载，直到法向应力达到预期值，保持法向应力不变，在剪切方向上以0.01mm/s的速率施加剪切载荷，直至损伤面发生剪切破坏。

法向应力为1.0MPa和2.0MPa时试样的剪应力-位移曲线如图5所示。法向应力为1.0MPa时，峰值剪应力为1.16MPa，残余剪应力为0.77MPa。当法向应力为2.0MPa时，试样的峰值剪应力和残余剪应力分别为1.79MPa和1.46MPa。在达到峰值剪应力前，所有试样几乎都处于弹性剪切状态。达到峰值剪应力后，所有试样都经历了较长距离的剪切滑移，并基本保持了残余剪应力。

图5 法向应力为1.0MPa和2.0MPa时试样的剪应力-位移曲线

室内压缩试验表明，新型泡沫混凝土的抗压强度比传统泡沫混凝土高，可承受较大压力，多孔结构使其具有比水泥混凝土更好的变形能力。室内剪切试验表明，泡沫混凝土与水泥混凝土界面粘结紧密，残余抗剪强度相对较高。

1.5 泡沫混凝土在软岩隧道支护中的应用

新型泡沫混凝土具有吸收变形能的自变形能力，并且与水泥混凝土界面的粘结性较好，可抵抗地面挤压荷载，因此可以作为隧道工程中的缓冲材料，有望在隧道工程的柔性支护中得到应用。

2 工程描述

以某深埋软岩隧道为例，分析了新型泡沫混凝土作为缓冲材料的效果。该隧道断面面积为65.36m2，最大埋深为126m，考虑为深埋隧道。软质围岩主要为泥岩和泥页岩。由于软岩的挤压作用，施工初期隧道顶部沉降量和侧壁变形量分别为25cm和40cm，且两侧壁均出现裂缝，对隧道安全造成严重威胁。

由于引起的变形较大，必须提出一种新的支护方案。本研究采用新型泡沫混凝土作为缓冲材料填充隧道预留变形层。通过数值模拟对新型泡沫混凝土的性能进行了分析和评价。

3 数值分析

3.1 数值模型

在本研究中，对于支撑构件，锚杆设计间距为2.2×2.2m，采用桁架单元建模。一次衬砌厚度为22cm，将预留的变形层替换为新型泡沫混凝土作为缓冲层，采用厚度为20cm的实体元进行建模。二次衬砌厚度为46cm。

在模型中，不允许沿基底边界的垂直位移和沿竖向边界的横向位移，在模型顶面设置126m地应力的覆盖层。

在本研究中，软岩和支护的主要参数(表3)和软岩的蠕变参数(表4)由实验室试验确定。所用泡沫混凝土参数如表2所示。在塑性分析中，包括泡沫混凝土在内的所有材料都遵循Drucker-Prager屈服准则。

表3 软岩和支护的主要参数

表4 软岩的蠕变参数

对于围岩的蠕变特性，采用幂函数经验蠕变模型，其表达式为：

εt+εs=A(σeq)ntm+1

(1)

式中，εt—蠕变初始阶段的应变(无量纲)；εs—蠕变稳定阶段的应变(无量纲)；σeq—等效蠕变应力，MPa；t—时间，h；A、N、M—软岩蠕变参数，见表4。

本文提出了两种支护比较方案。方案一以新型泡沫混凝土作为缓冲层，一次衬砌厚度为22cm，缓冲层为20cm，二次衬砌厚度为46cm。方案二为刚性支护，一次衬砌厚度为22cm，缓冲层用二次衬砌材料代替，形成总厚度为66cm的加厚二次衬砌。

采用ABAQUS软件对两种支护方案进行了模拟：第一步是地应力平衡。第二步是隧道开挖和一次衬砌安装。第三步是安装缓冲层和二次衬砌。第四步是软岩10年蠕变，采用Drucker-Prager蠕变准则对软岩进行建模。

3.2 结果分析

3.2.1泡沫混凝土的力学性能

通过数值模拟得到了结果。对方案1和方案2的界面接触应力和界面处剪应力进行了比较。两种方案的界面接触应力如图6所示，两种方案的界面处剪应力如图7所示(θ表示从隧道底部顺时针旋转至顶部的角度)。方案1的界面接触应力很小，仅为方案2的3%左右。方案1界面处剪切应力也很小，特别是在侧壁处，这是由于在隧道周围以侧向地应力为主，侧壁处的剪应力最大。方案1的泡沫混凝土吸收了围岩的变形，起到了缓冲层的作用，造成了两种方案较大的差异[8]。

图6 两种方案的界面接触应力

图7 两种方案的界面处剪应力

3.2.2泡沫混凝土层对软岩的影响

在数值分析中，可以得到隧道地表周围的地应力。两种方案在隧道顶部的地应力随位移变化曲线如图8所示。可以看出，方案2中隧道周围软岩的地应力明显高于方案1，且方案2的地应力曲线比方案1的曲线更加陡峭。

图8 两种方案在隧道顶部的地应力随位移变化曲线

3.2.3泡沫混凝土对衬砌的影响

两种方案隧道顶部沉降量对比如图9所示。对于二次衬砌的变形，由于缓冲层的作用，方案1的二次衬砌变形效果优于方案2。经过10年软岩蠕变后，方案1和方案2中隧道顶部沉降量分别为3.22cm和5.31cm。因此，采用新型泡沫混凝土作为缓冲层显著降低了二次衬砌的变形。

图9 两种方案隧道顶部沉降量对比

4 结论

本文介绍了一种新型泡沫混凝土，研究了混凝土的力学特性和其作为缓冲材料在软岩隧道支护中的性能。得到以下结论。

(1)新型泡沫混凝土的抗压强度高，塑性阶段的变形性、延性和抗裂性好。与水泥混凝土界面的紧密粘结有利于与衬砌一起抵抗软岩的荷载。因此，新型泡沫混凝土是隧道工程柔性支护中较好的缓冲材料。

(2)在软岩岩层中，将泡沫混凝土作为一次衬砌和二次衬砌之间的缓冲层时，与刚性支护相比，缓冲层与二次衬砌界面的接触应力和剪应力小，可以通过吸收变形减小围岩蠕变荷载，改善二次衬砌的应力状态，减少二次衬砌的变形，使整个支护结构保持良好状态。但泡沫混凝土需要在现场浇筑，导致一次衬砌和二次衬砌之间加入技术较为复杂。